論新型技術(shù)納米碳涂料在接地裝置中的應(yīng)用

曹靜娟

中國化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司 河南開封 475002

論新型技術(shù)納米碳涂料在接地裝置中的應(yīng)用

曹靜娟

中國化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司 河南開封 475002

介紹了新型納米碳涂料在接地裝置中的應(yīng)用，結(jié)合其原理、特點、與傳統(tǒng)接地裝置的對比及實際使用、檢測的效果，分析納米碳接地裝置在防雷接地系統(tǒng)中的優(yōu)越性，簡要介紹此新型接地裝置的施工工藝。

接地腐蝕 新型技術(shù) 新型納米碳 防雷接地

傳統(tǒng)的接地裝置一般由接地線（鍍鋅扁鋼、鍍鋅圓鋼、銅包鋼等）、接地體（接地極、深井接地極等）組成。為解決接地網(wǎng)的腐蝕問題，隨著接地技術(shù)的不斷完善，一種新型的防雷接地材料--納米碳復(fù)合型防腐接地裝置應(yīng)運(yùn)而生。此種接地裝置越來越廣泛地應(yīng)用在諸多接地及防雷系統(tǒng)中。四川石化乙烯裝置使用了此種接地裝置，從使用的效果來看，此種接地裝置遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)的接地裝置。根據(jù)認(rèn)真調(diào)研，我公司在寧夏銀川哈納斯重?zé)N脫除項目進(jìn)行全場防雷接地網(wǎng)的施工中同樣采用這種接地裝置。

1 納米碳接地的原理及特點

1.1 納米碳防腐接地材料的原理、特點

圖1 納米碳接地裝置實物圖

圖1所示為四川石化乙烯裝置項目中將新型技術(shù)納米碳接地用于實際的實物圖。其中斷開焊接處由于涂料破壞，重新刷了一層納米碳接地涂料，并放置于已開挖好的接地溝內(nèi)。

1.1.1 結(jié)構(gòu)

以鍍鋅扁鋼為主材，通過特殊工藝，將納米碳涂料均勻覆蓋在鍍鋅扁鋼上，形成雙導(dǎo)電的復(fù)合材料。

1.1.2 納米碳導(dǎo)電涂料

是在鎳粉和石墨粉防腐導(dǎo)電涂料在接地網(wǎng)腐蝕應(yīng)用的基礎(chǔ)上研制的新一代防腐導(dǎo)電涂料。它以納米碳作為導(dǎo)電添加劑，比石墨粉和鎳粉防腐涂料有更強(qiáng)的導(dǎo)電性和防腐蝕性，是一種簡單、高效、價優(yōu)的防雷接地產(chǎn)品。它利用納米碳的高導(dǎo)電率和環(huán)氧樹脂優(yōu)異的結(jié)合力和防腐蝕率，從而保證接地網(wǎng)穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

1.1.3 特點

具有優(yōu)良導(dǎo)電性、耐腐蝕性、耐沖擊性和熱穩(wěn)定性等。

1.1.4 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 納米碳接地模塊原理、特點及參數(shù)

表1 納米碳防腐接地材料主要技術(shù)參數(shù)

圖2 接地模塊實物圖

圖2所示是四川石化乙烯裝置項目中接地模塊用于實際的實物圖。模塊與接地扁鐵采用焊接方式連接，藥皮處理干凈后，刷防腐專用涂料做防腐處理。接地模塊最重要是具有吸濕、保濕和穩(wěn)定導(dǎo)電性的作用。

1.2.1 原理

納米碳接地模塊是一種內(nèi)防腐外降阻的復(fù)合接地體，內(nèi)經(jīng)防腐處理的金屬支架為電極芯，以高導(dǎo)電石墨粉和含電解質(zhì)導(dǎo)電物的硅酸鹽為主要原料，經(jīng)高壓壓制成型，最后經(jīng)陳化處理的無機(jī)接地體。

1.2.2 特點

金屬電極與高硅酸鹽形成高致密層，可防止包括海水在內(nèi)的一切腐蝕介質(zhì)的侵蝕。納米碳接地模塊內(nèi)置鍍鋅圓鋼或角鋼，將其與被保護(hù)的地線連接時，金屬接地體與大地有效接觸面積大大增加。由于接地模塊具有吸濕、保濕和穩(wěn)定的導(dǎo)電性，因此金屬接地體與大地的接地電阻將大大減少，從而充分發(fā)揮接地模塊的降阻作用，具有與物理降阻劑同等降阻效果。

1.2.3 主要技術(shù)參數(shù)

表2 納米碳接地模塊主要技術(shù)參數(shù)

2 納米碳接地裝置與傳統(tǒng)的接地裝置對比及適用范圍

2.1 納米碳防腐接地裝置的優(yōu)點

2.1.1 機(jī)械強(qiáng)度

納米碳接地材料以鍍鋅扁鋼為主材，具有鋼的高強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，鋅具有陰極保護(hù)功能，其機(jī)械強(qiáng)度與鍍鋅扁鋼相同。

2.1.2 耐腐蝕性

鍍鋅接地材料由于鍍鋅層的厚度問題，使用年限較短。

納米碳接地材料對于酸性環(huán)境而言，納米碳接地扁鋼以脂環(huán)胺為固化劑，利于涂層耐酸性的提高；對于堿性介質(zhì)而言，由于樹脂的固化是經(jīng)過縮合、閉環(huán)等化學(xué)反應(yīng)，使熱固性樹脂發(fā)生不可逆的變化過程，因此，納米碳接地扁鋼其耐堿性能更為優(yōu)越。

納米碳接地裝置可有效防止各種化學(xué)腐蝕，大大延長接地網(wǎng)的使用壽命，同時，由于其直接與土壤接觸的部分是納米碳涂層，可有效防止對生態(tài)環(huán)境造成的重金屬污染。

2.1.3 導(dǎo)電性

納米碳作為覆層材料，其導(dǎo)電性是鋼的5倍以上，導(dǎo)電性能更優(yōu)越。通過納米碳的高導(dǎo)電率，保證接地裝置高效的導(dǎo)電性能。納米碳涂料的電阻率僅為土壤電阻率的百萬分之一。作為金屬接地體與土壤的中間層，納米碳導(dǎo)電防腐涂料電阻率接近一般金屬，導(dǎo)電性能優(yōu)良。

2.1.4 表面結(jié)合性能

納米碳防腐涂料的分子結(jié)構(gòu)中有環(huán)氧基、羥基和醚基，故有高度的極性，所以粘合力特別強(qiáng)，這是環(huán)氧樹脂作為涂料的最優(yōu)良性能。

2.1.5 使用壽命

經(jīng)理化和老化試驗，納米碳涂料使用壽命在50a以上。傳統(tǒng)的接地扁鋼一般使用壽命為10～15a，特別是在高阻土壤地區(qū)、高酸堿鹽地區(qū)或較潮濕的土壤中使用壽命會更短。

2.1.6 適用范圍

可廣泛應(yīng)用于各種工作接地和保護(hù)接地工程。如：配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、建筑系統(tǒng)、醫(yī)療科研、軍用設(shè)施，及其它行業(yè)的工作接地及易燃易爆場所的接地工程等。

2.1.7 可施工性

施工與鍍鋅扁鋼、鍍鋅圓鋼的施工工藝相同，無須特殊的工機(jī)具及材料，只需合格的焊工即可。但與銅包鋼接地線的施工工藝不同，銅包鋼施工需要與接地線相對應(yīng)的模具、焊藥等，并經(jīng)專門培訓(xùn)才能上崗操作，在施工過程中具有一定的危險性（火焰灼傷、燙傷等）。

2.1.8 檢查實例

四川石化乙烯裝置土質(zhì)為輕亞粘土和沙卵石層，地表3m以下為水層，地面環(huán)境常年濕潤、地下潮濕，此地質(zhì)要求接地線的機(jī)械強(qiáng)度、耐防腐性能及導(dǎo)電性能更高，選用納米碳接地裝置較為理想。

使用納米碳扁鋼與傳統(tǒng)鍍鋅扁鋼在同樣地質(zhì)及同樣長度的接地電阻測試，低于傳統(tǒng)鍍鋅扁鋼接地電阻值1/3以上（如乙烯塔、丙烯塔做的臨時鍍鋅扁鋼接地裝置接地電阻實測值為1.1Ω；納米碳接地裝置接地電阻實測值為0.26Ω）。

2011年12月對乙烯裝置各區(qū)分別進(jìn)行了接地電阻測試，每個區(qū)不少于6個測試點，最大接地電阻值為0.4Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計要求值4Ω的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 納米碳防腐接地裝置的缺點

成本投入較高，高于鍍鋅扁鋼3倍以上，但低于銅包鋼。

由于銅包鋼接地線具有較強(qiáng)的鋼絲的柔韌性及銅的良好的導(dǎo)電性等優(yōu)點，適用于高阻土壤地區(qū)及土質(zhì)有沉降的地區(qū)，如神華寧煤烯烴項目，使用銅包鋼作為接地線，其土質(zhì)為濕陷性黃土具有沉降性，所以選用具有柔性的線性接地線。銅包鋼接地材料還由于價格高、施工工藝較復(fù)雜等因素，并沒有廣泛應(yīng)用于接地、避雷系統(tǒng)中。

2.3 納米碳接地模塊的優(yōu)、缺點

2.3.1 納米碳接地模塊的優(yōu)點

（1）納米碳接地模塊采用化學(xué)穩(wěn)定非金屬導(dǎo)體材料作為模塊的導(dǎo)電介質(zhì)，其導(dǎo)電性不受季節(jié)影響。

（2）具有吸潮、保潮、保持與土壤有效接觸的性能。接地電阻值低于傳統(tǒng)的接地極（鍍鋅角鋼、鋼管）。

（3）在高土壤電阻率地區(qū)，能有效降低接地網(wǎng)的接地電阻。

（4）耐大工頻和沖擊電流沖擊，電阻穩(wěn)定。

（5）耐腐蝕、無毒、使用壽命長、安裝簡單。

2.3.2 納米碳接地模塊安裝方法自有特點

傳統(tǒng)的接地極（鍍鋅角鋼、鋼管、銅包鋼棒等）在接地極坑挖到一定程度時，可以使用硬物敲擊。納米碳接地模塊不能使用硬物敲擊，如敲擊很可能破壞電極芯及四周的石墨粉和硅酸鹽覆合物，破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響導(dǎo)電效果。所以，必須將接地極坑全部挖到需要的深度，將垂直模塊放入，四周回填細(xì)土或降阻劑，保證接地效果。

2.3.3 納米碳接地模塊的缺點

價格高、體積大、重量大、安裝時不能用硬物敲擊，儲存應(yīng)水平放置在不受外力的環(huán)境中，搬運(yùn)及安裝時要輕拿輕放。

3 施工工藝

（1）垂直接地體的埋設(shè)深度其頂部不應(yīng)小于0.8m。

（2）接地體埋設(shè)位置距建筑物體不宜小于1.5m，遇到垃圾灰渣等埋設(shè)接地體時，應(yīng)埋設(shè)細(xì)土，并分層夯實。

（3）按設(shè)計要求，納米碳扁鋼之間、納米碳扁鋼與接地模塊之間采用焊接方式連接，焊接處焊縫應(yīng)飽滿并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，不得有夾渣、咬肉、裂紋、虛焊、氣孔等缺陷，焊接處的藥皮處理干凈后，刷防腐專用涂料做防腐處理。

（4）用土填滿、搗實，使接地體與土壤緊密接觸。

（5）連接完畢后，應(yīng)及時請質(zhì)檢部門進(jìn)行隱蔽前檢查（檢查內(nèi)容：材質(zhì)、安裝位置、焊接質(zhì)量、材料規(guī)格型號等），經(jīng)檢查符合設(shè)計及施工驗收規(guī)范要求，方可進(jìn)行回填，并在隱蔽記錄上記錄接地電阻搖測數(shù)值。

4 質(zhì)量檢查及控制

（1）嚴(yán)把材料驗收關(guān)。材料的驗收需檢測工程師及監(jiān)理簽字確認(rèn)后才允許進(jìn)入施工現(xiàn)場。避免材料在運(yùn)輸過程中破壞納米碳涂層，應(yīng)輕拿輕放。

（2）接地溝的開挖應(yīng)平整，溝內(nèi)無雜物，避免納米碳材料的納米碳涂層被破壞及受到不必要的機(jī)械應(yīng)力。

（3）納米碳防腐扁鋼與傳統(tǒng)使用的鍍鋅扁鋼、圓鋼安裝方法及驗收標(biāo)準(zhǔn)一致。依據(jù)國標(biāo)《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》GB50169-2006之規(guī)定，扁鋼與扁鋼焊接長度為扁鋼寬度的6倍；扁鋼與圓鋼間的焊接長度為圓鋼直徑的6倍；扁鋼與接地模塊焊接時，因模塊的電極芯已引出，引出線與扁鋼焊接，焊接長度為電極芯直徑的6倍。所有焊接面（至少三面焊接）需去除焊渣后，焊接無夾渣、咬肉等缺陷。在焊接部位外側(cè)100mm范圍內(nèi)涂抹納米碳防腐涂料。

（4）納米碳接地線敷設(shè)完畢上下各鋪設(shè)100mm的細(xì)土，保證接地線與大地良好的接觸，同時也保證良好的導(dǎo)電性能。回填土應(yīng)無雜物，并分層夯實。

（5）接地模塊安裝時，要輕拿輕放垂直安裝，模塊坑應(yīng)大于模塊直徑，深度與模塊長度一致，四周鋪設(shè)細(xì)土并夯實，回填土應(yīng)無雜物碎石等。

（6）在深井接地極四周，配置降阻劑，降阻劑的配比按照生產(chǎn)廠家技術(shù)文件執(zhí)行。降阻劑配置完畢回填細(xì)土。深井接地極上方按照設(shè)計說明配置接地觀測井，在今后的維護(hù)、檢查中，可以隨時對深井接地極及整個接地網(wǎng)進(jìn)行檢測及維護(hù)。

納米碳接地裝置能有效的改善防雷接地系統(tǒng)中耐腐蝕性及導(dǎo)電性的問題，同時有效地提高了接地網(wǎng)的使用壽命，將來會在石油、化工等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1 國標(biāo)《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》GB50169-2006

2 國標(biāo)《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》 GB50303-2002

3 生產(chǎn)廠家技術(shù)文件：青島輝安工程控制有限公司

TE682

B

1672-9323（2014）02-0089-03

2013-07-18)