天然氣處理廠接地材質(zhì)選擇探討

甘立勇 沈澤明 江 兵 劉海祿

0 前言

天然氣處理廠接地系統(tǒng)是用于防雷防靜電接地、工作接地和保護(hù)接地的重要設(shè)施，是設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行以及設(shè)備和人員安全的根本保障。 接地系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵在于選擇品質(zhì)優(yōu)良的接地材料和各接地體可靠的連接，目前國內(nèi)外使用的接地材質(zhì)主要有兩種：以美國為代表的部分西方國家主要采用銅接地體；包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家主要采用鋼接地體。 近年來，國內(nèi)電力行業(yè)大型變電站逐步引入了銅接地系統(tǒng)并取得了良好的運(yùn)行效果［1-2］。 因此，深入探討并合理改進(jìn)天然氣處理廠接地系統(tǒng)十分必要。

1 接地材質(zhì)性能分析

1.1 導(dǎo)電性能及熱穩(wěn)定性

銅和鋼導(dǎo)電性能及熱穩(wěn)定參數(shù)見表1。

表1 銅與鋼的導(dǎo)電及熱穩(wěn)定參數(shù)

從表1 可看出，在截面相同時(shí)，銅電導(dǎo)率是鋼電導(dǎo)率的8 倍，銅在短路時(shí)最高允許溫度比鋼高，銅的熱穩(wěn)定性比鋼好。

1.2 耐腐蝕性

自然界中，大多數(shù)金屬是以化合態(tài)即離子狀態(tài)存在的，通過煉制從離子狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵訝顟B(tài)。 但金屬有回歸自然狀態(tài)（離子狀態(tài)）的本性，金屬從原子變?yōu)殡x子的過程就是金屬的腐蝕［3］。天然氣處理廠接地系統(tǒng)中，腐蝕會(huì)使接地網(wǎng)無法正常工作，并可引發(fā)嚴(yán)重事故。 例如電氣故障時(shí)金屬設(shè)備外部可能帶電，威脅工作人員人身安全； 或者在出現(xiàn)雷電流時(shí)若不能通過接地網(wǎng)及時(shí)瀉流，強(qiáng)電流有可能導(dǎo)致設(shè)備故障，影響生產(chǎn)運(yùn)行［4］。金屬腐蝕典型圖見圖1。

圖1 金屬腐蝕典型圖

接地體在土壤里發(fā)生的腐蝕主要是化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕，腐蝕速度受材料固有特性、土壤電阻率、含水量、含氧量、酸堿度、電解質(zhì)、雜散電流等因素影響，同種金屬對(duì)不同的介質(zhì)有不同的腐蝕性能。

由于鋼的自然電位較銅低，而鋼的化學(xué)性質(zhì)比銅更活潑，因此在堿性環(huán)境中鋼的腐蝕速度比銅快。 為減少鋼的腐蝕，目前通用的辦法是在鋼表面鍍上電位更低的鋅，雖然對(duì)延緩鋼腐蝕有一定作用，但鋼連接部位經(jīng)過高溫電弧焊接后鍍鋅層將被破壞，仍無法解決鋼在土壤中快速“點(diǎn)腐蝕”的問題。 國內(nèi)部分大型站場的鋼接地系統(tǒng)在堿性環(huán)境中運(yùn)行10 a 左右便會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，表現(xiàn)為接地連接點(diǎn)斷裂、部分設(shè)備引下線未與主網(wǎng)相連、接地扁鋼嚴(yán)重銹穿等。 腐蝕后的鋼接地系統(tǒng)電阻值部分高達(dá)幾十歐姆，遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值［5］。

在自身固有抗腐蝕特性上，銅接地網(wǎng)在堿性土壤中不存在上述腐蝕現(xiàn)象，其表面附著性極強(qiáng)的氧化物（銅綠）會(huì)阻斷銅內(nèi)部腐蝕，在堿性環(huán)境中銅的腐蝕速度約為鋼的10%～20%［6］。

武漢大學(xué)曾于2001 年10 月將刷有導(dǎo)電防腐涂料的鐵片、鍍鋅鐵片、紫銅片三種試件串聯(lián)，置于10%濃度的硫酸中，用6V 直流恒定電壓進(jìn)行了電解腐蝕試驗(yàn)。在通電3 h 后，三者電解腐蝕率分別為：刷有導(dǎo)電防腐涂料的鐵片34 g/m2·h、鍍鋅鐵片575 g/m2·h、紫銅片571 g/m2·h。 由此可得出，在酸性環(huán)境中，銅與鍍鋅鐵片的防腐性能相近。

通過以上分析，在堿性土壤中銅固有的耐腐蝕性能優(yōu)于鋼，而在酸性土壤中銅與鍍鋅鐵片的耐腐蝕性能相近。

2 對(duì)埋地金屬管線的影響

陰極保護(hù)防腐蝕（犧牲陽極保護(hù)）是現(xiàn)行的防腐技術(shù)中一項(xiàng)重要的措施，原理為：任何金屬都有其固有的電極電勢(shì)Eq，采用電極電勢(shì)較低的金屬作為犧牲陽極，通過失去自身電子，形成腐蝕電流，以達(dá)到保護(hù)電極電勢(shì)高的金屬不被氧化的目的［7］。 犧牲陽極保護(hù)原理見圖2。

圖2 犧牲陽極保護(hù)示意圖

鋼的電極電勢(shì)Eq=-0.447 V， 銅的電極電勢(shì)Eq=0.342 V。 若采用銅接地體，在其附近存在金屬管線時(shí)，一旦形成電氣通路，由于金屬管線電勢(shì)更低，作為犧牲陽極失去電子，而銅接地網(wǎng)由于固有的高電勢(shì)得到電子而被保護(hù)，見圖2。 若在這種工況下長期運(yùn)行，金屬管線將被嚴(yán)重腐蝕，對(duì)管道的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。 即使站場設(shè)有強(qiáng)制電流陰極保護(hù)裝置，采用外加電流保護(hù)金屬管線，由于銅接地網(wǎng)的存在，也將大幅提高陰極保護(hù)電流，增加設(shè)備負(fù)擔(dān)，見圖3。文獻(xiàn)［8］詳細(xì)描述了國內(nèi)某站場采用銅接地網(wǎng)后對(duì)金屬埋地管線及陰極保護(hù)設(shè)備帶來的困擾，并在整改方案中將所有銅接地網(wǎng)更換為鋼接地網(wǎng)。

圖3 金屬管線強(qiáng)制陰極電流保護(hù)示意圖

鋼接地網(wǎng)與金屬管線電勢(shì)基本一致，不會(huì)發(fā)生明顯的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)［9-10］。 而目前接地材料中普遍使用的熱鍍鋅鋼材，由于鋅的電極電勢(shì)Eq=-0.762 V，比鐵更低，對(duì)就近的金屬管線能起到陰極保護(hù)作用。

3 天然氣處理廠接地材質(zhì)選擇

為便于選擇天然氣處理廠接地系統(tǒng)材料，根據(jù)以上內(nèi)容，將鋼、銅兩種材質(zhì)的性能進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 鋼與銅的接地性能及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

從表2 可看出，銅的各接地性能均優(yōu)于鋼，但由于銅固有電極電勢(shì)高，會(huì)加速埋地管線的腐蝕。 天然氣處理廠裝置區(qū)中存在大量埋地金屬管線，國外一些工程在使用銅接地網(wǎng)的同時(shí)，站場內(nèi)采用大量陰極保護(hù)裝置及增設(shè)絕緣接頭等措施以降低銅對(duì)埋地金屬管線的影響，但附加設(shè)備及工程量都大幅提高，且銅的價(jià)格遠(yuǎn)高于鋼。

大量使用銅接地網(wǎng)時(shí)還需考慮材質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響，全世界對(duì)水資源中的銅含量均有嚴(yán)格控制，對(duì)鋼材中主要的鐵元素則沒有規(guī)定。 因此，天然氣處理廠接地系統(tǒng)不適合大規(guī)模使用銅材。

變電站作為整個(gè)天然氣處理廠的電力中樞，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，將產(chǎn)生高達(dá)數(shù)萬安培的短路電流經(jīng)接地線路流入大地。 根據(jù)電力行業(yè)的相關(guān)規(guī)定［11］，變電站接地系統(tǒng)必須滿足熱穩(wěn)定校驗(yàn)：

式中：Sg為接地線的最小截面，mm2；Ig為流過接地線的短路電流穩(wěn)定值，A，根據(jù)系統(tǒng)5～10 a 發(fā)展規(guī)劃，按系統(tǒng)最大運(yùn)行方式確定；c 為接地材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)材料的種類、性能及最高允許溫度和短路前接地引下線的初始溫度確定；te為短路的等效持續(xù)時(shí)間，s。

以上參數(shù)中變電站的Ig、te為確定值，接地材料熱穩(wěn)定系數(shù)c鋼=70，c銅=210，為滿足熱穩(wěn)定校驗(yàn)，變電站接地系統(tǒng)采用鋼材時(shí)截面至少為銅材的3 倍。 同時(shí)考慮到電阻率的影響，在滿足接地系統(tǒng)電阻值時(shí)鋼接地系統(tǒng)的規(guī)模更遠(yuǎn)高于銅接地系統(tǒng)。

另一方面， 由于建筑物內(nèi)鋼筋的對(duì)地電位與銅相近，對(duì)周邊銅接地網(wǎng)幾乎不產(chǎn)生影響，將加速鋼接地網(wǎng)的腐蝕。 GB 50057-2010 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確指出：在敷設(shè)與土壤中的接地體連接到混凝土基礎(chǔ)內(nèi)起基礎(chǔ)接地體作用的鋼筋或鋼材情況下，土壤中的接地體宜采用銅或鍍銅或不銹鋼導(dǎo)體。

通過以上分析， 天然氣處理廠接地系統(tǒng)宜主選鋼材；而變電站的接地系統(tǒng)從長期運(yùn)行的可靠性及安全性考慮，銅接地系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 應(yīng)用案例

在某氣田100×108m3/a 商品氣產(chǎn)能建設(shè)工程中，天然氣處理廠的接地系統(tǒng)成功地將鋼、銅兩種接地材質(zhì)結(jié)合在了一起。 該工程建設(shè)地區(qū)地理環(huán)境以沙漠為主，部分地表肉眼能見白色鹽堿，土壤為強(qiáng)堿性，腐蝕性較強(qiáng)，接地材質(zhì)的選擇直接關(guān)系到接地系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

天然氣處理廠是該工程的主體部分， 規(guī)模龐大，占地面積約0.7 km2， 廠內(nèi)設(shè)置了1 座220 kV 總變電站，8座10 kV 分變電站。 經(jīng)計(jì)算，廠區(qū)中220 kV 總變電站接地裝置水平接地干線采用Φ18 mm 銅包鋼圓線， 垂直接地采用Φ25 mm、長度3 m 的銅包鋼接地體。 10 kV 分變電站水平接地干線采用120 mm2銅絞線， 垂直接地采用3 m 銅制防腐等離子接地體。 水平接地線埋深0.8 m，接地極頂端高出接地干線0.1 m，接地體聯(lián)接處采用放熱熔接方式。除變電站外其余場所水平接地干線采用50 mm×5 mm 鍍鋅扁鋼， 在地下焊接處增刷瀝青以起到保護(hù)作用，垂直接地體采用L 50 mm×5 mm×2 500 mm 的鍍鋅角鋼。 銅與鋼兩種接地網(wǎng)通過變電站四周設(shè)置的接地檢測(cè)井連接為一個(gè)整體，見圖4。

圖4 處理廠接地系統(tǒng)示意圖

在接地檢測(cè)井內(nèi)，銅材與鋼材采用接線端子及螺栓與接地端子板相連，接地檢測(cè)井見圖5。由于兩種接地網(wǎng)連接點(diǎn)位于地面以上，不存在電解質(zhì)，能最大程度消除不同材質(zhì)間的腐蝕現(xiàn)象；另一方面，施工在接地線安裝完成后，通過對(duì)接地端子板采取增刷黃油，用塑料膠帶扎緊等防護(hù)措施，增強(qiáng)其抗腐蝕性。

圖5 接地檢測(cè)井

該工程中通過鋼、 銅兩種接地材質(zhì)的合理使用，避免了接地網(wǎng)埋地金屬管線腐蝕，提高了電力中樞變電站的接地可靠性，對(duì)整個(gè)天然氣處理廠的長期安全運(yùn)行具有重要意義。

5 結(jié)論

a）在堿性環(huán)境中，銅的接地性能及耐腐蝕性均優(yōu)于鋼，酸性環(huán)境中二者耐腐蝕性相近。

b）銅的固有電極電勢(shì)比鋼更高，將加速附近埋地金屬管線腐蝕，且價(jià)格遠(yuǎn)高于鋼材。

c）天然氣處理廠中裝置區(qū)存在大量埋地金屬管線，不宜使用銅接地系統(tǒng)。 而變電站規(guī)模較小，周圍埋地金屬管線較少，且對(duì)接地的可靠性要求較高，更適合使用銅接地系統(tǒng)。

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