Какие требования предъявляются к молниезащите объектов нефтегазовой отрасли?

Требования национальных нормативных документов

Нормативный формуляр «Инструкция по обустройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» утверждён Министерством энергетики РФ под индексом СО 153–34. 21. 122-2003. Этот национальный норматив каких-либо специальных условий или требований не регламентирует. Поэтому энергетики обращаются к формуляру «Инструкция по обустройству молниезащиты зданий и сооружений» РД 34. 21. 122-87. Норматив был утверждён 30 июля 1987 года в рамках работы государственного комитета СССР по делам строительства и применялся в совершенно иных экономических условиях. Но что более важно, его концепция разработана с учётом ныне устаревшей базы автоматики, управляющих цепей и коммуникационных информационных систем.

Согласно формуляру РД 34.21.122-87, промышленные комплексы, содержащие помещения и зоны повышенной взрывоопасности (классификация B-I) относятся к молниезащите I категории. Защита таких сооружений осуществляется отдельно расположенными молниеотводами. Конструкции молниеотводов устанавливаются на строго регламентируемой дистанции до защищаемого сооружения. По воздуху интервал от молниеотвода до объекта обозначается Sв. Дистанция от объекта до молниеотводного контура по земле – Sз. Интервалы Sв и Sз определяются исходя из высоты защищаемого сооружения и удельного сопротивления почвенного слоя в точке монтажа молниеотвода. Примечательно, что нормативное предписание от 1987 года принимает в учёт удельное сопротивление почв в пределах 1 000 Ом*м (интервал Sв = 12 метров, для промышленных комплексов высотой не более 30 метров). Почвы с более высоким сопротивлением формуляром не рассматриваются. Изоляционный интервал в почве рассчитывается по формуле S_з=S_в + 2 метра (диапазон сопротивления почвы – в пределах 1 000 Ом*м). Молниеотводы для защиты промышленных комплексов I категории формируют защитную зону класса А.

Конструкции, установки и сооружения, создающие зоны опасности В-Iг, согласно формуляру РД 34.21.122-87 оснащаются молниезащитой категории II. Естественные или специально смонтированные молниеприёмники устанавливаются либо на защищаемом сооружении, либо в окрестной местности. Эксперты допускают в качестве дополнительной защиты оснащение кровли защищаемых зданий молниезащитной сеткой.

В вопросе хранения углеводородного (синтетического) топлива инструкция разделяет требования к молниезащите. Дифференциация правил и норм молниезащитных мероприятий учитывает объёмы хранения углеводородов. Резервуарные комплексы с объёмом легковоспламеняющихся жидкостей и газов от 100 000 м3 защищают отдельно расположенными молниеотводными сооружениями. Для резервуарных парков со сжиженными углеводородами требования устанавливают предел всего 8 000 м3. При этом они не регламентируют толщину металлических стенок резервуаров. Более того, нормативы обязывают устанавливать молниеотводы только в тех резервуарных парках, в которых металлическая крыша ёмкостей имеет толщину менее 4 мм. При объёме резервуаров менее 200 м3, вне зависимости от толщины сечения стенок, молниеотводы не устанавливаются.

В такой нормативной дифференциации логику проследить весьма тяжело. При всей строгости нормативного формуляра, смущает пренебрежение составителей возможностью возникновения пожара при пробое молнией тонкостенной металлической крыши резервуаров. В случае проплавления молниевым каналом тонкой крыши, пламя непременно охватит несколько железнодорожных цистерн и спровоцирует крупномасштабные взрывы горючих материалов и смесей. Не меньшее недоумение вызывает пункт Инструкции, требующий обязательную защиту резервуаров с толстыми стальными стенками от прямого контакта с молнией. Учитывая, что проплавление толстостенных металлических конструкций молнией невозможно, предписание выглядит нелепо. Ссылка на то, что грозовой разряд может спровоцировать возгорание углеводородных выбросов над дыхательной арматурой, не проясняет, а напротив – запутывает регламент. Далее в работе мы докажем, что для воспламенения газовых выбросов от грозового электричества, прямое воздействие молниевого канала не обязательно.

В формуляре РД 34.21.122-87 также не указываются показатели надёжности молниеотводной защиты. Они прописаны в Пособии к указанной Инструкции. Раздел №7 Пособия описывает требования к надёжности защиты в секторах А и Б. Для сектора А надёжность защиты составляет 0,995, для Б – не менее 0,95. Эти показатели – прямая и грубейшая ошибка составителей требований. Компьютерная программная проверка, проведённая на базе статистической методологии, выявила реальную надёжность зон А и Б. Для сектора А показатели не дотягивают даже до 0,96. Для Б предельные показатели – 0,84. В современных условиях требуемая надёжность для I уровня защиты составляет 0,98, для II уровня – не менее 0,95. Получается, что предписанные данные существенно больше выявленных истинных показателей надёжности.

Требования стандартов предприятий

Правила стандартов слишком многочисленны, чтобы рассмотреть их в полном объёме. Поэтому для нашего аналитического исследования выберем два стандарта – компаний ОАО «Газпром» и ОАО «Транснефть». Подходы и методика эти стандартов между собой существенно различаются, что позволит нам глубже изучить проблематику молниезащиты нефтегазовых сооружений.

Вне зависимости от объёма топливных резервуаров, норматив ОАО «Транснефть» обязывает применять I уровень молниезащиты. Для остальных сооружений, связанных с хранением легковоспламеняющихся жидкостей, стандарт предписывает обеспечение защиты II уровня. Показатель надёжности для I уровня по нормативам ОАО «Транснефть» – 0,99, для II уровня – 0,95. Стандарт компании допускает применение молниезащитной сетки европейской калибровки: 5 х 5 метров для молниезащиты I уровня и 10 х 10 – для II уровня. При этом разработчики правил не объясняют отличие сеток европейской калибровки от российских аналогов с размерами 6 х 6 и 12 х 12 метров для I и II уровня соответственно. Тяжело объяснить, каким образом уменьшение сторон ячейки на один метр (с 6 х 6 до 5 х 5) делает сетку более устойчивой к попаданиям прямых разрядов. Однако, разработчики формуляра уверены в своей правоте.

Авторы правил предписывают устанавливать молниезащитную сетку не менее чем на 100 миллиметров от горючего кровельного слоя. Они уверены, что при данном расположении стальная сеть перехватит любые угловые разряды и не допустит касания молнии с горючей поверхностью кровли. Неэффективность этого предписания легко проверяется упомянутой выше компьютерной программой, которая применялась в расчётах защитных зон для формуляра СО 153–34.21.122-2003. Вычисления проведены для молниезащитной сетки с периметром 20 х 20 метров и ячейками европейского калибра 5 х 5 метров, которая будет установлена на расстоянии 10 см от кровельной плоскости. Теоретически, эта конструкция должна показать надёжность защиты на уровне 0,99. Рисунок 1, составленный на основе результатов вычислений, показывает, что вероятность прорыва молнии возрастает прямо пропорционально высоте защищаемого сооружения. Из графика видно, что вероятность составляет 0,37–0,48. Соответственно, показатель надёжности громоотводной защиты едва ли выше 0,5, что практически в два раза ниже стандартизованного показателя 0,99.

Рисунок 1. Величина вероятности возможного попадания молниевого разряда в обход молниезащитной сетки, расположенной над кровлей на 0,1 м*

По Стандарту, если молниеотвод и защищаемое сооружение подключены к одному заземляющему устройству, расстояние по воздуху между крайними точками молниеотвода и сооружения должно составлять не менее трёх метров. При этом в учёт берётся удельная сопротивление почвы в пределах 100 Ом*м. При сопротивляемости грунта более 100 Ом*м авторы Стандарта предписывают увеличить воздушный интервал до четырёх метров. Магический рубеж отсчёта 100 Ом*м, установленный авторами Стандарта, совершенно непонятен. Электродвижущая сила индукции, которая проявляет себя в воздухе между громоотводом и объектом, никак не связана с удельной сопротивляемостью почвы. Зато ЭДС индукции реагирует на высотность защищаемого комплекса. О параметрах высотности зданий в правилах не сказано ни единого слова.

В том числе, непонятны принципы расчёта изоляционного интервала для громоотводов, оснащённых обособленным заземляющим контуром. Для всех типов почв он регламентируется на уровне пяти метров. Сразу напрашиваются два вопроса. Интервал в пять метров легко преодолевается скользящим по грунту искровым каналом (подробно описано в разделе 3). Чем выше сопротивляемость почвы, тем его возникновение более вероятно. К тому же, даже в пятиметровом интервале до 50% тока молниевого разряда может переместиться в заземляющий контур сооружения. Это объясняется естественной проводимостью почвы. На такие принципиальные замечания ответа у составителей Стандарта нет.

Нормативы ОАО «Газпром» логически и физически более упорядочены и обоснованы. Наружные сооружения оборудуются громозащитой II уровня. Установленные на кровле защищаемых сооружений или отдельно расположенные громоотводы должны гарантировать показатели надёжности на уровне 0,99. Примечательно, что молниезащитная сетка и европейской, и отечественной калибровки даже не рассматривается. Системы из нескольких молниеотводных конструкций регламентируется проектировать с привлечением специальной компьютерной программы (составитель – Энергетический научно-исследовательский институт имени Г. М. Кржижановского – ОАО «ЭНИН»). Изоляционный интервал между защищаемым сооружением и обособленным молниеотводом предписывается выдерживать не менее семи метров (при сопротивляемости почвы до 500 Ом*м). При увеличении сопротивляемости грунта изоляционный интервал возрастает до 15 метров. Пропорцию между изоляционным интервалом и удельной сопротивляемостью почвы определяет эмпирическая формула.

Проектируем в согласии с нормативами

Проведённый анализ подталкивает к решению о частичном или даже полном отказе от использования молниеотводов. Стальные резервуары со стенками более 4 мм полностью выдерживают удар молнии. При этом молния не способна проплавить либо нагреть конструкцию до критической температуры. Это наблюдение не в силах опровергнуть ни один из международных специалистов в области энергетики. Прямое попадание молнии в резервуар с углеводородами не приводит к пожару. Для фундаментной конструкции молниевый ток тоже не опасен. Если фундамент выполнен из железобетона, он эффективно и безопасно отводит молниевый ток в грунт.

Нельзя обойти вниманием зону горючих выбросов из дыхательной арматуры резервуаров. Проникновение канала молнии в область выброса горючих смесей способно привести к вспышке и детонации. Поэтому нормативы РД 34. 21. 122-87 предписывают включение области дыхательной арматуры в защитную зону молниеотводных конструкций.

Рисунок 2. Молниевый разряд с длинными ответвлениями*

В теории это предписание разумно, но на практике оно теряет силу. Молнии с одним каналом встречаются крайне редко. По аналитическим данным Международного совета по системам высокого напряжения, около 50% молний обладают несколькими каналами. При разряде, молнии контактируют с объектами на земле одновременно несколькими каналами. Незавершённых молниевых ветвей вообще может возникать несколько десятков (рисунок 2). Каждая из ветвей характеризуется незначительной силой тока, но температура ветвей редко бывает ниже 5 000 по температурной шкале Кельвина. Молниеотвод нейтрализует главную ветвь молнии, но оставшиеся ветви легко проникают во взрывоопасные секторы. Температуры незавершённых ветвей вполне достаточно, чтобы воспламенить горючие выбросы. Помимо этого, эффективность молниеотвода нивелируют слаботочные потоки, возникающие в грозовой среде. О них более подробно будет описано в Разделе 4.

Суждения о нейтральности молниеотводных конструкций по отношению к защищаемым объектам также вызывают сомнения. Молниеотводы – причина дополнительной электромагнитной нагрузки на электронное оборудование, которое эксплуатируется внутри защищаемых объектов. Установка громоотвода увеличивает высоту объекта. Чем выше сооружение, тем чаще случаются близкие молниевые удары. При использовании стержневого молниеотвода количество близких разрядов возрастает в пропорции к квадрату значения высоты. Каждый из молниевых ударов сопровождается увеличением силы электромагнитного поля в зоне контакта. В свою очередь, электромагнитное поле молнии разрушительно влияет на электронные системы внутри сооружения. К примеру, при частых разрядах, которые попадают в молниеотводные конструкции, страдают датчики автоматической системы пожаротушения.

Несмотря на низкую эффективность стержневой молниезащиты, государственные инспекционные органы настаивают на её установке хотя бы потому, что это прописано нормативными стандартами. На этом направлении проектировщики обезоружены недальновидными, а иногда и нелепыми предписаниями технических формуляров. Остаётся придерживаться установленных требований. Но есть и положительный момент. Можно использовать технические решения, которые соответствуют нормативам, но при этом не приносят вреда объекту. Например, можно устанавливать не слишком высокие стержни молниеотводов, удалять молниеотводные конструкции от топливных резервуаров или применять другие виды молниевой защиты. Немалую симпатию вызывают тросовые молниеотводы.

При защите промышленных объектов от молниевых разрядов тросовые молниеотводы применяют не слишком часто. Широкое распространение эти конструкции получили в защите высоковольтных линий электропередачи (от 110 кВ), которые прокладываются по воздуху. Тросовая система предельно проста: поверх фазных кабелей монтируются один-два троса крупного сечения, которые подключаются к заземляющему контуру. Тросы прокладываются по всей протяжённости линии электропередачи. Особую надёжность показывают защитные системы с отрицательным угловым расположением тросов. В таких конструкциях тросы сдвинуты относительно фазных кабелей по экстернальному принципу. Таким образом, при разряде тросы первыми попадают под удар и защищают фазные кабели (рисунок 3).

Рисунок 3. Способ выполнения тросовой молниезащиты с отрицательными углами*

Молниеотводы с отрицательным угловым расположением тросов не подходят для магистральных линий электропередачи, протяжённость которых составляет более 100 км. Это объясняется дороговизной электрических опор, оснащённых угловыми стойками для тросов. Не менее актуальна проблема излишней открытости центрального фазного кабеля. Некоторые специалисты утверждают, что тросы с отрицательным угловым расположением защищают его неэффективно.

Что касается резервуарных парков, тут применение тросовых молниеотводов вполне оправдано. Протяжённость парков составляет несколько сотен метров и затраты на опоры с угловыми стойками в этом случае незначительны. При необходимости, центральная линия парка может быть защищена дополнительным тросом (рисунок 4).

Рисунок 4. Защита тросами группы резервуаров*

На рисунке 5 представлен график, который составлен по результатам компьютерных вычислений. Он связывает вероятность прорыва молнии на защищаемую территорию и интервалы между защитными тросами. Подразумевается, что протяжённость парка составляет 100 метров, высота расположения грозотросов – 25 метров, высота резервуаров – 20 метров, внешний (экстернальный) вынос грозотросов – 5 метров.

Рисунок 5. Зависимость вероятности прорыва молнии от интервалов между защитными тросами*

Высокой эффективностью защиты характеризуются мультитросовые системы. В этих конструкциях грозотросы возвышаются над поверхностью защищаемого объекта незначительно.

Рисунок 6. Зависимость возможного попадания молниевого разряда через мультитросовую молниезащиту от высоты объекта и расстояния между тросами*

Вследствие этого, частота попаданий молниевых разрядов в систему не увеличивается. Соответственно, не увеличивается и количество электромагнитных воздействий на структуру парка. Протяженность парка (и грозовых тросов) существенного влияния на степень вероятности прорыва не оказывает.

* – иллюстрации взяты из статьи проф. Э. М. Базеляна «Молниезащита нефтегазовых объектов»

Смотрите также:

Смотрите также: