天然氣處理廠接地材質選擇探討

甘立勇 沈澤明 江 兵 劉海祿

0 前言

天然氣處理廠接地系統是用于防雷防靜電接地、工作接地和保護接地的重要設施，是設備穩定運行以及設備和人員安全的根本保障。 接地系統長期安全穩定運行的關鍵在于選擇品質優良的接地材料和各接地體可靠的連接，目前國內外使用的接地材質主要有兩種：以美國為代表的部分西方國家主要采用銅接地體；包括我國在內的大多數國家主要采用鋼接地體。 近年來，國內電力行業大型變電站逐步引入了銅接地系統并取得了良好的運行效果［1-2］。 因此，深入探討并合理改進天然氣處理廠接地系統十分必要。

1 接地材質性能分析

1.1 導電性能及熱穩定性

銅和鋼導電性能及熱穩定參數見表1。

表1 銅與鋼的導電及熱穩定參數

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

1.2 耐腐蝕性

自然界中，大多數金屬是以化合態即離子狀態存在的，通過煉制從離子狀態轉變為原子狀態。 但金屬有回歸自然狀態（離子狀態）的本性，金屬從原子變為離子的過程就是金屬的腐蝕［3］。天然氣處理廠接地系統中，腐蝕會使接地網無法正常工作，并可引發嚴重事故。 例如電氣故障時金屬設備外部可能帶電，威脅工作人員人身安全； 或者在出現雷電流時若不能通過接地網及時瀉流，強電流有可能導致設備故障，影響生產運行［4］。金屬腐蝕典型圖見圖1。

圖1 金屬腐蝕典型圖

接地體在土壤里發生的腐蝕主要是化學腐蝕及電化學腐蝕，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、雜散電流等因素影響，同種金屬對不同的介質有不同的腐蝕性能。

由于鋼的自然電位較銅低，而鋼的化學性質比銅更活潑，因此在堿性環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，雖然對延緩鋼腐蝕有一定作用，但鋼連接部位經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“點腐蝕”的問題。 國內部分大型站場的鋼接地系統在堿性環境中運行10 a 左右便會出現較嚴重的腐蝕現象，表現為接地連接點斷裂、部分設備引下線未與主網相連、接地扁鋼嚴重銹穿等。 腐蝕后的鋼接地系統電阻值部分高達幾十歐姆，遠超過設計值［5］。

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

武漢大學曾于2001 年10 月將刷有導電防腐涂料的鐵片、鍍鋅鐵片、紫銅片三種試件串聯，置于10%濃度的硫酸中，用6V 直流恒定電壓進行了電解腐蝕試驗。在通電3 h 后，三者電解腐蝕率分別為：刷有導電防腐涂料的鐵片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 對埋地金屬管線的影響

陰極保護防腐蝕（犧牲陽極保護）是現行的防腐技術中一項重要的措施，原理為：任何金屬都有其固有的電極電勢Eq，采用電極電勢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，以達到保護電極電勢高的金屬不被氧化的目的［7］。 犧牲陽極保護原理見圖2。

圖2 犧牲陽極保護示意圖

鋼的電極電勢Eq=-0.447 V， 銅的電極電勢Eq=0.342 V。 若采用銅接地體，在其附近存在金屬管線時，一旦形成電氣通路，由于金屬管線電勢更低，作為犧牲陽極失去電子，而銅接地網由于固有的高電勢得到電子而被保護，見圖2。 若在這種工況下長期運行，金屬管線將被嚴重腐蝕，對管道的安全運行構成嚴重威脅。 即使站場設有強制電流陰極保護裝置，采用外加電流保護金屬管線，由于銅接地網的存在，也將大幅提高陰極保護電流，增加設備負擔，見圖3。文獻［8］詳細描述了國內某站場采用銅接地網后對金屬埋地管線及陰極保護設備帶來的困擾，并在整改方案中將所有銅接地網更換為鋼接地網。

圖3 金屬管線強制陰極電流保護示意圖

鋼接地網與金屬管線電勢基本一致，不會發生明顯的電化學腐蝕反應［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Eq=-0.762 V，比鐵更低，對就近的金屬管線能起到陰極保護作用。

3 天然氣處理廠接地材質選擇

為便于選擇天然氣處理廠接地系統材料，根據以上內容，將鋼、銅兩種材質的性能進行對比，見表2。

表2 鋼與銅的接地性能及經濟性對比

從表2 可看出，銅的各接地性能均優于鋼，但由于銅固有電極電勢高，會加速埋地管線的腐蝕。 天然氣處理廠裝置區中存在大量埋地金屬管線，國外一些工程在使用銅接地網的同時，站場內采用大量陰極保護裝置及增設絕緣接頭等措施以降低銅對埋地金屬管線的影響，但附加設備及工程量都大幅提高，且銅的價格遠高于鋼。

大量使用銅接地網時還需考慮材質對環境的影響，全世界對水資源中的銅含量均有嚴格控制，對鋼材中主要的鐵元素則沒有規定。 因此，天然氣處理廠接地系統不適合大規模使用銅材。

變電站作為整個天然氣處理廠的電力中樞，當出現短路故障時，將產生高達數萬安培的短路電流經接地線路流入大地。 根據電力行業的相關規定［11］，變電站接地系統必須滿足熱穩定校驗：

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定值，A，根據系統5～10 a 發展規劃，按系統最大運行方式確定；c 為接地材料的熱穩定系數，根據材料的種類、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為短路的等效持續時間，s。

以上參數中變電站的Ig、te為確定值，接地材料熱穩定系數c鋼=70，c銅=210，為滿足熱穩定校驗，變電站接地系統采用鋼材時截面至少為銅材的3 倍。 同時考慮到電阻率的影響，在滿足接地系統電阻值時鋼接地系統的規模更遠高于銅接地系統。

另一方面， 由于建筑物內鋼筋的對地電位與銅相近，對周邊銅接地網幾乎不產生影響，將加速鋼接地網的腐蝕。 GB 50057-2010 《建筑物防雷設計規范》中明確指出：在敷設與土壤中的接地體連接到混凝土基礎內起基礎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體。

通過以上分析， 天然氣處理廠接地系統宜主選鋼材；而變電站的接地系統從長期運行的可靠性及安全性考慮，銅接地系統有明顯優勢。

4 應用案例

在某氣田100×108m3/a 商品氣產能建設工程中，天然氣處理廠的接地系統成功地將鋼、銅兩種接地材質結合在了一起。 該工程建設地區地理環境以沙漠為主，部分地表肉眼能見白色鹽堿，土壤為強堿性，腐蝕性較強，接地材質的選擇直接關系到接地系統的安全運行。

天然氣處理廠是該工程的主體部分， 規模龐大，占地面積約0.7 km2， 廠內設置了1 座220 kV 總變電站，8座10 kV 分變電站。 經計算，廠區中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。 銅與鋼兩種接地網通過變電站四周設置的接地檢測井連接為一個整體，見圖4。

圖4 處理廠接地系統示意圖

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

圖5 接地檢測井

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

5 結論

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

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

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

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