سالانه تعداد بسیار زیادی از مخازن ذخیره سازی سوخت به دلیل برخورد صاعقه ( مستقیم و یا غیر مستقیم ) دچار آتش سوزی و انفجار می گردند در این مقاله به بررسی نحوه حفاظت انواع مخازن علی الخصوص مخازن سقف شناور در برابر صاعقه می پردازیم
مخازن سقف شناور، از یک کف تخت با پوسته استوانه‌ای و یک سقف به‌صورت شناور تشکیل شده‌اند. سقف همواره بر روی مایع ذخیره شده در حالت شناور باقی می‌ماند. در هنگام پرشدن مخزن ذخیره، سقف تحت نیروی شناوری بالا می‌رود و در هنگام تخلیه، تحت نیروی وزن پایین می‌آید. این نوع مخازن ذخیره به دلایل زیر جهت ذخیره مواد نفتی در پالایشگاه‌های نفت و گاز کاربرد دارند:
سپانیرو طراح و مجری سیستم های ارتینگ و حفاظت مخازن در برابر صاعقه
دلایل استفاده از سقف شناور و انواع سقف‌های شناور
۱- مایع ذخیره‌شده، فرار (سبک) باشد. این نوع مایعات اگر در مجاورت مستقیم با هوا قرار گیرند، تبخیر می‌شوند و چون سقف همواره بر روی سطح مایع است بنابراین مایع هیچ‌گونه تماسی با محیط نخواهد داشت.
۲- احتمال اشتعال مایع ذخیره‌شده در مجاورت تابش نور خورشید وجود داشته باشد. در این حالت از نوعی سقف به‌نام دو جداره استفاده می‌کنند که این دو جداره به فاصله‌ای از همدیگر قرار دارند. لذا انتقال حرارت از محیط به مایع ذخیره‌شده در این حالت کاهش می‌یابد.
۳- مایع ذخیره‌شده احتمال آلوده‌کردن محیط را داشته باشد. در این حالت علاوه بر سقف شناور از یک سقف ثابت نیز استفاده می‌شود.
۴- خوردگی سقف کاهش یابد. به علت اینکه جداره پایینی سقف همواره در تماس با مواد نفتی است، بنابراین خوردگی نخواهد داشت.
آمار حوادث مرتبط با موضوع بحث
با افزایش ذخیره نفت خام در جهان و افزایش تدریجی اندازه مخازن ذخیره، ریسک صاعقه بر مخازن سقف شناور بزرگ نیز افزایش یافته است. براساس یک تحقیق انجام‌شده در سوئد درخصوص آتش‌سوزی مخازن ذخیره‌سازی نفت که به بررسی سال‌های ۱۹۵۱ الی ۲۰۰۳ پرداخته است، تعداد آتش‌سوزی‌های مخازن که توسط رسانه‌ها در سراسر دنیا گزارش شده است، در حدود ۱۵ الی ۲۰ مورد در سال بوده که ۳۱ درصد از این حوادث به صاعقه نسبت داده شده‌اند.
دلیل این انفجار؟ …….. اتصال ناقص سطوح هم پتانسیل
مواردی دیگر از آتش‌سوزی مخازن توسط صاعقه
روند هزینه / ریسک صاعقه در آینده
در سال‌های ۲۰۴۰ تا ۲۰۶۰ خسارت‌های ناشی از آب و هوا در انگلستان، در طول یک سال عادی، احتمالاً دو برابر سال‌های کنونی خواهد بود (انجمن بیمه‌گران بریتانیا ،۲۰۰۷)
افزایش ۵ تا ۶ درصدی میزان صاعقه در دنیا به ازای هر ۱ درجه سانتی‌گراد تغییر دمای سطح کره زمین، قابل‌تصور است . ( محققین ناسا ،۱۹۹۴)
به ازای هر ۱ درجه گرم‌شدن دما، فرکانس صاعقه ۱۰ تا ۲۰ درصد افزایش می‌یابد. (موسسه ملی تحقیقات فضایی، برزیل، ۲۰۱۳)
ملاحظات آتش‌سوزی مخازن
اندازه مخازن افزایش یافته است. این مسئله موجب خطرات شدیدتر در آتش‌سوزی می‌شود.
آتش‌سوزی مخازن بسیار هزینه‌بر است. تخریب سرمایه، ازدست‌دادن تولید، توقف فعالیت، تخریب‌های محیط زیستی و ملاحظات افکار عمومی
کنترل‌نمودن آتش‌سوزی مخازن. آتش‌سوزی مخازن یک آتش‌سوزی پرزحمت است. نگهداری محتویات مخزن آسان بوده اما مبارزه با آتش آسان نیست و دشواری‌های خاص خود را دارد.
تعهد بالای منابع آتش‌نشانی لازم است.
فیزیک صاعقه (Physics of lightning)
صاعقه را می‌توان یک تخلیه گذرای الکتریکی با جریان بالا تعریف کرد که طول مسیر آن به کیلومترها می‌رسد. صدای ناشی از این عمل، رعد (thunder) نامیده می‌شود. این تخلیه الکتریکی هنگامی رخ میدهد که ناحیه‌ای از اتمسفر دارای آنچنان بار الکتریکی شود که میدان ناشی از آن باعث شکست الکتریکی هوا گردد. این عمل به‌خصوص در ابرهای جوشان اتفاق می‌افتد. این ابرها را کومولونیمبوس (cumulonimbus) می‌نامند. این چنین تخلیه‌ای می‌تواند در درون ابر (intra cloud)، بین دو ابر (cloud to cloud)، بین ابر و زمین (cloud to earth) یا بین ابر و هوای اطراف اتفاق افتد.
شاخه‌های پیشرونده مرحله‌ای صاعقه ((Stepped leader
هر صاعقه که به زمین اصابت می‌کند با یک تخلیه ابتدایی ضعیف شروع می‌شود که شاخه پیشرونده است و از ابر به سوی زمین گسترش می‌یابد. به دنبال آن مسیر برگشتی که با شدت زیاد همراه است، از زمین به سوی ابر گسترش می‌یابد. در حقیقت تخلیه ابتدایی از ابر به سوی زمین که قبل از مسیر برگشتی رخ میدهد، شاخه پیشرونده مرحله‌ای نامیده می‌شود. به عقیده بسیاری از محققین، شاخه پیشرونده مرحله‌ای با شکست الکتریکی بین بارهای N وP در ابر جوشان رخ میدهد و این شکست، بارهای الکتریکی‌ای که قبلاً به یخ و ذرات کوچک آب چسبیده بودند را به حرکت در می‌آورد. در این هنگام با جمع‌شدن بارهای منفی در ابر، میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که به‌صورت ستونی به سمت زمین حرکت می‌کند و همین ستون شاخه پیشرونده است.
مسیر برگشتی (Return stroke)
وقتی که شاخه پیشرونده مرحله‌ای، ستونی از بار منفی را به نزدیک زمین می‌آورد، میدان الکتریکی قوی حاصل در زمین به قدری است که باعث حرکت بارها به سمت بالا می‌شود تا به شاخه پیشرونده برسد. وقتی یکی از این تخلیه‌ها به شاخه پیشرونده می‌رسد، از این لحظه مسیر برگشتی شروع می‌شود. با اتصال شاخه پیشرونده به زمین، بار مثبت از زمین به سوی ابرها جاری می‌گردد و درجه حرارت مسیر به حدود k˚ ۳۰۰۰۰ می‌رسد.
مبانی صاعقه (Annex A-API545)
فرایند صاعقه در ابرها آغاز می‌گردد و با شاخه پیشرونده مرحله‌ای به زمین فرود می‌آید. شاخه پیشرونده مرحله‌ای در مسیرش به سمت زمین شاخه‌شاخه می‌شود. زیرا قصد دارد بهترین مسیر به زمین را پیدا کند. مسیر شاخه پیشرونده بعلت ناپایداری تصادفی در شرایط هوای محل و سایر فاکتورها، بسیار غیرمعمول است. هنگامی که شاخه پیشرونده از مخزن یا زمین حدود ۱۰۰ متر یا کمتر فاصله دارد، میدان الکتریکی در زمین به‌تندی افزایش می‌یابد. میدان الکتریکی در بلندترین شئ به اندازه کافی بزرگ می‌شود که یک شاخه به سمت شاخه پیشرونده پایین‌آمده بفرستد. در حقیقت دو یا بیشتر شاخه ممکن است با هم از اشیاء زمینی (مخازن، برج‌ها، درخت‌ها و غیره) بلند شوند، اما معمولاً فقط یکی موفق به برقراری ارتباط با شاخه پیشرونده می‌شود. این مکانیسمی معمولی است که بوسیله آن صاعقه مسیرش را به سمت زمین کامل می‌کند.
پارامترهای الکتریکی صاعقه
بیش از ۹۰ درصد برق‌های ابر به زمین دارای پلاریته منفی‌اند. یک برق ابر به زمین شامل ۳ یا ۴ اصابت است. جریان در هر اصابت می‌تواند از چند کیلو آمپر تا بالای ۲۰۰ کیلوآمپر باشد. جریان در یک اصابت منفی ابر به زمین چندین جزء دارد:
جزء A : اولین جریان برگشتی
جزء B : جریان میانی
جزء C : جریان پیوسته
جزء D : جریان برگشتی بعدی که اگر وجود داشته باشد با اجزاء B و Cاضافی دنبال می‌شود تا تخلیه انجام پذیرد.
جریان ناشی از اصابت صاعقه
مهم‌ترین پارامتر صاعقه ، جریان ناشی از تخلیه بار ابر است که با دانستن شکل موج و دامنه آن، مسایل الکتریکی حفاظت در برابر صاعقه قابل حل است. با دانستن مشخصه‌های جریان می‌توان اطلاعات مربوط به بار، انرژی و ممان الکتریکی را به دست آورد. از دید فیزیک‌دانان اطلاعات موجود در مورد صاعقه کامل نیست، زیرا آنها احتیاج به دانستن اطلاعات صاعقه در تمام طول کانال دارند و اطلاعات کاملی در مورد تغییرات جریان در طول این فاصله در دست نمی‌باشد. ولی مهندسین حفاظت، احتیاج به دانستن جریان در نقطه اصابت دارند که اطلاعات کامل آن موجود است. در آنالیز دامنه جریان صاعقه ، مسئله نوع اصابت که ناشی از شاخه پیشرونده به سمت پائین یا بالاست و همچنین مسئله تک‌اصابتی یا چنداصابتی (multi – stroke) بودن را باید در نظر داشت.
ریسک برخورد
مخزن در حالتی که سقف در حدود بالایی قرار دارد، بیشترین مواجهه با ریسک را داراست.
مخزن در حالتی که سقف در حدود پایینی قرار دارد، کمترین مواجهه با ریسک را داراست.
استانداردهای مرتبط
IEC 62305 : محافظت در برابر صاعقه
NFPA 780 : استاندارد نصب سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه
API RP 545
در این مقاله استاندارد IEC مورد بررسی قرار نگرفته است.
NFPA 780-Chapter 7 حفاظت برای سازه‌های حاوی بخارات قابل‌اشتعال، گازهای قابل‌اشتعال یا مایعاتی که می‌توانند بخارات قابل‌اشتعال متصاعد کنند، شامل می‌شود. برخی از زیربخش‌های آن عبارتند از:
۲٫۱٫۱٫۷- سازه برای هر ظرف فرایندی (VESSEL)، مخزن یا دیگر ظروفی که این مواد را در بر‌می‌گیرند و در فضای باز مستقرند، بکار می‌رود.
۴٫۷- حفاظت از سازه‌های خاص
۱٫۴٫۷- مخازن روزمینی فشار اتمسفری که حاوی بخارات قابل‌اشتعال یا مایعات با قابلیت متصاعد‌نمودن بخارات قابل‌اشتعال می‌باشند.
۲٫۱٫۴٫۷- مخازن سقف شناور. در جایی که سقف شناور به قلاب‌هایی مجهز است که در فضای تجمع بخارات قرار داشته باشند، لازم است که سقف به لحاظ الکتریکی به کفشک‌های Seal متصل گردد. این اتصال باید با مسیرهای الکتریکی مستقیم، با فواصلی کمتر از ۳ متر، دور تا دور مخزن برقرار باشد.
(A) این شنت‌ها باید نوارهای قابل‌انعطاف و از نوع فولاد ضدزنگ ۳۰۲ (۵۰×۴/۰ میلی‌متر) یا معادلی که ظرفیت انتقال جریان و مقاومت خوردگی یکسان داشته باشد، باشند.
(B) کفشک فلزی باید در تماس مداوم با بدنه مخزن بوده و فضای باز (مانند: سوراخ‌های ناشی از خوردگی) نداشته باشد.
(C)در مخازنی که در قسمت Seal فضای تجمع بخارات را ندارند، به شنت نیاز نیست.
(D) در جایی که Seal با Weather Shield فلزی پوشانده شده است، این پوشش باید در تماس مداوم با بدنه مخزن باشد.
(E) هنگامی که سقف شناوری مجهز به Primary Seal و Secondary Seal است، فضای بین این دو می‌تواند حاوی مخلوط بخارات قابل‌اشتعال و هوا باشد که در محدوده اشتعال‌پذیری قرار دارد. بنابراین اگر طراحی این قبیل سیستم‌های Seal مواد رسانا را از لحاظ الکتریکی پیوسته نموده و شکاف جرقه‌زدن در داخل این فضا وجود داشته یا بر اثر حرکت سقف می‌تواند ایجاد گردد، شنت‌ها بایستی به‌گونه‌ای نصب شوند که بطور مستقیم با بدنه مخزن در بالای Secondary Seal تماس داشته باشند.
(F) فاصله بین شنت‌ها نباید بیشتر از ۳ متر باشد و باید به‌گونه‌ای نصب گردند که تماس فلزی سقف شناور و بدنه مخزن در تمامی موقعیت‌های عملیاتی سقف شناور حفظ و برقرار باشد.
API RP 545: رویه توصیه‌شده (RP) به‌منظور حفاظت در برابر صاعقه مخازن ذخیره روزمینی که حاوی مایعات قابل‌اشتعال‌ند.
برخی از بندهای این رویه به شرح زیر است:
۱٫۱ –کاربرد: این رویه برای تمامی مخازنی که درAPI 650 (مخازن جوش‌شده برای ذخیره نفت) توصیف شده‌اند، کاربرد دارد.
۴- حفاظت از انواع خاصی از مخازن
۲٫۴- مخازن با سقف شناور خارجی
۱٫۱٫۲٫۴- شنت‌ها به‌منظور رسانش الکتریکی
۱٫۱٫۱٫۲٫۴- شنت‌ها به‌منظور هدایت الکتریکی جریان صاعقه در دوره سریع و میانی بکار می‌روند.
۲٫۱٫۱٫۲٫۴- تعداد و نحوه قراردادن
نقطه تماس شنت‌ها با بدنه مخزن باید حداقل ۳۰ سانتی‌متر زیر سطح مایع باشد. شنت‌ها باید مسیری به اندازه کافی کوتاه و مستقیم بین سقف شناور رسانا و بدنه مخزن ایجاد نمایند. فاصله شنت‌ها از یکدیگر، دور تا دور سقف نباید بیش از ۳ متر باشد. هنگامی که مخازن موجود با شنت‌های مستغرق به‌روز شدند، شنت‌های بالای DECK باید برداشته شود.
۳٫۱٫۱٫۲٫۴- سطح مقطع عرضی- حداقل پهنا و جنس
شنت‌ها باید هادی‌هایی باشند از جنس فولاد ضدزنگ آستنیتی، با سطح مقطع عرضی حداقل ۲۰ میلی‌متر مربع یا جنس دیگری که هدایت جریان و مقاومت خوردگی معادل داشته باشد.
پهنای حداقل شنت باید ۵۱ میلی‌متر باشد. شنت‌ها باید به اندازه کافی کوتاه باشند تا اجازه عملکرد به Seal سقف شناور بدهند. شنت‌ها باید دارای حداقل طول ضروری برای تماس مداوم با بدنه مخزن، در تمام حالات حرکت سقف شناور، براساس طراحی باشند.
۲٫۱٫۲٫۴- هدایت‌کننده‌های جنبی (Bypass)
۱٫۲٫۱٫۲٫۴- هدایت‌کننده‌های جنبی برای هدایت جریان صاعقه در دوره میانی و طولانی استفاده می‌شوند.
۲٫۲٫۱٫۲٫۴- تعداد، طول و مقاومت الکتریکی
سقف شناور باید بوسیله یک اتصال الکتریکی مستقیم از طریق تعداد مناسبی هدایت‌کننده‌های جانبی به بدنه مخزن وصل گردد. هر هدایت‌کننده شامل اتصالات باید مقاومت الکتریکی سر به سر حداکثر ۰۳/۰ اهم داشته باشد. هدایت‌کننده‌های جنبی باید کوتاه‌ترین طول لازم را داشته باشند تا اجازه حرکت کامل سقف شناور را بدهند. حداقل دو هدایت‌کننده‌های جانبی دورتادور سقف نصب گردد که فاصله بین آنها بیش از ۳۰ متر نباشد.
۲٫۲٫۴- مسیرهای هدایت‌کننده موازی
هر یک از اجزاء Seal که بطور کامل مستغرق نباشد، شامل: فنر، قیچی، MembraneSeal و غیره باید به لحاظ الکتریکی از سقف عایق شده باشند. سطح عایق‌شدن باید ۱ کیلوولت یا بیشتر باشد.
توجه: این مسئله به جریان تخلیه صاعقه جاری از سقف به بدنه مخزن اجازه میدهد تا مسیر ترجیحی شنت‌ها و هدایت‌کننده جانبی را برگزینند.
۳٫۲٫۴- عایق‌نمودن Gauge Pole یا Guide Pole
هر جزء از Guide Pole که به سقف شناور مخزن رخنه کرده باشد، باید به لحاظ الکتریکی عایق شود. سطح عایق‌شدن باید ۱ کیلوولت یا بیشتر باشد.
توجه: این مسئله به جریان تخلیه صاعقه جاری از سقف به بدنه مخزن اجازه میدهد تا مسیر ترجیحی شنت‌ها و هدایت‌کننده جانبی را برگزینند.
۶- الزامات بازرسی و نگهداری مخازن به منظور حفاظت در برابر صاعقه
تمامی متعلقات اتصال کوتاه و اتصال به زمین، باید در انطباق با API 653 بازرسی و نگهداری شوند.
بررسی یک تحقیق
شنت و بدنه مخزن بوسیله انعطاف شنت به یکدیگر وصل هستند. اما بنا به هر دلیلی دستیابی به اتصال الکتریکی خوب با بدنه مخزن سخت است. اجزاء سنگین نفت خام مثل: واکس، تار، پارافین و غیره می‌توانند پوششی را روی سطح داخلی بدنه ایجاد نمایند که مانعی عایق بین شنت و بدنه شکل می‌گیرد. اگر سطح داخلی بدنه مخزن رنگ شده باشد نیز همین اتفاق می‌افتد. زنگ‌زدگی سطح داخلی، اتصالی‌ای با مقاومت بالا بین شنت و بدنه ایجاد می‌کند.
مخازن بزرگ نوعاً به اندازه چندین اینچ از حالت مدور خارجند. در ابعادی که درازتر باشند، شنت از بدنه دور می‌شود. بنابراین اگر شنت‌ها و لوازم، تماس کامل با بدنه نداشته باشند، طی اصابت صاعقه ، بارهای مجاور جرقه را بین شنت و بدنه مخزن ایجاد می‌کنند که درصورت وجود مخلوط قابل‌اشتعال، آتش‌سوزی مخزن رخ میدهد.
ساختار Primary Mechanical Seal با شنت مشابه است، چون اساساً با قطعات فلزی ساخته می‌شوند. اما این قطعات فلزی نمی‌توانند اتصال الکتریکی قابل‌اطمینان را تضمین نمایند. در نتیجه، شکاف‌های تخلیه بار الکتریکی بین Sealing Shoe و بدنه مخزن تشکیل می‌شود. از طرفی مدوربودن بدنه مخزن بر عملکرد Mechanical Seal موثر است. تمامی دلایل ذکرشده فوق، ما را به سمت غلظت گاز و نفت موجود در فضای بین Primary و Secondary Seal هدایت می‌کند، جایی که غلظت به اندازه کافی بالاست تا به محدوده انفجار برسد. فضای بین guide pole و سقف شناور، به سادگی شکاف تخلیه بار الکتریکی را شکل میدهد و غلظت بخارات در این قسمت به دلیل نشتی، می‌توانند هنگام اصابت صاعقه موجب آتش‌سوزی مخزن گردد.
مطالعه تجربی این تحقیق
یک مخزن سقف شناور کوچک به‌عنوان مدل ساخته شد و شبیه‌سازی اصابت صاعقه و جرقه‌زدن شنت‌ها در اثر تخلیه بار در آزمایشگاه انجام پذیرفت. قطر این مخزن ۲ متر و سقف شناور آن ۶/۱ متر بود. شنت‌ها از قطعات فولاد ضدزنگ الاستیک انتخاب شد که دارای ضخامت ۱ میلی‌متر، طول ۳۰۰ میلی‌متر و پهنای ۱۵ میلی‌متر بوده و با دور تا دور بدنه مخزن در تماس بودند.
نتیجه آزمایش
نتیجه آزمایش نشان داد که یک شنت که با انعطاف خود به بدنه مخزن چسبیده بود، هنگامی‌که جریان صاعقه ۳۵۰/۱۰ میکروثانیه یا ۲۰/۸ میکروثانیه به پیک ۴۰۰ آمپر رسید، تولید جرقه نمود. با بزرگ‌شدن جریان صاعقه ، سطح تخلیه جرقه شنت‌ها افزایش یافت.
منبع: