CN1270945C - 浮顶罐消除二次电弧的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮顶罐消除二次电弧的方法及其装置，该方法是利用固定在浮顶罐顶部的浮顶罐静电导通装置，将其接地电缆的一端固接在该装置上，另一端接在浮盘上，当浮盘下降或上升时，接地电缆可随浮盘自动伸出或自动卷起回收，并使接地电缆始终保持拉紧状态，从而建立起浮盘与浮顶罐的罐体之间良好的电气通路而有效地消除二次电弧。上述浮顶罐静电导通装置包括固接在罐体上的支架、固定支承轴、卷绕有接地电缆的地线仓组合件及其一侧面的弹簧仓组合件、连接在地线仓组合件另一侧面的导流环、与导流环滑接的弹性导流片及迷宫密封导电环、固定地线、外周带有向外延伸凸缘的导流片调紧螺母、锁母、压簧。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于储油的浮顶罐，尤其是涉及一种浮顶罐消除二次电弧的方法及其装置。
背景技术
作为储油用的浮顶罐，主要包括罐体、浮盘等。浮顶罐在使用当中，一般来说，使用状况还是好的，很少见到一些火灾事故的发生。但是，因雷击造成的火灾还是有的，究其原因分析如下：
1、束缚电荷/二次电弧是雷击起火的主要原因
国内外一些浮顶罐因雷击发生火灾已不鲜见，尽管数量很少，但损失严重，已引起生产和安全部门的高度注视。1990年尼日利亚一座670,000桶轻质原油浮顶罐由于雷击起火被烧毁。1997年广石化102号5万方原油浮顶罐两次因雷击起火。1999年相邻的103号原油浮顶罐又一次雷击起火。好在火情不重且消防及时，没有酿成大的事故。
罐区都装有避雷装置，储罐在保护范围内，雷电不可能击在浮顶罐，也没有任何“直击雷”击中浮顶罐的依据。
据统计和分析，在雷雨天气，对浮顶罐及金属构筑物造成火灾的主要原因是雷电的二次效应，即束缚电荷(Bound Charge)与二次电弧(Secondary Arc)。由这种二次效应引起石化储罐火灾的概率为直击雷的1000倍以上。
因此，浮顶罐在雷击时起火的原因来自束缚电荷/二次电弧。
2、束缚电荷/二次电弧的产生
积雨云形成过程中，在大气电场，温差起电效应，破碎起电效应同时作用下，正负电荷在不同云团和云的不同部位积聚。经过运动，带上相同电荷质量较重的物质会达到云层下部(一般为负电荷)，带上相同电荷质量较轻的物质会到达云层上部(一般为正电荷)，这种充电云层会形成高强度的静电场，在对地放电之前，云层底部的静电场从初始的10伏升至10-30于伏/米。如图1所示，在如此强烈的静电场感应下，大地包括在其上面的构筑物也被充电，充电范围称为“电遮影”52(ELECTRIC SHADOW)，其与上方的云层51面积相等但极性相反(云层底部为负极，大地表面为正极)。而电遮影52之外的大地53相对是负极。
处在电遮影52内的大地及所有构筑物(无论是导体还是非导体)均被感应为正电。包括在其范围内浮顶罐的罐体50、浮盘及储存介质。这个感应相对缓慢，此时不会有静电场引起的电弧。
高强度静电场云层接近地面时，随着电场加强形成下行向导，地面上的凸出物体(山体，构筑物)形成向上闪流，二者相遇形成对地放电，即雷击后，云层51底部的负电荷与其下面大地53的正电荷迅速“中和”，雷击的整个过程(包括先导放电，主放电，余光放电)只有20毫秒，大地立即由正极变为负极，在这个极性转变的瞬间，所有与大地有良好接地的构筑物会同大地同步转换极性，而与大地接地不甚理想的构筑物如：浮顶罐浮盘会滞留束缚(正)电荷，会通过“非接地回路”向已处于负极的大地53，包括与大地53等电位的构筑物，如浮顶罐的罐体50中和放电，即二次电弧。
3、束缚电荷/二次电弧对浮顶罐的危害
束缚电荷与二次电弧对于浮顶罐的安全有明显的影响。
如图2所示，从充电云层51对地电场升高至对地放电雷击前，浮顶罐罐体50与浮盘60均与大地等电位(正极)，对地放电雷击后，罐体与大地同步转换为零电位，而金属的浮盘60与罐体50之间缺少足够的电气连接(存在阻抗)，不能与罐体50同步转换极性，上面滞留束缚电荷并立即在浮盘60与罐体50之间放电(二次电弧)。如果在浮顶罐的环形空间(RIM SPACE)处有达到爆炸混合比的油气，将引起火灾。
如果没有引起对地放电雷击的诱因(包括气象等复杂条件和地形及避雷装置)，充电云层51可能被减弱或中和，二次电弧就不会发生。
4、浮盘与罐体之间的电气通路与阻抗
浮盘与罐体的罐壁存在阻抗的原因分析如下：
浮顶罐上的浮梯，导向柱，液位计，泡沫发生器等金属附件与罐体有良好的电气连接，它们与罐体的罐壁始终是等电位的。
但是对于浮盘，它与罐体的罐壁的电气连接则可能出现问题，原因如下：
浮盘与罐体的罐壁的电气连接有以下三到四种回路
1)从罐顶沿浮梯下至浮盘的两条约24米长25mm2的铜丝编织导线。只有该项是真正意义的电气连接，两端按照接地要求作连接。但不足的是导线过长，在雷电频率下的阻抗约150-250欧姆。
2)浮梯连接罐体的罐壁和浮盘，浮梯在浮盘升降轮轴沿在浮盘上的轨道滚动，接触电阻大且随着浮盘表面的锈蚀会更大。
3)浮顶密封上的导静电片。导静电片与浮盘一侧的连接是紧密的，但问题出现在同罐体的罐壁的电气连接上。所有罐体的罐壁内侧都有一层蜡，胶质及其他有机成分的混合物，将罐体的罐壁的金属表面覆盖，金属导静电片与罐体的罐壁金属表面之间被这层覆盖物绝缘，有很大的电阻，从而在相当的程度上失去导静电作用。
4)焊接在浮顶罐上与罐体的罐壁接触的刮蜡器。刮蜡器由于重锤或弹簧的作用贴向罐体的罐壁，将附着在罐体的罐壁上的粘结物(主要是蜡，胶质)刮下。从储罐的生产实践来看，大多数刮蜡器的刮蜡效果不甚理想。因此刮蜡器与罐体的罐壁之间大多被绝缘，电气连接也不可靠。成品油及其他轻质介质的储罐则没有刮蜡器。
浮盘与罐体的罐壁之间的电气连接不能仅考虑直流电阻，而应按照冲击电阻分析。在从高电位到“零”电位转变的瞬时，冲击电阻比直流电阻要大得多。
5、目前对火灾事故及防止方法简介
据管道局的徐宝华先生介绍，他在美国考察浮顶罐时，美国方面介绍了二次密封导静电片的安装间隔与安全的关系。按照规范，该间隔为3米。但是浮顶罐几次因雷击起火，之后根据徐宝华先生的要求将间隔改为1米，不再发生事故。至少从逻辑上可以分析出，原来的起火是二次电弧导致的，加密导静电片减弱或消除了二次电弧发生的可能和程度。
根据以上情况，这里再分析一下广石化102#5万方原油浮顶罐的起火原因。
该储罐的一次密封和挡雨板由于使用时间长，结构老化，密封与罐体的罐壁之间出现明显间隙，环形间距处油气泄漏较多，成为火灾隐患。
关于雷击起火的原因，有关人士认为，102#罐附近有小山，雷击与小山有关。没有任何看到直击雷打在储罐的目击者，在起火部分罐体的罐壁与浮盘边缘板处也未发现丝毫雷击的痕迹，因此可以否定直击雷。
可以初步认定，储罐附近的小山与浮顶罐在同一电遮影下，诱导充电云层对地放电，在浮盘边缘板与罐体的罐壁之间由于上述的束缚电荷产生二次电弧并引燃泄漏的油气。
经研究，采用了浸液式充液密封和面接触型二次密封，将油气损失减少90％以上。
在102#和109#浮顶罐改装了上述密封之后，没有再出现起火事故，但是相邻为改造的103#5万方原油浮顶罐却又发生雷击后的起火，因为该储罐密封状况不良，有较多油气泄漏，二次电弧引燃油气而起火。
上述事实说明，减少油气损失避免了火灾发生的危险，但是产生二次电弧的机制并未消除。二次电弧是引燃起火的根本原因，如果这个起因不消除，即使有很好的密封，也不能完全阻挡储罐内油气泄漏，在低气压无风的天气，泄漏出的油气会淤积在环形间距，另如有外界可燃物出现，还将发生火灾。况且不排除密封出现缺损导致油气泄漏，这些都将导致起火重新发生。
尽管对大多储罐因二次电弧引起火灾的概率很低，但必须彻底消除，有如严禁在炼厂，油库吸烟一样，无论概率多低也不容许，一次事故带来的损失将不可想象。
彻底有效地消灭二次电弧是排除安全隐患的根本措施。关键是建立浮盘与罐体之间良好的电气通路，消除火灾必须最大程度减少束缚电荷与二次电弧。
6、现有的技术规范尚未提及二次电弧
目前的储罐设计遵照“SH-3046石油化工立式圆型钢制焊接储罐设计规范”。从罐顶到浮盘的导静电铜导线的数量(规范要求不少于两条，实际设计均为两条)和截面(规范要求不小于16mm2，实际设计因设计院而异)与储罐直径大小无关。
在GB 13348-92“液体石油产品静电安全规程”，SY/T6340-1998“石油工业防静电推荐作法”，GB15599-1995“石油与石油设施雷电安全规范”中，所提及的防静电措施都是只考虑石油产品在流动时产生的静电电荷束缚，这些措施无疑是正确的。但是在这些规范标准中都没有提及雷电产生二次电弧的现象及防护措施，也没有提出过浮顶罐消除二次电弧的方法及其装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种浮顶罐消除二次电弧的方法及其装置，以消除浮盘上的束缚电荷/二次电弧，防止浮顶罐因雷击造成的火灾。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种浮顶罐消除二次电弧的将其接地电缆的一端固接在该装置上，接地电缆的另一端固接在浮盘上，当浮盘下降时，接地电缆可随浮盘下降并自动伸出；当浮盘上升时，接地电缆可随浮盘上升并自动卷起回收，使接地电缆始终保持拉紧状态，从而建立起浮盘与浮顶罐的罐体之间良好的电气通路而消除二次电弧。
所述固定在浮顶罐顶部的浮顶罐静电导通装置，其在浮顶罐上设置的数量要根据浮顶罐的容量大小确定，浮顶罐的浮盘每1000平方米面积设置一套，对于5千立方米到15万立方米的浮顶罐设置1-8套，并均匀布置在浮顶罐的罐体顶部圆周上。
一种实现浮顶罐消除二次电弧的方法的浮顶罐静电导通装置，包括：罐体、浮盘、固定地线，其特征在于它还包括：两个固定连接在罐体顶部圆周上的支架；一固定在支架上的固定支承轴；一卷绕有接地电缆的地线仓组合件，该接地电缆的内端固接在地线仓组合件上，外端与浮盘固定连接；一设在地线仓组合件一侧面的弹簧仓组合件；设在地线仓组合件另一侧面的导出静电部件。
所述卷绕有接地电缆的地线仓组合件还包括可绕固定支承轴转动的地线储存仓，该地线储存仓的中部设有可固定连接接地电缆内端的轴承盒部，轴承盒部与固定支承轴之间设有滚柱轴承。
所述设在地线仓组合件一侧面的弹簧仓组合件包括：与地线储存仓固接为一整体并可与其同步绕固定支承轴转动的弹簧储存仓；该弹簧储存仓的中部设有一固接在固定支承轴上的轴套，其左端与滚柱轴承的右端面相接触；所述轴套与弹簧储存仓内部所构成的空间中卷绕有储能弹簧，其头部固定在轴套上，其尾部固定在弹簧储存仓的内壁上。
所述导出静电部件包括：固接在地线仓组合件左侧面上的导流环；一端与导流环滑动接触的弹性导流片及迷宫密封导电环，该弹性导流片及迷宫密封导电环均与固定地线固接，其外端设有旋接在固定支承轴上外周带有向外延伸凸缘的导流片调紧螺母及锁紧螺母；该导流片调紧螺母的外周向外延伸的凸缘与迷宫密封导电环之间设有压簧。
采用上述方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
由于本发明所提供的一种浮顶罐消除二次电弧的方法及其装置，针对现有技术中浮顶罐的浮盘与罐体的罐壁存在有阻抗，雷击时使浮盘上滞留的束缚电荷通过“非接地回路”产生的二次电弧而引发火灾问题，利用了一固定在浮顶罐顶部的浮顶罐静电导通装置，将其接地电缆的一端固定在与罐体连接为一体的浮顶罐静电导通装置上，该浮顶罐静电导通装置，通过导流环与弹性导流片及迷宫密封导电环的滑动连接，而构成两路静电导出系统，再加上导流片调紧螺母外周带有向外延伸的凸缘及迷宫密封导电环的密封作用，而与固定地线有效地保持良好的动态连接，接地电缆的另一端牢固地接在浮盘上，无论浮盘上升还是下降，接地电缆可以伸长或收卷，在储能弹簧的作用下，接地电缆始终保持拉紧状态，因此，浮盘与罐体的罐壁之间便建立起良好的电气通路。工作时，浮顶罐的浮盘绝大多数情况下在罐顶部，因此，接地电缆的电气等效长度只有3-4米，阻抗极小。即使浮盘下降到罐底，也只有15米左右，接地电缆在雷电频率下的阻抗仅有1欧，上述这样良好的电气通路，足以最大程度地减少或消除浮盘上滞留的束缚电荷，即可杜绝二次电弧的发生，从而彻底消除浮顶罐因雷击所造成的火灾。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。
附图说明
图1是现有技术中云层对大地的充电情况示意图；
图2是现有技术中雷击时浮顶罐浮盘上的束缚电荷与二次电弧情况示意图；
图3是本发明浮顶罐静电导通装置的总体连接情况示意图；
图4是图3的A部结构放大示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，在背景技术中，对云层对大地的充电、束缚电荷与二次电弧的产生及对浮顶罐引发火灾的危害已作了详细地描述，故不再赘述。为解决浮盘上的束缚电荷/二次电弧问题，本发明提出了一种浮顶罐消除二次电弧的方法及其装置，如图3和图4所示，所述一种浮顶罐消除二次电弧的方法是利用固定在浮顶罐顶部的浮顶罐静电导通装置，将其接地电缆1A的一端固接在该装置上，接地电缆1A的另一端固接在浮盘上，当浮盘下降时，接地电缆可随浮盘下降并自动伸出；当浮盘上升时，接地电缆可随浮盘上升并自动卷起回收，像盒尺拉出、收回一样，其接地电缆始终保持拉紧状态，从而建立起浮盘与浮顶罐的罐体之间良好的电气通路而消除二次电弧。所述浮盘与浮顶罐的罐体之间良好的电气通路，是浮盘与浮顶罐之间具有上述固定可靠的电气连接，浮顶罐的浮盘绝大多数情况下在罐顶，因此接地电缆的电气等效长度很短，只有3-4米，阻抗也极小，即使浮盘降到罐底，接地电缆也只有15米左右，接地电缆在雷电频率下的阻抗仅有1欧姆。
上述浮顶罐消除二次电弧的方法中所利用的浮顶罐静电导通装置，其在浮顶罐上设置的数量要根据浮顶罐的容量大小确定，基本方法是浮顶罐的浮盘每1000平方米面积设置1套，对于5千立方米到15立方米的浮顶罐设置1-8套，并均匀布置在浮顶罐的罐体顶部圆周上。根据此方法，对不同容积浮顶罐设置浮顶罐静电导通装置的数量如下表所示：
| 浮顶罐容量 | 直径(米) | 导通装置数量 |
| 5千方 | 22 | 1 |
| 1万方 | 28.5 | 1 |
| 2万方 | 40.5 | 2 |
| 3万方 | 48.5 | 2 |
| 5万方 | 60 | 3 |
| 10万方 | 80 | 5 |
| 12.5万方 | 90 | 6 |
| 15万方 | 100 | 8 |
图3和图4示出了上述浮顶罐静电导通装置的连接关系及其结构特征，该装置的具体结构包括罐体50，浮盘60，固定地线11，在罐体50上部固定连接有两个支架7，两个支架7上固定有固定支承轴5。固定支承轴5的中部套有地线仓组合件1和弹簧仓组合件2。该地线仓组合件1包括地线储存仓1B，该地线储存仓1B的中部设有轴承盒部1C，轴承盒部1C与固定支承轴5之间设有滚柱轴承3、4，因而地线储存仓1B可绕固定支承轴5转动，该地线储存仓1B内卷绕有接地电缆1A，该接地电缆1A为多股软铜丝编织线，其内端固接在地线仓组合件的轴承盒1C上，可用熔接固定，其外端与浮盘60固定连接，可以接在其泡沫挡板内侧底部。该弹簧仓组合件2设在地线仓组合件1的一侧面，包括与地线储存仓1B固接为一整体的弹簧储存仓2A，故该弹簧储存仓2A可与地线储存仓1B绕固定支承轴5同步旋转，该弹簧储存仓2A的中部设有一固接在固定支承轴5上的轴套2B，可用键6或螺钉将其与固定支承轴5固接，轴套2B的左端与滚柱轴承4的右端面相接触；轴套2B与弹簧储存仓2A内部所构成的空间中卷绕有储能弹簧2C，其头部固定在轴套2B上，其尾部固定在弹簧储存仓2A的内壁上。在地线仓组合件1的另一侧面上设有具有两路静电导出系统的导出静电部件。该具有两路静电导出系统的导出静电部件包括固接在地线仓组合件1左侧面上的导流环8，其可穿入地线储存仓1B直接与轴承盒部1C或接地电缆的内端熔接。导流环8的左端滑动接触有弹性导流片9及迷宫密封导电环20，该弹性导流片9为1-6件，本实施例为4件，该弹性导流片9及迷宫密封导电环20均与固定地线11固定连接，而构成两路静电导出系统，其外端设有旋接在固定支承轴5上外周带有向外延伸凸缘的导流片调紧螺母10及锁紧螺母12，弹性导流片9和外周带有向外延伸凸缘的导流片调紧螺母10通过锁紧螺母12固定在固定支承轴5上。该导流片调紧螺母10的外周向外延伸凸缘与迷宫密封导电环20的外径相吻合，其间设有压簧21。上述接地电缆为质量5.08公斤、长20米、宽33毫米、厚度2.2毫米的多股软铜丝编织线。地线储存仓的内部宽度40毫米、底部直径Φ60毫米、外廓尺寸Φ280毫米。弹簧储存仓内部宽度64毫米、底部直径Φ40毫米、最大内环Φ174毫米。储能弹簧宽60毫米、厚0.82毫米、长18米、最大力矩900公斤一毫米。
上述浮顶罐静电导通装置的工作原理：由于该浮顶罐静电导通装置使浮盘60与罐体50保持着良好的电气连接，不论是浮盘60的升降，在储能弹簧2C的作用下，均使接地电缆1A自动收放并保持拉紧状态。当浮盘60下降时，接地电缆1A随之下降伸长，并使地线储存仓1B及与其连接为一体的弹簧储存仓2A同步围绕固定支承轴5旋转，该弹簧储存仓2A内的储能弹簧2C蓄积能力；当浮盘60上升时，接地电缆1A随之上升，此时储能弹簧2C释放能力，该地线储存仓1B及与其连接为一体的弹簧储存仓2A同步围绕固定支承轴5返向旋转而将接地电缆1A卷起回收。
由于地线仓组合件1的一侧面设有具有两路静电导出系统的导出静电部件，其固定在地线仓组合件1上的导流环8的一面与地线仓组合件的接地电缆1A连接，其另一面，即导流环8的左端与弹性导流片9及迷宫密封导电环20滑动接触，弹性导流片9及迷宫密封导电环20又与固定地线11相连接，因而便构成固定地线11与地线仓组合件1内接地电缆1A的动态连接。又由于该弹性导流片9处于被导流片调紧螺母10及锁紧螺母12压紧状态，迷宫密封导电环20始终被压簧21压紧状态，再加上导电片调紧螺母外周带有向外延伸凸缘及迷宫密封导电环的密封作用，便可使弹性导流片9及迷宫密封导电环20与导流环8两路均保持良好的接触，也就是说，固定地线11与地线仓组合件1内的接地电缆1A保持良好的电气连接。
Claims (8)
1、一种浮顶罐消除二次电弧的方法，其特征在于：该方法是利用固定在浮顶罐顶部的浮顶罐静电导通装置，将其接地电缆的一端固接在该装置上，接地电缆的另一端固接在浮盘上，当浮盘下降时，接地电缆可随浮盘下降并自动伸出；当浮盘上升时，接地电缆可随浮盘上升并自动卷起回收，使接地电缆始终保持拉紧状态，从而建立起浮盘与浮顶罐的罐体之间良好的电气通路而消除二次电弧。
2、根据权利要求1所述的一种浮顶罐消除二次电弧的方法，其特征在于：所述固定在浮顶罐顶部的浮顶罐静电导通装置，其在浮顶罐上设置的数量要根据浮顶罐的容量大小确定，浮顶罐的浮盘每1000平方米面积设置一套，对于5千立方米到15万立方米的浮顶罐设置1-8套，并均匀布置在浮顶罐的罐体顶部圆周上。
3、一种实现权利要求1的方法的浮顶罐静电导通装置，包括：罐体(50)、浮盘(60)、固定地线(11)，其特征在于它还包括：两个固定连接在罐体(50)顶部圆周上的支架(7)；一固定在支架(7)上的固定支承轴(5)；一卷绕有接地电缆(1A)的地线仓组合件(1)，该接地电缆(1A)的内端固接在地线仓组合件(1)上，外端与浮盘(60)固定连接；一设在地线仓组合件(1)一侧面的弹簧仓组合件(2)；设在地线仓组合件(1)另一侧面的导出静电部件。
4、根据权利要求3所述的一种实现权利要求1的方法的浮顶罐静电导通装置，其特征在于：所述卷绕有接地电缆(1A)的地线仓组合件(1)还包括可绕固定支承轴(5)转动的地线储存仓(1B)，该地线储存仓(1B)的中部设有可固定连接接地电缆(1A)内端的轴承盒部(1C)，轴承盒部(1C)与固定支承轴(5)之间设有滚柱轴承(3)、(4)。
5、根据权利要求3所述的一种实现权利要求1的方法的浮顶罐静电导通装置，其特征在于：所述设在地线仓组合件(1)一侧面的弹簧仓组合件(2)包括：与地线储存仓(1B)固接为一整体并可与其同步绕固定支承轴(5)转动的弹簧储存仓(2A)；该弹簧储存仓(2A)的中部设有一固接在固定支承轴(5)上的轴套(2B)，其左端与滚柱轴承(4)的右端面相接触；所述轴套(2B)与弹簧储存仓(2A)内部所构成的空间中卷绕有储能弹簧(2C)，其头部固定在轴套(2B)上，其尾部固定在弹簧储存仓(2A)的内壁上。
6、根据权利要求3所述的一种实现权利要求1的方法的浮顶罐静电导通装置，其特征在于：所述接地电缆(1A)为多股软铜丝编织线。
7、根据权利要求3所述的一种实现权利要求1的方法的浮顶罐静电导通装置，其特征在于：所述导出静电部件包括：固接在地线仓组合件(1)左侧面上的导流环(8)；一端与导流环(8)滑动接触的弹性导流片(9)及迷宫密封导电环(20)，该弹性导流片(9)及迷宫密封导电环(20)均与固定地线(11)固接，其外端设有旋接在固定支承轴(5)上外周带有向外延伸凸缘的导流片调紧螺母(10)及锁紧螺母(12)；该导流片调紧螺母(10)的外周向外延伸的凸缘与迷宫密封导电环(20)之间设有压簧(21)。
8、根据权利要求7所述的一种实现权利要求1的方法的浮顶罐静电导通装置，其特征在于：所述弹性导流片(9)为1-6件。
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