銅鋼復(fù)合材料和放熱焊接技術(shù)在石油化工企業(yè)接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 波

（大慶石化工程有限公司，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

近年來(lái)我國(guó)石化行業(yè)飛速發(fā)展，石化企業(yè)的改擴(kuò)建工程項(xiàng)目日益增多，同時(shí)規(guī)劃和新建了多個(gè)大型煉化一體化的工程項(xiàng)目。當(dāng)前，石化企業(yè)的大多數(shù)電氣設(shè)備元器件采用的都是集成電路和微電子電路，對(duì)雷電流、干擾信號(hào)和故障電流尤為敏感。這就需要有良好的接地系統(tǒng)及時(shí)排除干擾信號(hào)和泄放故障電流以保障各類設(shè)備的正常運(yùn)行。接地裝置在石化工程中是個(gè)隱蔽的工程，其中工程質(zhì)量不僅關(guān)系到石化工程中重大設(shè)備的運(yùn)行安全,也關(guān)系到運(yùn)行人 員的人身安全。據(jù)各省統(tǒng)計(jì),由于接地網(wǎng)損壞發(fā)生過(guò)大量事故，其中接地網(wǎng)腐蝕是事故發(fā)生的重要因素，如何提高接地網(wǎng)的耐腐蝕性能已日益引起重視。

2 接地設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

目前國(guó)內(nèi)接地系統(tǒng)中接地的材料通常采用熱鍍鋅鋼，形式上多為扁鋼和角鋼，熱鍍鋅鋼涂層薄,在土壤和接地電流作用下耐腐蝕性低,導(dǎo)致熱鍍鋅鋼接地網(wǎng)壽命低下,腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域運(yùn)行3～5年就需要開挖檢修 ,運(yùn)行10年后都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕而不得不更換。并且通過(guò)測(cè)量工頻接地電阻往往不易檢測(cè)出來(lái)，需要頻繁的檢查和維護(hù)，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

在需要采用TN-S的系統(tǒng)中，都需要檢測(cè)零序電流作為發(fā)生接地故障保護(hù)時(shí)的判據(jù)，而傳統(tǒng)接地方式接地的材料--鋼材的導(dǎo)電率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銅材的導(dǎo)電率，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，性能更會(huì)大幅度下降，這樣對(duì)于接地故障保護(hù)的可靠性和時(shí)效性都會(huì)很大的影響；隨著科技的進(jìn)步，今年我們逐步推廣采用了以銅材為主要接地材料的新型接地方式，用以取代以前的以鋼作為接地主體的接地方式，然后連接方式大多采用壓接的方式，這種連接方式構(gòu)成的接地系統(tǒng)相比傳統(tǒng)接地系統(tǒng)大大提高了接地系統(tǒng)的使用壽命，但是它也存在著巨大的隱患，即壓接點(diǎn)的接觸電阻過(guò)高造成了可靠性的大幅下降。

3 放熱焊接技術(shù)原理

以銅作為接地的主要材料對(duì)接地體之間的接連方式提出了很高的要求，信息的放熱焊接方式就非常適用于各種有較高接地要求的場(chǎng)合。最初的放熱焊接工藝是用在制造鑄件和修補(bǔ)斷裂的鑄件，而在有色金屬上首次使用這種工藝的是凱斯里工學(xué)院（Case institule of Technology,現(xiàn)稱西凱斯大學(xué)）的查爾斯.卡特威爾博士（Dr.CharlesCaldwell）,他 1938 年在“電氣鐵路公司”任顧問(wèn)時(shí)所開發(fā)并命名了CALDWELL銅基放熱反應(yīng)，其原理是用較活潑的金屬來(lái)還原銅，通過(guò)在化學(xué)反應(yīng)中釋放的熱量將兩連接體的接頭迅速熔為一體；它是真正的分子焊接，導(dǎo)體不會(huì)被破壞并且沒(méi)有接觸面，電解質(zhì)等不會(huì)滲透到導(dǎo)體交界面上導(dǎo)致氧化或隨時(shí)間老化，導(dǎo)體交界面的整體有效性沒(méi)有改變。放熱焊接工藝一般采用的放熱反應(yīng)公式為3CuO+2AL→6Cu+A+熱量（2537℃或4600 F），理論上自然界存在的其他較活潑的金屬如Mg等也可以作為放熱焊材料，放熱焊接工藝要求的溫度較高，但是不同的放熱焊接工藝公司添加了各種不同的添加劑從而使溫度在不同程度上有所降低。

4 連接方式

接地連接近年來(lái)才逐漸引起有關(guān)方面的重視。接地網(wǎng)用銅鋼復(fù)合材料的連接方法主要包括壓接線夾連接、螺栓連接和放熱焊接等幾種連接工藝。螺栓連接、壓接線夾連接方式，均依靠材料表面“點(diǎn)”接觸來(lái)維持電路的通暢，因此容易腐蝕和老化。而放熱焊接為永久性連接，更耐腐蝕和老化。

采用放熱焊接工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

4.1 焊接點(diǎn)的載流能力（熔點(diǎn)）與導(dǎo)線的載流能力相等，接觸電阻值小。

4.2 因?yàn)楹附狱c(diǎn)為分子結(jié)合，沒(méi)有接觸面，更沒(méi)有機(jī)械壓力，因此不會(huì)松弛也不會(huì)增加電阻、抗腐蝕性強(qiáng)。

4.3 焊接時(shí)一種永久性的分子結(jié)合，不易松脫也不會(huì)增加電阻、抗腐蝕性強(qiáng)。

4.4 焊接點(diǎn)像銅一樣不受腐蝕性產(chǎn)物的影響。

4.5 焊接點(diǎn)能經(jīng)受反復(fù)多次的大浪涌（故障）電流而不易退化。

4.6 焊接方法簡(jiǎn)單實(shí)用，培訓(xùn)容易。

4.7 供焊接用的材料很輕，攜帶方便。

4.8 進(jìn)行焊接時(shí)，無(wú)需外接電源或熱源。

4.9 從外觀上便能核查焊接的質(zhì)量。

4.10 可用于焊接銅、銅合金、鍍銅鋼、各種合金鋼包括不銹鋼材料。

現(xiàn)在的大型石化企業(yè)中通信系統(tǒng)的接地網(wǎng)一般都與全廠的接地網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)整體，發(fā)熱焊接方式在數(shù)字通信系統(tǒng)中能確保“無(wú)噪音”聯(lián)結(jié)。而一般的機(jī)械連接會(huì)造成電子噪音，連接點(diǎn)的突然變化會(huì)造成較高的Ldi/dt電壓，這是因?yàn)橥蝗坏母淖儠?huì)造成與信號(hào)電路耦合的脈沖信號(hào)，該信號(hào)回引起錯(cuò)誤數(shù)據(jù)甚至導(dǎo)致電路的永久損壞。

但是放熱焊接過(guò)程也存在著影響熔接效果的因素：①焊接時(shí)必須采取的最重要的步驟是防止焊接過(guò)程中焊接點(diǎn)內(nèi)水氣的產(chǎn)生。因?yàn)橐粋€(gè)良好的焊點(diǎn)應(yīng)當(dāng)表面飽滿光亮、無(wú)氣孔，切開后觀察其剖面在一整體無(wú)氣孔與瑕疵，由于模具、焊粉及被焊接物內(nèi)均可能吸附水分，因此影響其焊接效果的最主要因素是濕氣或水氣。②另一影響焊接效果的因素是模具及被焊接物的清潔程度。如果被焊接物表面有塵土、油脂、氧化物（銹）或其他附著物等必須完全清除并使?jié)崈艄饬梁筮M(jìn)行焊接作業(yè)，否則焊點(diǎn)的導(dǎo)電性能與機(jī)械性能將受到影響。如果模具內(nèi)遺留的殘?jiān)煌耆宄?，將造成焊點(diǎn)表面不平滑、不光亮。因此，防止水氣產(chǎn)生、清潔被焊接物、清潔模具是影響熔接效果的關(guān)鍵因素。

銅鋼合金接地棒是適用于一般場(chǎng)合相對(duì)簡(jiǎn)易的接地極，它是由一定厚度的銅覆蓋層覆著到碳鋼芯棒上制成的。長(zhǎng)度有1.5m、2.5m和3m等幾種規(guī)格。高強(qiáng)度的鋼質(zhì)內(nèi)芯便于施工時(shí)直接將接地棒打入地下，使施工更加快捷；表面的銅覆蓋層可以加強(qiáng)接地棒的導(dǎo)電性和泄流能力，增強(qiáng)電極的防腐，從而使接地系統(tǒng)的接地電阻長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，并延長(zhǎng)接地系統(tǒng)的使用壽命。銅鋼合金接地棒和接地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他接地體的連接采用放熱焊接的方式能有效的減少焊接點(diǎn)處的接觸電阻值。

5 工程中的實(shí)際應(yīng)用效果

在撫順石化公司的80萬(wàn)噸/年乙烯工程項(xiàng)目中，生產(chǎn)裝置內(nèi)采用了公用接地裝置，即工作接地、保護(hù)接地、防雷接地、防靜電接地同時(shí)與計(jì)算機(jī)接地連接，形成一個(gè)共用接地網(wǎng)，所以要求接地阻值要小于1Ω。若用常規(guī)鍍鋅扁鋼和角鋼進(jìn)行施工，為了使接地電阻達(dá)到要求，必須采取增加接地極數(shù)量的方式。而采用以銅包鋼接地極、接地線的接地系統(tǒng)，如果不能有效解決接連點(diǎn)的接觸電阻過(guò)大的問(wèn)題，則無(wú)法滿足要求。

經(jīng)反復(fù)研究論證，最終決定采用以銅包鋼接地極、銅包鋼接地線組成的接地系統(tǒng)。接地線與接地極之間的連接均采用放熱焊接方式。這種新型的接地連接方式的基本操作程序非常簡(jiǎn)便，現(xiàn)場(chǎng)施工人員只需要很短的時(shí)間就能夠熟練掌握這種焊接技術(shù)。

雖然采用銅包鋼材質(zhì)接地系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的鍍鋅鋼材接地系統(tǒng)一次性投資增加了許多，但是后期的維護(hù)和重復(fù)投入則大大減少，因而從經(jīng)濟(jì)性上分析可以看出采用放熱焊接工藝的新型接地方式一次性投資高于傳統(tǒng)接地方式，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看其總體投資額和傳統(tǒng)接地方式相當(dāng)。

6 結(jié)論

目前，采用銅包鋼接地極、接地線的接地系統(tǒng)已經(jīng)在石化行業(yè)內(nèi)大量推廣采用，而放熱焊接技術(shù)也已在石化行業(yè)被越來(lái)越多的采用，從而解決了共用接地網(wǎng)的施工中接地連接點(diǎn)接觸電阻值高，降阻困難，現(xiàn)場(chǎng)施工難度大，接地系統(tǒng)使用壽命短的難題。通過(guò)在撫順石化項(xiàng)目中的應(yīng)用可以證明，新型的接地材質(zhì)和放熱焊接技術(shù)完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)接地方式，極具推廣和應(yīng)用價(jià)值。

[1]梁勇芳,張友強(qiáng).復(fù)合材料先進(jìn)加工制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.上海塑料，2010-03-30.