Общие вопросы дефектоскопии

УДК 620.179.1

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРИ

ОБСЛЕДОВАНИИ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

¹«Научно-исследовательский институт трубопроводного транспорта»

(ООО «НИИ Транснефть»), Россия 117186 Москва, пр-т Севастопольский, 47А

^*E-mail: MogilnerLY@niitnn.transneft.ru

Поступила в редакцию 04.09.2020; после доработки 18.09.2020

Принята к публикации 18.09.2020

Рассмотрены вопросы неразрушающего контроля качества, выполняемого при обследовании состояния систем

молниезащиты пожаровзрывоопасных объектов, в том числе — площадочных объектов магистральных нефте- и нефте-

продуктопроводов. Указано на необходимость выполнения трех видов работ: количественной оценки наличия элементов

системы молниезащиты, визуального и измерительного контроля элементов системы с применением геометрических и

геодезических измерений, измерений электрических параметров элементов системы молниезащиты. Описаны особен-

ности контроля и измерений, связанных с расчетом зон защиты от прямого удара молнии при использовании молние-

приемников различного типа или их комбинаций. Приведены примеры оценки погрешности расчета зон защиты от

прямого удара молнии.

Ключевые слова: электрический вид контроля, молниезащита, визуальный и измерительный контроль, резервуар,

защита расстоянием, надежность защиты.

DOI: 10.31857/S0130308220110068

ВВЕДЕНИЕ

При рассмотрении вопроса о неразрушающем контроле качества объектов магистральных тру-

бопроводов в большинстве случаев внимание уделяется линейной части и собственно трубопрово-

ду [1—3]. Значительно меньше рассматриваются не менее актуальные вопросы контроля состоя-

ния площадочных объектов. Концентрация на ограниченной площади резервуарных парков нефте-

перекачивающих станций значительных объемов нефти и нефтепродуктов влечет за собой повы-

шенные риски возникновения крупных пожаров и взрывов с тяжелыми последствиями, которые

могут привести к человеческим жертвам, загрязнению окружающей среды, значительным матери-

альным и экономическим потерям. Например, согласно опубликованным статистическим данным,

причиной подавляющего большинства пожаров на действующих резервуарах нефти и нефтепро-

дуктов являются молниевые разряды — до 75 % зафиксированных случаев [4—7]. Поэтому вопро-

су об обеспечении работоспособности систем молниезащиты резервуарных парков необходимо

уделять серьезное внимание, в том числе — развивать методы и средства неразрушающего контро-

ля качества и диагностирования элементов этих систем.

СТРУКТУРА И СОСТАВ РАБОТ ПО НЕРАЗРУШАЮЩЕМУ КОНТРОЛЮ ЭЛЕМЕНТОВ

СИСТЕМЫ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

При выполнении работ по обследованию состояния системы молниезащиты пожаро- и взры-

воопасных объектов магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов необходимо выявление

несоответствия параметров системы предъявляемым требованиям по защите каждой единицы

оборудования, каждого здания и сооружения на защищаемом объекте от прямого и косвенного воз-

действия молниевых разрядов.

Основным элементом системы молниезащиты можно считать молниеприемники, непосред-

ственно принимающие на себя электрические разряды от молний. Далее, наводимые молнией токи

через заземляющие проводники передаются в заземлители, заглубленные в грунт и непосредствен-

но с ним контактирующие. Также в систему входят устройства для уравнивания потенциалов

металлоконструкций [8—10]. Таким образом, общую структуру работ по неразрушающему кон-

тролю качества, выполняемых при обследовании состояния элементов системы молниезащиты,

можно представить согласно схеме, приведенной на рис. 1 [11, 12]. Она включает в себя 3 группы

видов измерений: определение количественного состава элементов системы, визуальный и изме-

рительный контроль отдельных элементов системы с применением геометрических и геодезиче-

Применение методов неразрушающего контроля качества...

Элементы системы молниезащиты

Изолированный молниеприемник

Неизолированный молниеприемник

Стержневой

Тросовый

Молниеприемная сетка

Металлическая кровля

или корпус конструкции

Заземляющие проводники, заземлители, системы уравнивания потенциалов

Контролируемые параметры

Количественные:

Геометрические:

Электрические:

Количество молниеприемни-

Высота над уровнем

Удельное электрическое

ков каждого типа, шт.

земли, м

сопротивление грунта, Ом·м

Количество связей

Минимальное

Сопротивление заземляющих

по заземлителям с контуром

рассстояние от защищае-

устройств, Ом

заземления объекта, шт.

мого объекта, м

Сопротивление металлосвязей

Наличие проводных цепей,

Минимальное расстояние

заземляемого оборудования с

соединенных с элементом

от пожаро-

заземляющими устройствами,

молниезащиты

и взрывоопасных зданий

Ом

Способ прокладки

и сооружений, м

Сопротивление растеканию

проводных цепей к элементу

Сечение токоотводов, мм²

заземляющих устройств, Ом

молниезащиты

Переходное сопротивление

(при их наличии)

контактов, Ом

Рис. 1. Состав работ по контролю качества элементов системы молниезащиты.

ских измерений, контроль электрических параметров: сопротивлений грунта и контактных соеди-

нений металлических деталей, металлосвязи оборудования с заземлителями и т.д.

Примечание. В систему молниезащиты также могут входить экранирующие устройства, пре-

дотвращающие вредное воздействие электромагнитных полей, наведенных молниевым разрядом,

на электронные устройства и оборудование. Соответственно, при контроле могут потребоваться

измерения параметров наведенных электромагнитных полей. Однако в настоящей статье этот

вопрос не рассматривается.

ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЯ ЗОН ЗАЩИТЫ

Электрические измерения обычно не вызывают больших проблем, поскольку в той или иной

мере сводятся к измерению сопротивлений, токов и разностей потенциалов с применением стан-

дартных или специализированных тестеров и мультиметров. Вопросы здесь обычно могут воз-

никнуть только в связи с необходимостью обеспечить выполнение вручную больших объемов

измерений в ограниченные сроки, выделенные на обследования. Например, на одном резервуар-

ном парке может требоваться несколько сотен измерений переходного сопротивления шунтирую-

щих перемычек между контактирующими металлическими конструкциями (фланцы, трубы и т.д.).

Следовательно, оборудование должно позволять быстро и достоверно выполнять измерения и

хранить в памяти получаемые результаты. Также, очевидно, не представляет проблем измерение

количества и расположения используемых элементов. Так, для определения глубины залегания

Дефектоскопия

№ 11

2020

Л.Ю. Могильнер, Н.Н. Скуридин, Н.А. Власов, И.А. Хузяганиев

заземлителей в грунте используются трассопоисковые приборы и искатели повреждения изоля-

ции, позволяющие определять координаты скрытых электрических проводников, находящихся в

грунте на глубине до 0,5 м, с достаточной для практики погрешностью, не превышающей ±5 см.

Более сложным оказывается вопрос о проведении визуального и измерительного контроля молни-

еприемников. Рассмотрим его подробнее.

Согласно современным требованиям, защиту резервуарных парков при эксплуатации маги-

стральных нефте- и нефтепродуктопроводов необходимо обеспечивать с надежностью 0,999. В

ряде работ показано, что это условие не может быть выполнено, если в качестве молниеприемника

используется кровля конструкции или корпус резервуара [13, 14] (см. рис.1). В данном случае

также технически не обосновано применение молниеприемных сеток, т.к. используются стальные

резервуары больших габаритов: высота стенки до 18 м, диаметр до 60 м. Поэтому в качестве мол-

ниеотводов должны применяться изолированные от защищаемого резервуара стержневые и/или

тросовые молниеприемники, устанавливаемые на башни различной конструкции высотой 40—60

м (более высокие используются редко). При этом основной способ защиты резервуара от удара

молнии — защита расстоянием: для того, чтобы не возникало перекрытие молниевых разрядов с

молниеотводов на резервуары, необходимо выполнить два условия:

расстояние между опорами башни молниеотвода и защищаемым резервуаром должно быть

достаточно большим;

острие или трос молниеприемника должны быть расположены достаточно высоко над резер-

вуаром.

«Безопасное» расстояние между опорой и резервуаром определяется согласно соотношению

[15]:





⋅ r

⋅ h

М И

⋅



dτ

(1)





^max ,

где I_М — значение тока молнии, принимаемое равным 200 кА; r_И — сопротивление заземления

молниеприемника, Ом; L₀ — индуктивность участка токоотвода от заземлителя до рассматрива-

емой точки, которая для металлических молниеотводов составляет в среднем 1,7 мкГн/м;

h — высота защищаемого здания/сооружения, на которое может произойти пробой по воздуху, м;









— скорость нарастания тока на фронте молнии, принимаемая равной 60 кА/мкс;



dτ

_max

E_В — средняя напряженность электрического поля в воздухе, принимаемая равной 500 кВ/м.

Величина r_И сопротивления заземления молниеприемника измеряется при проведении работ

по контролю качества системы молниезащиты. Ее нормативное значение определяется согласно

[16]. Значения прочих величин в (1) устанавливаются в соответствии с рекомендациями, приведен-

ными в [17]. С учетом исключения возможности электрического пробоя через грунт, из (1) полу-

чим следующие значения допустимых «безопасных» расстояний:

6,0 м при значении удельного сопротивлении грунта до 100 Ом·м;

8,0 м при значении удельного сопротивлении грунта от 100 до 500 Ом·м;

10,0 м при значении удельного сопротивлении грунта от 500 до 1000 Ом·м.

Таким образом, для выполнения контроля качества установки башни молниеотвода выполня-

ются измерения сопротивления заземления молниеприемника r_И, удельного электрического сопро-

тивления грунта и расстояния от опор башни молниеотвода до корпуса защищаемого резервуара

S_В. В данном случае не возникает вопрос о точности измерений, поскольку измерение электриче-

ских параметров проводится с погрешностью не более 5 %, измерение расстояния — с погрешно-

стью не более 1 %, а значение тока молнии выбрано с необходимым запасом.

Несколько сложнее обстоит вопрос о точности измерений при расчете зоны защиты молние-

применика в зависимости от его высоты.

В российских нормах приведены удобные для инженерных расчетов выражения, определяю-

щие для выбранного уровня надежности границы зон защиты молниеотводов в зависимости от их

типа, высоты и расстояния между ними. Например, для одиночного стержневого молниеотвода

граница зоны защиты представляют собой конус с вершиной, расположенной на высоте h₀, кото-

рая, с учетом необходимых запасов по надежности, принимается равной 0,8 от высоты Н острия

молниеприемника. При этом предполагается, что величина Н находится в диапазоне 30—60 м над

уровнем земли.

Дефектоскопия

№ 11

2020

Применение методов неразрушающего контроля качества...

h₀

r_x

h_x

0,999

0,99

0,9

r₀

Рис. 2. К расчету зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода.

В этом случае радиус защищенной зоны r_x на высоте hx в обозначениях рис. 2определяется по

формуле:

r_x = (h₀- h_x)tgα.

(2)

Введенный здесь угол α при вершине конуса определяется в соответствии с выбранной степе-

нью защиты, а для резервуаров при надежности защиты 0,999 принимается равным 25° [14]. Для

других объектов (зданий, оборудования) можно принимать эту надежность равной 0,99 или 0,9,

чему соответствуют углы α, равные 45 и 60° соответственно.

При контроле качества системы молниезащиты необходимо рассчитать зону защиты каждого

молниеприемника и их совокупности. Этот расчет выполняется на основании измерения высоты

каждого отдельного молниеотвода с поверхности земли с применением тахеометров или дально-

меров. При этом необходимо обратить внимание на то, что, согласно паспортным данным лазер-

ных измерительных приборов, их погрешность исчисляется по дальности долями миллиметров, а

по углу — угловыми секундами. Однако при контроле границ зон защиты погрешность определе-

ния координат их границ существенно больше.

Например, рассмотрим зону защиты стержневого молниеприемника. Для определения этой

границы измерительный прибор устанавливается на поверхности земли на расстоянии S от оси

опоры молниеприемника, и выполняется измерение расстояния b и угла φ так, что h₀ = b sinφ.

Дифференцируя это соотношение по b и φ, можно показать, что минимальная погрешность изме-

рения высоты Δh₀ достигается при условии:

cosϕ

= 0,17

опт

что соответствует выполнению

измерений с расстояния S = h₀ctgφ_опт. Оценки показывают, что при высоте молниетвода в диапа-

зоне 30—60 м оптимальное расстояние, с которого необходимо проводить измерения высоты мол-

ниеотвода и радиуса зоны защиты, составляет 40—80 м, и при этом погрешность определения

границ радиуса зоны защиты молниеотвода, например, на высоте 18 м, составляет ориентировочно

±25 см, что существенно больше приборной погрешности дальномеров. Связано это с двумя фак-

торами. Во-первых, приборная погрешность согласно паспортным данным определена по отраже-

нию от специальных призм, которые должны устанавливаться на контролируемом объекте. Однако

очевидно, что в трассовых условиях выполнения контроля такие призмы устанавливать на молни-

еприемниках нецелесообразно. Во-вторых, погрешность возникает в связи с пересчетами зон

защиты: измерения проводятся на высоте Н или h₀, а радиусы зон защиты определяются на высо-

те h_x, задаваемой в зависимости от конкретных условий.

Для одиночного тросового молниеприемника зона защиты формируется несколько сложнее в

соответствии с формой провисающего троса, которая описывается цепной линией в соответствии

с уравнением:

(3)

−δ

Здесь δ — величина максимального провиса грозотроса в системе координат (х, у), показанной

на рис. 3. При этом границы зоны защиты описываются достаточно сложной кривой, изображен-

Дефектоскопия

№ 11

2020

Л.Ю. Могильнер, Н.Н. Скуридин, Н.А. Власов, И.А. Хузяганиев

r_x

h_x

Рис. 3. Формирование зоны защиты тросового молниеприемника.

ной на рис. 3 сплошной линией на уровне земли. Для практического использования в данном

случае достаточно упростить очертания границ, заменив криволинейные участки на прямолиней-

ные, как показано на рисунке пунктиром A—A и B—B. При этом точность оценки границ зоны

защиты на высоте h_x оценивается аналогично тому, как это сделано для соотношения (2). Следует

учесть, что такая оценка — весьма консервативная, однако она приемлема для практики, посколь-

ку предполагает ограничение зоны защиты «в запас» по

сравнению с точным расчетом.

Также применяются комбинации нескольких молниепри-

r₀₂

емников разного типа и высоты, которые комбинируются с

rx2

учетом конкретных условий местности и высоты защищае-

мых резервуаров. Зону защиты таких комбинированных

молниеотводов можно сконструировать подобно тому, как

rx2

сделано на рис. 3. Пример приведен на рис. 4, где указаны

r₀₂

измеряемые и рассчитываемые расстояния и радиусы зон

защиты. При этом следует учитывать, что взаимное влияние

двойных молниеотводов приводит к тому, что зона их защи-

rex

ты шире внешней зоны защиты одиночного молниеотвода.

rx2

Однако погрешность расчета границ этой зоны остается

r₀₂

аналогичной рассмотренной выше.

В данном случае обозначения высот и расстояний анало-

гично приведенным выше на рис. 2 и 3. Для оценки погреш-

r₀₁

rx1

ности расчета зоны защиты используются приведенные

выше соображения. Поэтому остается в силе приведенная

оценка погрешности измерения радиуса зоны защиты:

ориентировочно от ±25 см на высоте на высоте 18 м до ±50 см

rex

r₀₂

rx2

r₀₂

Рис. 4. Формирование зоны защиты комбинированного стержневого и тросового молниеотводов.

Дефектоскопия

№ 11

2020

Применение методов неразрушающего контроля качества...

на уровне земли при высоте молниеприемника в диапазоне 30—60 м. Таким образом, для обеспе-

чения необходимой степени защиты от прямого удара молнии при контроле состояния молниеотво-

дов эти погрешности измерения необходимо учитывать «в запас».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В состав работ по неразрушающему контролю качества элементов системы молниезащиты

пожаро- и взрывоопасных объектов, в том числе — площадочных объектов магистральных

нефте- и нефтепродуктопроводов, входят: определение количественного состава элементов

системы, визуальный и измерительный контроль элементов системы с применением геометри-

ческих и геодезических измерений, измерение электрических параметров элементов системы

молниезащиты. Также могут выполняться измерения электромагнитных полей, наведенных

молниевым разрядом, с целью выявления их негативного воздействия на электронные устрой-

ства и оборудование.

2. Поскольку одним из основных способов защиты оборудования, зданий и сооружений от

прямого удара молнии является защита расстоянием, то измерение расстояний между молниепри-

емниками, молниеотводами и защищаемыми объектами — один из основных видов контроля

состояния систем молниезащиты. При выполнении этих работ необходимо учитывать, что погреш-

ность измерения расстояний между элементами этой системы и защищаемым объектом может

составлять несколько десятков сантиметров, что существенно превышает паспортные данные

лазерных приборов, применяемых для измерения расстояний, т.е. измерения необходимо прово-

дить «в запас» с учетом фактических погрешностей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щербинин В.Е., Костин В.Н., Смородинский Я.Г., Ничипорук А.П., Ринкевич А.Б., Шлеенков А.С.,

Патраманский Б.В., Лоскутов В.Е. О необходимых мерах по обеспечению безопасной эксплуатации

трубопроводного транспорта средствами неразрушающего контроля // Дефектоскопия. 2011. № 12.

С. 77—90.

2. Лурье М.В., Мастобаев Б.Н., Ревель-Муроз П.А., Сощенко А.Е. Проектирование и эксплуатация

магистральных нефтепроводов / Учебник для ВУЗов. М.: Недра, 2019. 434 с.

3. Гиллер Г.А., Могильнер Л.Ю. Контроль качества и диагностика магистральных трубопроводов //

В мире неразрушающего контроля. 2001. № 1. С. 4—9.

4. Persson H., Lonnermark A. Tank Fires. Review of fire incidents 1951-2003. Brandforsk Project 513-

021 [Электронный ресурс]. SP Swedish National Testing and Research Institute, 2004.

5. SP Report 2004:14. URL: https://rib.msb.se/Filer/pdf%5C19108.pdf (дата обращения 25.09.2017);

Risk Management for Floating Roof Storage Tanks [Электронный ресурс]. Lightning Eliminators &

Consultants, Inc., 2013. URL: https://www.lightningprotection.com/wp-content/uploads/2017/04/retractable-

grounding-assembly.pdf (дата обращения 21.09.2017).

6. Lightning Risk and Storage Tank Protection [Электронный ресурс]. Lightning Eliminators &

Consultants, Consilium Middle East, 2013. URL: http://www.easyfairs.com/fileadmin/groups/8/Shop_2012/

Day_2__12.10__Lanzoni__Mascarenas_and_Manbiar_pdf (дата обращения 21.09.2017).

7. Петрова Н.В., Чешко И.Д. Анализ экспертной практики по исследованию пожаров, произошед-

ших на объектах хранения нефти и нефтепродуктов / В сб. Проблемы и перспективы судебной пожар-

но-технической экспертизы: материалы Междунар. науч.-практ. конф. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС

России, 2015. С. 78—81.

8. Коструба С.И. Измерение электрических параметров земли и заземляющих устройств.

М.: Энергоатомиздат, 1983. 168 с.

9. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001. 319 с.

10. Базелян Э.М., Нерсесян С.В., Туктаров А.Ж. Молниезащита предприятий по переработке и

транспорту углеводородного топлива // Известия академии наук. 2010. № 5.

11. Mogilner L., Vlasov N., Pankratov A. Improvement the testing of grounding and lightning protection

systems for ensuring safe operation of oil transportation facilities / 12th ECNDT. Gothenburg, Sweden,

June, 11—15, 2018. Режим доступа: https://www.ndt.net/article/ecndt2018/papers/ecndt-0153-2018.pdf.

Дата обращения 22.08.2020.

12. Могильнер Л.Ю., Владова А.Ю., Власов Н.А., Панкратов А.Н. Интегральный критерий оценки

состояния системы молниезащиты и заземления объектов перекачки нефти // Безопасность труда в про-

мышленности. 2017. № 2. С. 40—46.

13. Копысов А.Ф., Лукьянов С.В., Могильнер Л.Ю., Власов Н.А. Обследование систем молниезащи-

ты и заземления пожаро-взрывоопасных объектов: совершенствование технологии // Наука и техноло-

гии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2018. № 1. Т. 8. С. 84—91.

Дефектоскопия

№ 11

2020