大型LNG儲罐工程接地材料的選用分析

董洪穩 曲 超 秦丕偉 金 劍 黃 洲

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461

0 前言

接地網長期處于高鹽、腐蝕土壤環境中,化學腐蝕與電化學腐蝕不可避免[6-8],同時還有地網散流和雜散電流的腐蝕,其中電化學腐蝕是致使接地網損壞的關鍵因素[9-11]。由于各工程的地質、氣候、施工工藝及設計壽命不同,若光依靠以往項目經驗,會造成選材不當、過度設計等問題。因此制定經濟合理的接地材料選用方案,可提升設計人員的能力和效率,增強技術和成本優勢,保障大型LNG儲罐工程安全可靠運行。

1 接地材料性能分析

不銹鋼或純銅價格較高,且處在含硫化物和高氯化物土壤環境中其腐蝕速率會增加,LNG儲罐工程采用最多的接地材料可分為三種:銅覆鋼復合材料、鋅覆鋼復合材料和非金屬接地模塊。土壤電阻率、類別、含鹽量、酸堿度和含水量等因素會導致鋼材質接地導體(線)及接地極的腐蝕,現分析三種材料在土壤中的抗腐蝕性能,并綜合考慮土壤污染、施工成本、陰極保護系統及土壤中其他金屬設備等影響因素。

1.1 銅覆鋼復合材料

經考察,根據目前不同加工工藝,銅覆鋼復合材料主要分為電鍍銅覆鋼復合材料和連鑄銅覆鋼復合材料。電鍍銅覆鋼復合材料經碳素鋼電鍍覆蓋電解銅,形成平均厚度0.25 mm的銅層。鋼材表面化學酸洗產生大量廢液,其生產過程能耗高,重金屬銅離子對土壤污染嚴重,國家目前已對電鍍銅覆鋼復合材料進行限制,集中整合定點生產。

連鑄銅覆鋼復合材料經連鑄法在鋼材表面附著熱熔銅材料,銅層厚度0.25～0.8 mm。相同環境下,銅的腐蝕速率較鋅的腐蝕速率低且導電性強,但酸性土壤會促使銅層腐蝕[12-13],應加厚銅層提高抗腐蝕年限,以提高耐受接地短路電流和雷電沖擊的能力[14]。圖1為南方沿海某項目落成9年后,直徑為Φ12、層厚0.25 mm銅覆鋼復合材料的腐蝕情況,已不滿足使用條件,需要維護替換。經調研,加厚銅層將提高生產工藝難度,厚度超過0.8 mm時價格與純銅材料持平,從經濟性角度來看，銅覆鋼復合材料在酸性土壤中的應用應酌情考慮。

圖1 南方沿海某項目銅覆鋼復合材料腐蝕情況照片Fig.1 Corrosion of copper-clad steel materials

1.2 鋅覆鋼復合材料

根據不同加工工藝,鋅覆鋼復合材料分為鍍鋅鋼復合材料和連鑄鋅覆鋼復合材料。鍍鋅鋼復合材料鋅層厚度平均值僅0.05 mm,且熱鍍生產過程中鋅層不易均勻,難以滿足含高氯化物土壤的抗腐蝕性要求,GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》中規定沿海地區土壤中不宜使用鍍鋅鋼復合材料。另外在運輸、施工中極易被局部破壞,產生點蝕腐蝕效應,降低耐腐蝕能力。

連鑄鋅覆鋼復合材料經連鑄工藝,將熱熔純鋅鑄到低碳鋼上,形成厚度3 mm以上的鋅層,適用于大部分土壤環境[15],且電氣性能穩定。鋅的腐蝕速率高于銅,大多覆層較厚。

1.3 非金屬接地模塊

非金屬接地模塊主要由石墨等炭類非金屬材導電料組成[16],可使接地體面積加大,降低周圍土壤和接地體之間的接觸電阻,提高疏散電流的能力。非金屬接地模塊中的非金屬導電材料不會被腐蝕,模塊中金屬引線應增強防腐，避免脫離主接地網,需與接地網連接,施工過程增加了焊接點,且運輸及施工時易損、土方開挖量大。

沿海土壤電阻率較低,容易達到GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》(以下簡稱“GB/T 50065-2011”)要求的接地電阻限值,在沿海LNG儲罐工程中不推薦應用，但在山地、坡地及其他高土壤電阻率地區的工程中應用優勢顯著。

1.4 金屬材料對陰極保護的影響

銅、鐵金屬標準電極電位差為0.79 V[17],LNG儲罐工程設置大量輸送管道、設備容器及鋼結構,若敷設銅質接地材料,將會產生電偶腐蝕,加快腐蝕相鄰管道、設備容器及鋼結構。GB 50650-2011《石油化工裝置防雷設計規范》(以下簡稱“GB 50650-2011”)中第6.3.2條規定“埋于土壤中的人工接地體通常宜采用熱鍍鋅角鋼、鋼管、圓鋼或扁鋼。”

另外,SY/T 0088-2016《鋼質儲罐罐底外壁陰極保護技術標準》第3.0.5條規定“儲罐的接地極不應使用比罐體電極電位更正的材料。”當存在陰極保護系統時,銅覆鋼復合材料的接地將會導致陰極保護電流流失嚴重[18-19]。使用銅質材料時,陰極保護應采用外加電流法。鋅電極電位與陰極保護的陽極電極電位接近,不影響陰極保護效果。

1.5 材質選擇

綜合考慮接地材料性能、經濟性,大型變電站、升壓站、電廠等工程項目的工作接地,接地材料使用導電性更優的銅覆鋼復合材料或純銅材料更適合。油氣、石化工程推薦采用鋅覆鋼復合材料,使用銅質材料特別是存在陰極保護系統時,必須遵循規范要求,并應根據腐蝕速率考慮經濟性。國家對長江等內河流域環保要求不斷加強,對頁巖氣開發不斷深入,內河LNG儲罐及內陸頁巖氣液化工程建設將會興起,在高電阻率地區非金屬接地模塊也將應用得更多。

2 接地材料應用及計算

行業內連鑄型復合鋼材料主要為圓鋼,主要受限于目前連鑄生產工藝。接地導體(線)和接地極材質和相應截面的選擇,應計入設計年限內土壤對其的腐蝕,并應通過熱穩定校驗[20]。

2.1 腐蝕速率測試原理

GB/T 50065-2011中給出了土壤電阻率50～300 Ω·m和>300 Ω·m兩類土壤中的腐蝕速率參考值,沿海地區低土壤電阻率多集中在20 Ω·m以下,實際工程中可通過采集接地層土壤,委托檢測機構對接地材料進行電化學加速腐蝕試驗,利用塔菲爾(Tafel)外推法[21]測得接地材料在土壤中的極化曲線,見圖2。

圖2 Tafel外推法極化曲線圖Fig.2 Tafel extrapolation polarization curve

利用Tafel外推法確定腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流密度icorr,進而估算出年腐蝕速率平均值,腐蝕速率與Ecorr成反比,與icorr成正比,icorr與腐蝕速率vcorr換算關系如下式:

icorr=vcorr(A/n)/373

(1)

式中:A為原子量;n為離子電荷;icorr為腐蝕電流密度，mA/cm2;vcorr為腐蝕速率，mm/a。

檢測不同低電阻率樣品土壤介質的腐蝕速率,結果見表1。

表1 腐蝕速率測試結果表

2.2 覆層厚度

復合材料先腐蝕覆層,覆層應有足夠的厚度。覆層厚度不應小于設計年限與腐蝕速率的乘積,且導體截面應通過熱穩定校驗。

土壤腐蝕性與土壤電阻率有直接關系,隨土壤電阻率的升高,土壤腐蝕性變弱。GB 50650-2011和DL/T 1457-2015《電力工程接地用鋅包鋼技術條件》列出三種鋅層厚度,見表2。

表2 土壤電阻率與鋅層厚度關系表

2.3 熱穩定校驗

計入腐蝕影響后,在有效接地系統及低電阻接地系統中,接地導體(線)的最小截面應符合式(2)的要求,并應對各電壓等級分別按對應電壓的最大短路電流進行校驗;雷電沖擊電流耐受能力的檢測,可在出廠檢驗或檢測機構進行。

(2)

式中:Sg為接地導體(線)最小截面,mm2;Ig為流過接地導體(線)的最大接地故障不對稱電流有效值,按工程設計水平年系統最大運行方式確定，A;te為接地故障等效持續時間等于保護動作時間與斷路器開斷時間之和，s;C為接地導體(線)材料的熱穩定系數,根據材料的種類、性能及最大允許溫度和接地故障前接地導體(線)的初始溫度確定。

2.4 接地模塊用量計算

根據地網所處土層的土壤電阻率,非金屬接地模塊用量可用以下方法計算。

水平埋置,單個模塊接地電阻計算公式:

(3)

并聯后總接地電阻計算公式:

Rnj=Rj/nη

(4)

式中:ρ為土壤電阻率,Ω/m;a、b為接地模塊的長、寬,m;Rj為單個模塊接地電阻,Ω;Rnj為總接地電阻,Ω;n為接地模塊個數;η為模塊調整系數,一般取0.6～0.9。

根據土壤電阻率及規格參數,可通過式(3)～(4)計算出接地模塊數量。

3 工程實例應用

某大型LNG儲罐工程位于沿海港區,其功能是接卸遠洋LNG運輸船,并在LNG儲罐內儲存LNG,LNG汽化后通過輸氣干線供下游用戶。氣候地質條件中年平均雷暴日為40 d,屬于強雷區,土壤呈酸性;儲罐區共有2座16×104m3LNG儲罐,儲罐高55 m,罐頂半徑43 m;部分管網及鋼構設有陰極保護。

3.1 腐蝕速率檢測

儲罐區接地層土壤電阻率16 Ω·m,利用tafel外推法估算對銅覆鋼復合材料和鋅覆鋼復合材料的腐蝕速率,經檢測得到接地材料腐蝕速率,見表3。

表3 接地材料腐蝕速率表

3.2 覆層厚度計算

土壤層按均勻土壤考慮,工程設計使用年限為50 a。

銅層腐蝕總量為0.013×50=0.65 mm,常規厚度 0.254 mm 的銅覆鋼復合材料無法滿足,應加厚0.4 mm。

鋅層腐蝕總量為0.043×50=2.15 mm,可采用常規厚度3 mm的鋅覆鋼復合材料。

3.3 熱穩定確定截面

本工程設有110/10 kV變電所,變壓器采用YNd 11接線,保護動作時間為0.5 s,斷路器開斷時間為0.15 s,110 kV側單相最大接地故障不對稱電流有效值取10 kA。可根據式(2)計算出所需最小截面為120 mm2，換算出直徑為12.4 mm。

計入腐蝕量影響后可就近選直徑16 mm標準規格接地材料。

3.4 接地材料選擇

經詢價,0.4 mm厚銅覆鋼復合材料Φ16接地圓線價格比3 mm厚鋅覆鋼復合材料Φ16接地圓線價格高30%,同時考慮對陰極保護系統的影響,選定采用3 mm厚鋅覆鋼復合材料Φ16接地圓線作為接地導體。

3.5 儲罐接地敷設

儲罐接地裝置采用B型接地裝置,有利于雷電流的地下泄放和防止跨步電壓。接地裝置由水平接地體和垂直接地體組成,見圖3。

圖3 儲罐接地平面圖Fig.3 Grounding plan of storage tank

3.6 接地電阻計算

根據土壤層深、電阻率及接地導體根數、長度,通過軟件分別計算垂直、水平接地體接地阻值,并得出接地網總接地阻值,見圖4。

圖4 接地網接地阻值計算Fig.4 Calculation of grounding grid resistance

后期現場測試接地電阻0.39 Ω(小于1 Ω),滿足規范要求,可不補加非金屬接地模塊;測試結果小于軟件計算的主要原因是由于各層垂直、水平土壤電阻率不均勻,以及接地導體設計長度余量,計算參數設定偏大。

4 結論

海運方式的重要地位決定了大型LNG儲罐項目多處于沿海地區,高鹽、強腐蝕土壤環境中接地材料選用是工程接地設計研究的重點和難點。本文結合環保及成本等因素對三種接地材料性能及特點進行分析,油氣、石化類項目的接地保護材料,尤其是在酸性土壤中存在陰極保護時,推薦采用鋅覆鋼復合材料;銅覆鋼復合材料在酸性土壤中應酌情使用并應考慮對其他金屬構建的影響。介紹腐蝕速率測試方法和非金屬接地模塊用量計算方法,結合工程實例提出接地材料截面確定的方法。本文為日益增加的LNG行業工程設計研究提供參考,對解決大型LNG儲罐項目接地材料選用問題具有指導作用。