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摘 要：根据天然气设施的一些特有特征、雷电的各种破坏方式以及雷击可能产生的灾害和影响，本文主要简述了天然气工程项目系统的直击雷防护措施，通过这些技术手段，能大大减少天然气工程项目发生雷击灾害的概率，确保天然气工程的各种设备运行正常。由于盱眙天然气公司工程项目属于易燃易爆场所，若有雷击发生，人员伤亡和财产损失可能可能性较大，因此防雷安全尤为重要。
关键词：天然气，直击雷，防护设计
中图分类号：TM863 文献标识码：A
1 盱眙天然气公司项目基本资料
1.1 项目当地雷电活动情况
盱眙县多年平均雷暴日数37.8天，属于我省雷暴较多的地区之一。雷暴的产生与局地的气候变化密切相关，月分布特征明显。月雷暴日的统计结果显示，月雷暴日的变化特征呈明显的单峰型，1、2月基本无雷暴发生，月雷暴日都只有0.17天，3月开始雷暴逐渐增多，而后持续缓慢增多，7月猛增至峰值，月雷暴日为11.2天，约占全年雷暴的35.33%， 8月略少，月雷暴日约为8天，9月开始雷暴骤减，11、12月则更少，整个冬季雷暴都很少发生，只有全年1.05%的雷暴发生在这个时候。
1.2 项目所在地地理地貌
盱眙县地处北纬32°43′～33°13′、东经118°11′～118°54′，总面积2431.9km2。盱眙天然气公司工程项目位于盱眙县维桥镇维桥河东侧，地处地势平原地带，地理位置为北纬33°00.43′、东经118°36.842′，原地为农田（水田），前面150 m为S121省道，左、右、后侧均为农田（水田），地处空旷，周围无建（构）筑物和其他设施，土壤电阻率值经实地测量为36.8[1]。
1.3 项目概况
项目建设调压、高中压调压过滤撬、计量、放散、加热、加臭、清管球接收装置、办公楼及辅助用房等配套设施。站区分为两个部分，分别为生产区、辅助区。生产区位于站区北部，辅助区位于站区南部，生产区和辅助区用围墙分隔。
本项目共有建筑物两座，本区南部设置1座辅助用房（1层，30.0 m×8.0 m，高4.0 m，框架结构，主要含变配电间、柴油发电机间、维修间等）。辅助区主要为1座办公楼（3层，60.0 m×20.0 m，总高10.0 m，框架结构，主要含办公室、总控室、餐厅、休息室等），总控室设置在办公楼一楼西北侧，总控室长10 m，宽8 m，总控室的总面积约为80 m2。总控室内有由服务器、交换机、路由器等构成的网络集成系统，过程控制系统（用于实现对整个装置的集中监视和控制），紧急停车系统（用于事故状态下对站区主要阀门进行切断），燃气泄漏报警系统（用于燃气泄漏报警及联锁），安防系统（用于重要部位图像监控，厂站围墙入侵检测）[2]。
本区北部室外生产区长为120.0 m，宽80.0 m，生产区有一钢结构工棚，支柱采用H型槽钢（宽度200 mm、腹板厚度8 mm、翼缘厚度12 mm），工棚高度为5.0 m，顶部采用彩钢夹心板（总厚度为150 mm，两面彩钢厚度均为0.6 mm）覆盖，四面为空。钢结构工棚下主要设备为1座调压计量橇（含过滤器、加热器、调压器、流量计等），1套清管球接收装置。露天有1座安全放散管（高度为10 m），1座60 m3LNG立式储罐。进气管道自站区东侧埋地进入本站，工艺装置区内管道采用沟槽架空敷设，出气管道自站区西侧埋地出本站。管道的连接均采用焊接连接，管道与阀门、过滤器、流量计等附件的连接采用法兰或焊接连接。
供电接自站区东北侧路边10kV市政电网，通信接自维桥镇通信网络。设计采用～220V/380V回路，由辅助用房东侧的室外箱式变供电，电源进线方式为电缆埋地引入辅助用房内的配电柜及控制柜，辅助用房、办公楼总图照明回路配电均引自此配电柜，另自备30kW的柴油发电机组作为备用电源。另外，自控、通讯、应急照明等设备设置UPS作为后备电源。室外电力电缆及控制电缆采用铠装电缆直埋敷设，室内电力电缆及控制电缆沿电缆沟支架敷设或穿钢管暗敷，电缆进出建（构）筑物处均穿镀锌管保护。
2 防雷分类
建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三類。分别为第一类防雷建筑物，第二类防雷建筑物和第三类防雷建筑物。
建筑物年预计雷击次数的计算公式
雷击大地的年平均密度按下式确定
式中为年平均雷暴日，根据盱眙县气象台资料，1983-2013年30年的雷暴日观测数据，盱眙县的年平均雷暴日为37.8。另外，根据该项目的地理位置为位于旷野孤立的建筑物，故k取值2。
盱眙天然气公司工程项目江苏省闪电定位监测网3.5km范围2011-2016年地闪密度等级范围图，取Ng=4.57次/km2a
=2×4.57×0.0141=0.13（次/a）
根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010 3.0.3第8条规定，该项目建筑物按二类防雷要求进行防雷设计，站内工艺设备按第二类防雷等级设计。
3 盱眙天然气公司项目可能遭受直击雷电灾害分析
根据盱眙天然气公司建设项目的特性分析，将其可能遭受到的直击雷电灾害情况归纳如下。
雷电直击办公楼、辅助用房时瞬间将产生大量热能，又来不及散发，以致物体内部的水分大量变成蒸汽，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，造成严重破坏;在雷击瞬间，能量还会以热能、机械能（包括声波、冲击波）和电磁能（包括光能）等形式迅速传播，危及建筑物及内部人员和设备安全。
雷电直击室外露天设备时金属因高温会熔化，在雷电通道上遇到易燃易爆物质时，则会引发火灾或爆炸事故。由于天然气中主要成分为甲烷，天然气与空气的混合物浓度达到爆炸极限范围内时，遇到明火或高温即发生爆炸，一旦爆炸就会酿成事故。 办公楼、辅助用房或室外露天设备的防雷装置遭受直击雷雷击时产生高电位反击，在接闪器、引下线及接地装置上产生很高的电压，当离建筑物及金属设备或金属管道距离较近时，所产生的高电压就会将空气击穿而对建筑及设备或金属管道放电，能损毁设备，严重时导致人的生命安全可能受到危害。
雷电冲击波效应：由于雷电产生时空气受热迅速膨胀，并以超声波速度向四周扩散，其外围附近的冷空气被强烈压缩形成“激波”，这种“激波”在空气中传播，使得临近的办公楼、辅助用房或室外露天设备受到破坏，人员受到严重伤害。
4 直击雷防护设计方案
4.1 接闪器和引下线设计
4.1.1 办公楼和辅助用房接闪器和引下线设计
根据建（构）筑物结构特点，屋面采用混合接闪器，直接利用建筑结构内钢筋（或金属板楼面）构成“法拉第笼”，达到防直击雷的防护作用。
在办公楼和辅助用房屋面设置由避雷带和避雷网格组成混合型接闪器。避雷网由屋面结构主筋组成，在建筑顶面形成暗设接闪网格，办公楼的避雷网格尺寸为10m×10m，辅助用房的避雷网格尺寸为15m×8m，避雷带及避雷带支撑架均采用热镀锌圆钢。材料要求规格为：避雷带为φ12mm。支撑架用φ12mm，带高不低于100mm，避雷带在建筑物外边沿或女儿墙上的投影距外边沿不大于100mm。引下线的要求因为该办公楼及辅助用房均为钢筋混凝土结构，因此利用柱内直径≥Ф16两条对角主钢筋当作引下线并通长焊接，办公楼在横轴线间距为15m、纵轴线间距为10m设置引下线;辅助用房在横轴线间距为15m设置引下线。所有引下线沿办公楼及辅助用房四周对称布置。
4.1.2 露天的工艺装置区钢结构工棚接闪器和引下线设计
露天的工艺装置区直接利用其上方钢结构工棚作接闪装置，引下线利用工艺装置的金属构件。
4.1.3 露天储罐及安全放散管接闪器和引下线设计
由于露天储罐的罐体及顶厚度均大于4mm，可以用顶板作为接闪器，因此露天储罐不另设置直击雷装置。集中放散管高10m，壁厚6mm，可利用其自身作为接闪器，但管顶需焊出一根直径16mm热镀锌圆钢，长度要求伸出管顶1m，放散管在接入阻火器前应采用-40x4热镀锌扁钢作为引下线与接地装置焊连，引下线利用储罐的管体和放散管。
4.1.4 站区路灯接闪器和引下线设计
站区内路灯灯杆高度为5m，使用金属灯杆（壁厚6mm）和防爆金属灯罩（壁厚4mm），可以利用其金属灯罩作为接闪器，灯杆自身作为防雷引下线。
4.2 接地设计
根据复合式接地网工频接地电阻计算公式：其中值经实地测量为27.8
辅助用房：
办公楼：
生产区：
通过上述计算，所有接地设计均能满足要求。
4.2.1 办公楼和辅助用房接地装置的设计
办公楼和辅助用房采用联合接地系统;充分利用桩基础、地梁结构的主钢筋构成接地装置，桩基础钢筋作为垂直接地体，外侧地梁主筋可靠焊接成水平接地体。办公楼利用地下基础中主筋（两条）焊接成10m×10m的接地体，接地电阻小于1Ω;辅助用房利用基础结构梁两条主筋焊接构成10m×8m的接地网格，接地电阻小于1Ω。设置测试端子离地高度300mm以上，規格为-50×5mm热镀锌扁钢，做好标志。
4.2.2 储罐、室外设备及沟槽管道接地装置的设计
整个生产区设置综合接地网，接地网由垂直接地体和水平接地体组成的5m×5m网格组成，垂直接地极为∠5mm×50mm×50mm，长度为2.5m热镀锌角钢，水平接地极规格采用40×4的热镀锌扁钢，综合接地网埋地深度不小于0.6m。接地点围绕储罐四周间隔小于30m，且大于等于两个接地点，就近与综合接地网可靠电气连接;室外设备金属外壳就近与综合接地网可靠电气连接;沟槽管道就近与综合接地网可靠电气连接。冲击接地电阻最佳要1欧姆以下，同时此综合接地也兼作防雷电感应接地和静电接地。
4.2.3 路灯接地装置的设计
灯杆基础钢筋与生产区地网直接可靠连接。
4.2.4 露天的工艺装置区钢结构工棚接地装置设计
露天的工艺装置区上方钢结构工棚接地装置利用生产区设置的综合接地网作为共用接地装置。
参考文献
[1] 梅卫群，江燕如.建筑防雷工程与设计[M].第3版.北京：气象出版社，2009.
[2] 李霞，姜翠宏，赵学余.防雷工程设计与实践[M].北京：气象出版社，2009.
关键词：天然气，直击雷，防护设计
中图分类号：TM863 文献标识码：A
1 盱眙天然气公司项目基本资料
1.1 项目当地雷电活动情况
盱眙县多年平均雷暴日数37.8天，属于我省雷暴较多的地区之一。雷暴的产生与局地的气候变化密切相关，月分布特征明显。月雷暴日的统计结果显示，月雷暴日的变化特征呈明显的单峰型，1、2月基本无雷暴发生，月雷暴日都只有0.17天，3月开始雷暴逐渐增多，而后持续缓慢增多，7月猛增至峰值，月雷暴日为11.2天，约占全年雷暴的35.33%， 8月略少，月雷暴日约为8天，9月开始雷暴骤减，11、12月则更少，整个冬季雷暴都很少发生，只有全年1.05%的雷暴发生在这个时候。
1.2 项目所在地地理地貌
盱眙县地处北纬32°43′～33°13′、东经118°11′～118°54′，总面积2431.9km2。盱眙天然气公司工程项目位于盱眙县维桥镇维桥河东侧，地处地势平原地带，地理位置为北纬33°00.43′、东经118°36.842′，原地为农田（水田），前面150 m为S121省道，左、右、后侧均为农田（水田），地处空旷，周围无建（构）筑物和其他设施，土壤电阻率值经实地测量为36.8[1]。
1.3 项目概况
项目建设调压、高中压调压过滤撬、计量、放散、加热、加臭、清管球接收装置、办公楼及辅助用房等配套设施。站区分为两个部分，分别为生产区、辅助区。生产区位于站区北部，辅助区位于站区南部，生产区和辅助区用围墙分隔。
本项目共有建筑物两座，本区南部设置1座辅助用房（1层，30.0 m×8.0 m，高4.0 m，框架结构，主要含变配电间、柴油发电机间、维修间等）。辅助区主要为1座办公楼（3层，60.0 m×20.0 m，总高10.0 m，框架结构，主要含办公室、总控室、餐厅、休息室等），总控室设置在办公楼一楼西北侧，总控室长10 m，宽8 m，总控室的总面积约为80 m2。总控室内有由服务器、交换机、路由器等构成的网络集成系统，过程控制系统（用于实现对整个装置的集中监视和控制），紧急停车系统（用于事故状态下对站区主要阀门进行切断），燃气泄漏报警系统（用于燃气泄漏报警及联锁），安防系统（用于重要部位图像监控，厂站围墙入侵检测）[2]。
本区北部室外生产区长为120.0 m，宽80.0 m，生产区有一钢结构工棚，支柱采用H型槽钢（宽度200 mm、腹板厚度8 mm、翼缘厚度12 mm），工棚高度为5.0 m，顶部采用彩钢夹心板（总厚度为150 mm，两面彩钢厚度均为0.6 mm）覆盖，四面为空。钢结构工棚下主要设备为1座调压计量橇（含过滤器、加热器、调压器、流量计等），1套清管球接收装置。露天有1座安全放散管（高度为10 m），1座60 m3LNG立式储罐。进气管道自站区东侧埋地进入本站，工艺装置区内管道采用沟槽架空敷设，出气管道自站区西侧埋地出本站。管道的连接均采用焊接连接，管道与阀门、过滤器、流量计等附件的连接采用法兰或焊接连接。
供电接自站区东北侧路边10kV市政电网，通信接自维桥镇通信网络。设计采用～220V/380V回路，由辅助用房东侧的室外箱式变供电，电源进线方式为电缆埋地引入辅助用房内的配电柜及控制柜，辅助用房、办公楼总图照明回路配电均引自此配电柜，另自备30kW的柴油发电机组作为备用电源。另外，自控、通讯、应急照明等设备设置UPS作为后备电源。室外电力电缆及控制电缆采用铠装电缆直埋敷设，室内电力电缆及控制电缆沿电缆沟支架敷设或穿钢管暗敷，电缆进出建（构）筑物处均穿镀锌管保护。
2 防雷分类
建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三類。分别为第一类防雷建筑物，第二类防雷建筑物和第三类防雷建筑物。
建筑物年预计雷击次数的计算公式
雷击大地的年平均密度按下式确定
式中为年平均雷暴日，根据盱眙县气象台资料，1983-2013年30年的雷暴日观测数据，盱眙县的年平均雷暴日为37.8。另外，根据该项目的地理位置为位于旷野孤立的建筑物，故k取值2。
盱眙天然气公司工程项目江苏省闪电定位监测网3.5km范围2011-2016年地闪密度等级范围图，取Ng=4.57次/km2a
=2×4.57×0.0141=0.13（次/a）
根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010 3.0.3第8条规定，该项目建筑物按二类防雷要求进行防雷设计，站内工艺设备按第二类防雷等级设计。
3 盱眙天然气公司项目可能遭受直击雷电灾害分析
根据盱眙天然气公司建设项目的特性分析，将其可能遭受到的直击雷电灾害情况归纳如下。
雷电直击办公楼、辅助用房时瞬间将产生大量热能，又来不及散发，以致物体内部的水分大量变成蒸汽，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，造成严重破坏;在雷击瞬间，能量还会以热能、机械能（包括声波、冲击波）和电磁能（包括光能）等形式迅速传播，危及建筑物及内部人员和设备安全。
雷电直击室外露天设备时金属因高温会熔化，在雷电通道上遇到易燃易爆物质时，则会引发火灾或爆炸事故。由于天然气中主要成分为甲烷，天然气与空气的混合物浓度达到爆炸极限范围内时，遇到明火或高温即发生爆炸，一旦爆炸就会酿成事故。 办公楼、辅助用房或室外露天设备的防雷装置遭受直击雷雷击时产生高电位反击，在接闪器、引下线及接地装置上产生很高的电压，当离建筑物及金属设备或金属管道距离较近时，所产生的高电压就会将空气击穿而对建筑及设备或金属管道放电，能损毁设备，严重时导致人的生命安全可能受到危害。
雷电冲击波效应：由于雷电产生时空气受热迅速膨胀，并以超声波速度向四周扩散，其外围附近的冷空气被强烈压缩形成“激波”，这种“激波”在空气中传播，使得临近的办公楼、辅助用房或室外露天设备受到破坏，人员受到严重伤害。
4 直击雷防护设计方案
4.1 接闪器和引下线设计
4.1.1 办公楼和辅助用房接闪器和引下线设计
根据建（构）筑物结构特点，屋面采用混合接闪器，直接利用建筑结构内钢筋（或金属板楼面）构成“法拉第笼”，达到防直击雷的防护作用。
在办公楼和辅助用房屋面设置由避雷带和避雷网格组成混合型接闪器。避雷网由屋面结构主筋组成，在建筑顶面形成暗设接闪网格，办公楼的避雷网格尺寸为10m×10m，辅助用房的避雷网格尺寸为15m×8m，避雷带及避雷带支撑架均采用热镀锌圆钢。材料要求规格为：避雷带为φ12mm。支撑架用φ12mm，带高不低于100mm，避雷带在建筑物外边沿或女儿墙上的投影距外边沿不大于100mm。引下线的要求因为该办公楼及辅助用房均为钢筋混凝土结构，因此利用柱内直径≥Ф16两条对角主钢筋当作引下线并通长焊接，办公楼在横轴线间距为15m、纵轴线间距为10m设置引下线;辅助用房在横轴线间距为15m设置引下线。所有引下线沿办公楼及辅助用房四周对称布置。
4.1.2 露天的工艺装置区钢结构工棚接闪器和引下线设计
露天的工艺装置区直接利用其上方钢结构工棚作接闪装置，引下线利用工艺装置的金属构件。
4.1.3 露天储罐及安全放散管接闪器和引下线设计
由于露天储罐的罐体及顶厚度均大于4mm，可以用顶板作为接闪器，因此露天储罐不另设置直击雷装置。集中放散管高10m，壁厚6mm，可利用其自身作为接闪器，但管顶需焊出一根直径16mm热镀锌圆钢，长度要求伸出管顶1m，放散管在接入阻火器前应采用-40x4热镀锌扁钢作为引下线与接地装置焊连，引下线利用储罐的管体和放散管。
4.1.4 站区路灯接闪器和引下线设计
站区内路灯灯杆高度为5m，使用金属灯杆（壁厚6mm）和防爆金属灯罩（壁厚4mm），可以利用其金属灯罩作为接闪器，灯杆自身作为防雷引下线。
4.2 接地设计
根据复合式接地网工频接地电阻计算公式：其中值经实地测量为27.8
辅助用房：
办公楼：
生产区：
通过上述计算，所有接地设计均能满足要求。
4.2.1 办公楼和辅助用房接地装置的设计
办公楼和辅助用房采用联合接地系统;充分利用桩基础、地梁结构的主钢筋构成接地装置，桩基础钢筋作为垂直接地体，外侧地梁主筋可靠焊接成水平接地体。办公楼利用地下基础中主筋（两条）焊接成10m×10m的接地体，接地电阻小于1Ω;辅助用房利用基础结构梁两条主筋焊接构成10m×8m的接地网格，接地电阻小于1Ω。设置测试端子离地高度300mm以上，規格为-50×5mm热镀锌扁钢，做好标志。
4.2.2 储罐、室外设备及沟槽管道接地装置的设计
整个生产区设置综合接地网，接地网由垂直接地体和水平接地体组成的5m×5m网格组成，垂直接地极为∠5mm×50mm×50mm，长度为2.5m热镀锌角钢，水平接地极规格采用40×4的热镀锌扁钢，综合接地网埋地深度不小于0.6m。接地点围绕储罐四周间隔小于30m，且大于等于两个接地点，就近与综合接地网可靠电气连接;室外设备金属外壳就近与综合接地网可靠电气连接;沟槽管道就近与综合接地网可靠电气连接。冲击接地电阻最佳要1欧姆以下，同时此综合接地也兼作防雷电感应接地和静电接地。
4.2.3 路灯接地装置的设计
灯杆基础钢筋与生产区地网直接可靠连接。
4.2.4 露天的工艺装置区钢结构工棚接地装置设计
露天的工艺装置区上方钢结构工棚接地装置利用生产区设置的综合接地网作为共用接地装置。
参考文献
[1] 梅卫群，江燕如.建筑防雷工程与设计[M].第3版.北京：气象出版社，2009.
[2] 李霞，姜翠宏，赵学余.防雷工程设计与实践[M].北京：气象出版社，2009.