CC BY
166
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
О молниезащите объектов нефтегазовой промышленности Любимов А. Н.1, Кочетов Д. М.2
'Любимов Алексей Николаевич /Ljubimov Aleksej Nikolaevich - эксперт по промышленной
безопасности;
2Кочетов Денис Михайлович /Kochetov Denis Mihajlovich - эксперт по промышленной
безопасности,
ООО «Югорское отделение экспертизы», г. Нижневартовск
Аннотация: в целях обеспечения безопасности объектов нефтегазовой промышленности, необходимо совершенствовать их молниезащиту. Для этой цели предлагается использовать как средства пассивной, так и средства активной молниезащиты. Последние имеют более высокую степень надежности по сравнению с используемыми «пассивными» молниеотводами и могут самостоятельно использоваться при монтаже систем молниезащиты объектов нефтегазовой промышленности.
Ключевые слова: безопасность эксплуатации объектов нефтегазовой промышленности, молниезащита объектов нефтегазовой промышленности, средства пассивной молниезащиты, надежность молниезащиты, активный молниеотвод.
Грозой называется процесс развития в атмосфере мощных электрических разрядов (молний), обычно сопровождаемых громом и связанных в большинстве случаев с укрупнением облаков и с выпадением осадков. Попытки ученых объяснить грозу как процесс электрического разряда относятся к началу XVIII века. Первую теорию грозы, в основных чертах соответствующую природе явления, дал на основании ряда экспериментальных исследований М. В. Ломоносов. Молния представляет собой многократный разряд. Иногда она может состоять из 20 отдельных разрядов, чаще же из 5 -6. Пауза между отдельными разрядами составляет 2- 10-3 - 0,5 сек. Средняя длительность полного разряда молнии измеряется десятыми долями секунды, отклонения от среднего значения в обе стороны возможны на порядок величины. Длительность отдельных разрядов составляет 100-200 микросекунд, иногда доходит до 1 000 микросекунд. Наиболее интенсивным и ветвящимся является первый разряд молнии. Диаметр канала молнии составляет 10-45 см. Максимальный ток в канале может достигать величины в 340 000 ампер, однако в большинстве случаев наблюдаются токи в сотни раз меньшие.
Большинство молний приносит к Земле отрицательный заряд, но иногда встречаются разряды и противоположной полярности. В первом случае грозы значительно богаче молниями, чем во втором. Отношение количества молний отрицательной полярности к молниям положительной полярности для зон умеренного климата составляет примерно 4.
Опасными проявлениями молнии являются: 1) прямой удар; 2) электромагнитная и электростатическая индукции; 3) занос высоких потенциалов через наземные и подземные металлические коммуникации. Здания, сооружения и электроустановки, которые могут быть подвержены опасным воздействиям молнии, должны быть оборудованы молниезащитными устройствами. Входят в этот перечень и объекты нефтяной и газовой промышленности [1 -3].
Устройство молниезащиты объектов нефтяной и газовой промышленности является неотъемлемой частью работ по созданию системы их безопасности.
Аварии, вызванные ударами молнии, могут сопровождаться большими разрушениями и человеческими жертвами. Попадания молнии стали причиной в некоторых случаях полного уничтожения нефтехранилищ и повреждения газораспределительных станций.
Так, 22 августа 2009 года, около 7 часов вечера произошла крупнейшая авария в Ханты-Мансийском автономном округе на нефтебазе «Конда». В резервуар с нефтью № 7 ударила молния. Возник пожар: сгорели несколько резервуаров с нефтью. Погибли четверо пожарных. Пламя бушевало два дня. Сумма ущерба приблизилась к ста пятидесяти миллионам рублей. Но существует мнение, что цифры ущерба значительно занижены.
26 августа 2009 года, вечером, около села Покровка Грачевского муниципального района Оренбургской области проходил грозовой фронт. Удар молнии привел к крупному пожару. Горели наполненные тысячами кубов нефти резервуары компании «Оренбургнефть», главной нефтедобывающей «дочки» ТНК-ВР в регионе.
26 Июня 2013 от удара молнии загорелась газовая линия в Смолевичском районе Минской области республики Беларусь.
14 июля 2013 от удара молнии в поселке Белоярский Свердловской области произошел разрыв и возгорание газопровода на территории газораспределительной станции.
27 июня 2015 года в Брянске произошло возгорание газопровода. Причиной пожара стал удар молнии.
Данные факты заставляют пристально взглянуть на важность обустройства надежных систем молниезащиты опасных производственных объектов.
Для защиты от вторичных проявлений молний и разрядов статического электричества вся металлическая аппаратура, резервуары, газгольдеры, газопроводы, нефтепроводы, сливно-наливные устройства и т. п. устройства, расположенные как внутри помещений, так и вне их, и содержащие ЛВЖ и ГЖ, должны быть заземлены. Заземляющие устройства, предназначенные для защиты персонала от поражения электрическим током промышленной частоты или для молниезащиты, можно использовать для отвода статического электричества. Сопротивление заземляющего устройства, если оно предназначено только для отвода зарядов статического электричества, не должно превышать 100 Ом. Одиночно установленные емкости, аппараты и агрегаты (газгольдеры, резервуары и др.) должны иметь самостоятельные заземлители или присоединяться к общей заземляющей магистрали сооружения, расположенного вблизи аппарата, с помощью отдельного ответвления. Осмотр и текущий ремонт защитных устройств необходимо производить одновременно с осмотром и текущим ремонтом всего технологического оборудования и электропроводки. Проверяют заземления с помощью приборов не реже одного раза в год и после каждого ремонта оборудования. Оборудование и трубопроводы, расположенные в производственном помещении, а также в наружных установках, на эстакадах и каналах, должны представлять на всем протяжении непрерывную цепь и присоединяться к заземляющим устройствам. В целях надежной защиты резервуаров от прямых ударов молнии и разрядов статического электричества должен осуществляться надзор за исправностью молниеотводов и заземляющих устройств с проверкой на омическое сопротивление один раз в год (летом при сухой почве). Для защиты подземных сооружений от коррозии блуждающими токами в дополнение к имеющимся изоляционным покрытиям и применяемым электрическим методам защиты (дренажи, катодные станции и изолирующие фланцы) необходимо систематически проводить профилактические мероприятия в электроустановках (поддержание сопротивления изоляции на уровне норм, недопустимость применения земли в качестве обратного провода и др.).
Известные в настоящее время средства молниезащиты можно подразделить на две группы: пассивные (стержневые, тросовые, броневые системы молниеотводов) и активные (молниеотводы, основанные на ионном и лазерном излучении).
Наиболее часто используется пассивная система молниезащиты. Рассмотрим подробнее построение пассивной системы молниезащиты. Эта система в общем случае состоит из молниеприемников, токоотводов и заземлителей [4].
Например, защиту резервуарных парков общей вместимости более 100 тыс. м3 от прямых ударов молнии, как правило, выполняют отдельно стоящими молниеприемниками (молниеотводами). Молниеприемники устанавливают также непосредственно на резервуаре. Их изготавливают из круглых стержней с площадью поперечного сечения не менее 100 мм2. Крепление молниеприемника к резервуару (к верхнему поясу стенки или к стационарной крыше) должно осуществляться с помощью сварки.
В зону защиты молниеприемников должно входить пространство над дыхательной арматурой, ограниченное полусферой радиусом 5 м.
Нижний пояс стенки резервуара должен быть присоединен через токоотводы к заземлителям, установленным на расстоянии не более чем 50 м по периметру стенки, но не менее чем в двух диаметральных противоположных точках. Соединения токоотводов и заземлителей должны выполняться на сварке.
Токоотводы изготавливают из прутков и тросов диаметром 6 мм и более, у полосовой стали — сечением не менее 48 мм2, из стальных труб — с толщиной стенки не менее 2,5 мм.
В качестве заземлителей используют конструкции, состоящие из не менее чем 3 вертикальных электродов длиной не менее 3 м, находящихся на расстоянии не ближе 5 м друг от друга, объединенных горизонтальным электродом. Заземлители изготавливают из стержней диаметром не менее 10 мм, из уголковой стали сечением не менее 160 мм2, а также из труб.
Защиту от заноса высокого потенциала по подземным и наземным металлическим коммуникациям выполняют присоединением их к заземлителям на входе в резервуар.
Ввод линий электропередачи, сетей сигнализации должен осуществляться только кабелями длиной не менее 50 м с металлической броней или оболочкой, либо кабелями, проложенными в металлических трубах и коробах.
При использовании для молниезащиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h размеры зоны защиты определяются высотой ^ и радиусом г0 защитного конуса (рис. 1).
Рис. 1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода
Формулы для расчета [5] величин ^ и г0 при различной надежности защиты (Р3) приведены в таблице 1.
Надежность защиты Р5 Высота молниеотвода Ь, м Высота конуса А0, м Радиус конуса г0, м
0,9 от 0 до 100 0,85 Ь 1,2И
от 100 до 150 0,85И [1,2- 10-3(Ь - 100)] Ь
0,99 от 0 до 30 0,8 И 0,8Ь
от 30 до 100 0,8 И [0,8-1,43*10-3*(Ь-30)]Ь
от 100 до 150 [0,8 - 10"3*(Ь - 100)]Ь 0,7И
0,999 от 0 до 30 0,7 Ь 0,6 Ь
от 30 до 100 [0,7 - 7,14*10-4*(Ь- 30)]Ь [0,6 - 1,43*10-3*(Ь - 30)] Ь
от 100 до 150 [0,65 - 10-3*(Ь- 100)] Ь [0,5 -2*10-3 *(Ь - 100)] Ь
Радиус защитной зоны гх на высоте Их находится по формуле 1:
Гх = Го^о-кх)/Ьо (1)
Молниеотвод считается двойным, если расстояние между стержневыми молниеприемниками Ьм не превышает предельного значения Ьтах (табл. 1). В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.
Схема зоны защиты двойного стержневого молниеотвода представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода
Расчет размеров внешних областей защиты двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами Ь0 и г0) производится по формулам таблицы 1, справедливым для одиночных стержневых молниеотводов. Размеры внутренних областей защиты находятся по формулам таблицы 2.
Размеры внутренних областей защиты определяются параметрами Ь0 и Ь^ первый из которых равен максимальной высоте зоны непосредственно у молниеотводов, а второй — минимальной высоте зоны по середине между молниеотводами.
Надежность защиты Р3 Высота молниеотвода А, м Lmax, M LC, M
0,9 от 0 до 30 5,75*h 2,5h
от 30 до 100 [5,75- 3,57*10-3*(h - 30)]*h 2,5 h
от 100 до 150 5,5 h 2,5h
0,99 от 0 до 30 4,75 h 2,25 h
от 30 до 100 [4,75 - 3,57*10-3(h - 30)] h [2,25 - 0,0107*(h- 30)] h
от 100 до 150 4,5 h 1,5 h
0,999 от 0 до 30 4,25 h 2,25 h
от 30 до 100 [4,25 - 3,57*10-3*(h-30)] h [2,25 - 0,0107-10"3^ (h - 30)] h
от 100 до 150 4,0 h 1,5 h
Если выполняется неравенство Ь = Ьс, то можно принять ^=Ь0. Если же Ьс = Ь = Ьтах, то расчет кс выполняется по формуле:
hc h0^(Lmax~L)/ (Lmax~Lc)
(2)
Размеры горизонтальных сечений зоны защиты вычисляются по следующим формулам:
■ радиус защитной зоны гх на высоте Нх — по формуле (1);
■ длина горизонтального сечения 1Х на высоте Нх:
(3)
ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами на высоте Их = Нс равна 2гСх, где
= ro-(hc-hx)/hc
(4)
Проверка состояния системы молниезащиты производится 1 раз в год перед началом грозового сезона (март, апрель). При этом контролируют целостность и защищенность от коррозии доступных обзору частей молниеприемников и токоотводов, а также контактов между ними. Кроме того, измеряют сопротивление току промышленной частоты заземлителей, отдельно стоящих молниеотводов. Его величина не должна превышать результаты соответствующих замеров на стадии приемки более чем в 5 раз. В противном случае заземление подлежит ревизии, в ходе которой выявляются элементы, требующие замены или ремонта, проверяется надежность электрической связи между токоведущими элементами, определяется степень разрушения коррозией отдельных элементов молниезащиты. По результатам ревизии принимается решение о ее ремонте.
r
После подробного рассмотрения технических параметров пассивной молниезащиты нефтяных резервуаров мы видим, что данная система проста, не требует специального технического обслуживания и надежно защищает объект от поражения. Но здесь есть один нюанс. Пассивная система защиты защищает только от ударов «отрицательными» молниями, т. е. молниями, лидер которых образован отрицательными зарядами. Значит, основным и значительным недостатком стержневых молниеотводов является снижение их защитительной функции при воздействии «положительной» молнии, т. е. молнии, лидер которой образован преимущественно положительными зарядами. Этот немаловажный фактор не учитывается при проектировании систем молниезащиты. Чтобы защититься от удара «положительной» молнии, необходимо внедрять такие средства активной молниезащиты, которые в целом более эффективны по сравнению с пассивными средствами. Это передовые разработки (в них используется лазерная искра), и они устраняют условия для развития молнии [6 -7]. Проведенный анализ последних разработок на российском рынке показал, что наиболее надежными техническими устройствами, которые определяют эффективность всей системы молниезащиты в целом, являются активные молниеотводы, разработанные специалистами двух компаний: финансово -промышленной компании «Космос -Нефть-Газ» и ООО «Научно-производственное предприятие «Спектр»
Таким образом, обобщив имеющийся опыт, считаем, что уберечься от разрушительных ударов молнии можно, если учитывать индивидуальные особенности защищаемого объекта и системно применять весь имеющийся багаж научных знаний.
Литература
1. Федеральный закон от 27.12.2002 N 184-ФЗ «О техническом регулировании».
2. Базелян Э. М., Райзер Ю. П. Физика молнии и молниезащиты. — М.: Физматлит, 2001.
3. Черкасов В. Н. Защита взрывоопасных сооружений от молнии и статического электричества. — М.: Стройиздат, 1984.
4. РД 34.21.122—87. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. — Сер. 17. — Вып. 27. — М.: ОАО НТЦ «Промышленная безопасность», 2006.
5. СО 153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. — Сер. 17. — Вып. 27. — М.: ОАО НТЦ «Промышленная безопасность», 2006.
6. Патент РФ № 2467524.
7. Шильникова Н. В., Хасанова В. К., Гимранов Ф. М. Сравнительный анализ нормативных документов в области проектирования молниезащиты промышленных объектов / Н. В. Шильникова, В. К. Хасанова, Ф. М. Гимранов // Вестник технологического университета. - 2013. - №7. - С. 283-285.
