天然气处理厂接地材质选择探讨-.pdf

8 4 2 0 1 4 年1 0 月 天然气处理厂接地材质选择探讨 甘立勇沈泽明江兵刘海禄 中国石油集 团工程设计有限责任公司西南分公司 ， 四川成都6 1 0 0 4 1 摘 要 合理选 择接地材 质是保 障接 地 系统 可靠性 的关键 因素， 为 了优 化接地 材质的选择 ， 对 比分析 了钢 、 铜两种材质 的接地性 能以及 对其 它埋地金属管线 的影响。在理论 分析和 实际案例的基 础上 ． 提 出天 然 气处理厂 内变电站接地 系统 采用 铜接地 、 其 它 区域采用钢接地 的优 化措 施。该 方法 能有效提 高接地 系统 的可靠性 ， 降低 变电站接 地 电阻值 ， 削弱接地材 质对埋地金 属管缦的影响 ， 具有 良好的稳定性 、 经济性 ， 可以广 泛应用 于天然气处理厂接地 系统设计 中。 关键 词 天然 气处理厂 ； 腐蚀 ； 接地 ； 铜接地 体； 镀 锌扁钢 DO I l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 5 5 3 9 ． 2 0 1 4 ．0 5 ． 0 2 2 0前 言 天然气处理 厂接地 系统是用 于防雷 防静 电接 地 、 工 作接地 和保护接地 的重要设 施 ， 是设备 稳定运行 以及设 备和人员安全的根本保障 。接地系统长期安全稳定运行 的关键 在 于选择 品质 优 良的接地 材料 和各接 地 体可靠 的连接 ． H前 国内外使 用 的接地 材质 主要 有两 种 以美 为代 表的部分 西方 国家 主要采用 铜接地体 ； 包括我 国 内的大多数 国家主要采 用钢接地 体。近年来 ， 国 内电 力行业 大 型变 电站逐 步 引入 了铜接 地 系统并 取 得 了 良 好的运行效 果 I l _冈此 ， 深入探讨 并合理改进 天然气处 删厂接地 系统 十分必要 。 1 接地材质性能分析 1 ． 1 导 电性能及热稳定性 锏 嗣 I 钢 导电性 能及热稳定参数见表 1 。 表 1 铜与钢的导 电及热稳定参数 从农 l 丁 看出 ， 住截面相 同时 ， 铜 电导率是钢 电导率 的 8 倍 ， 铜在短路 时最 高允许温度 比钢高 ， 铜的热稳定性 比钢好 。 1 ． 2耐腐蚀 性 自然界 中 ， 大多数 金属是 以化合态 即离子状 态存在 的 ， 通过炼 制从离 子状 态转 变为原子状 态 但金 属有 回 归 自然状 态 离子状 态 的本性 ， 金 属从原子变 为离 子的 过程就是金属的腐蚀 。 天然气处理 厂接地 系统 中， 腐 蚀 会使接地 网无法 正常工作 ， 并可引 发严 重事故 。例如 电 气故障 时金属设备 外部可 能带 电 ， 威 胁工作人 员人身安 全 或者 在 出现雷 电流时若 不能通过接 地 网及时泻流 ， 强 电流有可能导致设 备故 障 ， 影响生产运行 ． 金 属腐蚀 典型 图见 图 1 ． 图 1 金 属 腐 蚀 典 型 图 接 地体 住 土壤 里发 生 的腐蚀 主要 是化 学脚 蚀 及 电 化 学腐蚀 ， 腐 蚀速度受 材料 固有 特性 、 土壤 电阻率 、 含水 量 、 含氧量 、 酸碱度 、 电解质 、 杂散电流等 因素影 响 ， H种 金 属对不 同的介质有不 同的腐蚀性能 。 收稿 日期 2 0 l 4 0 1 1 6 基金项 目 l } 】 ，f 油天然气集 公 司重点工程资助项 目 S 2 O l 0 1 4E 作者简 介 f j 叨 1 9 8 6 一 ， ， q J I 『 达州人 ， 】 程师 ， 硕 士 ， 主要从事 电气 改计工作 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由于钢 的 自然 电位 较铜低 。 而钢 的化 学性质 比铜 更 活泼 ， 因此 碱性 环境 中钢 的腐蚀速 度 比铜快 为减 少 钢的腐蚀 。 口前通 用的办法 是在钢表 面镀上 电位更低 的 锌 ， 虽 然 对延缓 钢腐 蚀有一 定 作用 ， 但 钢连 接部 位经 过 高温 电弧焊接后镀 锌层将 被破坏 ． 仍 无法解决 钢在 土壤 巾快 速“ 点腐蚀” 的问题 。国 内部分大 型站 场的钢 接地 系 统在碱 性环境 中运 行 1 0 a左 右便会 出现较 严重 的腐蚀 现象 ， 表 现 为接 地 连接点 断 裂 、 部 分设 备引 下线 未 与主 网相连 、 接地扁 钢严重锈 穿等 。腐蚀后 的钢接地 系统 电 阻值部分高达 儿十欧姆 ， 远超过设计值 5 _ 。 在 自身阎有抗 腐蚀特性 上 ， 铜接地 网在碱 性 土壤 中 不存 在上 述腐 蚀现 象 ， 其 表 面附着性 极 强 的氧 化物 铜 绿 会阻 断铜 内部 腐蚀 ， 在碱 性环 境 中铜 的腐蚀 速度 约 为钢 的 1 0 ％～ 2 0 ％ 。 武汉大学 曾于 2 0 0 1 年 1 0月将刷有导 电防腐 涂料的 铁 片 、 镀锌 铁片 、 紫铜 片三种试件 串联 ， 置于 l 0 ％ 浓度 的 硫酸中 ， 用 6 V直流恒定电压进行 了电解腐蚀试验。 在通电 3 h 后 ， i者 电解腐 蚀率分别为 刷有导 电防腐 涂料的铁片 3 4 g ／ m h 、 镀 锌铁片 5 7 5 g ／ m h 、 紫铜片 5 7 1 g ／ m 2 h 。由此 叮 得 出， 在酸性环境 中， 铜 与镀锌铁片的防腐性 能相近 。 通 过以上分析 ， 在碱性土壤 中铜固有 的耐腐蚀性 能优 于钢 ． 而在酸性土壤中铜与镀锌铁片的耐腐蚀性能相近。 2 对埋地金属 管线的影 响 阴极保护 防腐 蚀 牺牲阳极保护 是现行 的防腐技术 I f 1 - - - 项 重要 的措施 ， 原理为 任何金属都有其 固有 的电极 电势 采川 电傲 电势较低的金属作为牺牲 阳极 ， 通过失 去自身电 子， 形成腐蚀 电流 ， 以达到保护 电极 电势高的金 属不被 氧化 的F j 的 牺牲 阳极保护原理 见图 2 。 申． 子 流 图 2牺 牲 阳极 保 护 示 意 图 钢 的 电极 电 势 E 一 0 ． 4 4 7 V，铜 的 电 极 电 势 E 0 ． 3 4 2 V。 若采川铜 接地体 ， 在其附 近存在金 属管线时 ， 一 形 成 电气通路 ， 由于金 属管 线 电势更 低 ， 作 为牺牲 阳极失去 电 子， 而 铜接地 网由于 固有 的高 电势 得到 电子 被保 护 ， 同 2 。若在这种 工况下长期运行 ， 金属管线 将 被严重腐 蚀 ， 对 管道的安 全运行构成 严重威 胁 。即使 公用工 程l8 5 站场 没有强制 电流阴极保 护装置 。 采用 外加 电流保护 金 属管 线 ， 由于铜 接地 网 的存 在 ， 也将 大 幅提高 阴极 保 护 电流 ， 增加设备负担 ， 见 图 3 。 文献 。。详细捕述 了国内某站 场采用 铜 接地 网后对 金属 埋地 管线 及 阴极保 护 没备带 来 的困扰 ， 并在 整改方案 中将 所有铜 接地 网更换 为钢 接 地 网 ．． 图 3金属管线强制阴极电流保护示意图 钢接 地网与 金属管线 电势基本一致 ， 不会 发牛 明显 的电化学腐蚀 反应1 9 q 0 ] 。而 目前接地材 料 中普 遍使 用的 热镀锌 钢材 ， 由于锌 的电极 电势 E 一 0 ． 7 6 2 V， 比铁 更低 ， 对就 近的金属管线能起到阴极保护作用 。 3天然气 处理厂接地材质选择 为便于选择 天然气 处理厂接地 系统材 料 ， 根据 以上 内容 ， 将 钢 、 铜两种材质的性能进行埘 比， 见表 2 ．、 表 2钢与铜的接地性能及经济性对比 鼬陛 秦銎 譬 ， 导 电 性 性 碱 性性 酸 性属 管 线 的定 系7 上 、 质 土壤中 土壤中 影响 数 兀 ’ ， 从表 2可看 出， 铜 的各接地性能 均优 于钢 ， 但 山于铜 固有 电极 电势高 ， 会加速 埋地管线 的腐蚀 。天然气 处理 厂装 置区 中存在 大量埋地 金属管线 ， 国外一些 工程 在使 用铜接 地 网的同时 ， 站场 内采用大 量阴极保 护装骨 及增 设绝缘 接头等措 施 以降低 铜对埋地 金属管线 的影 响 ， 但 附加设备 及工程量都大幅提高 ， 且铜的价格远高 于钢 。 大量使用铜 接地 网时还需考 虑材质对 环境 的影响 ， 全 世界对水 资源 中的铜 含量均有 严格控制 ， 对钢材 中主 要 的铁元 素则没有 规定。 因此 ， 天然气处 理厂接地 系统 不适 合大规模使用铜材 。 变电站作 为整 个天然 气处理 厂的 电力 中枢 ， 当 出现 短 路故障 时 ， 将产 生高达数万安 培 的短路 电流经接 地线 路 流入大地 。根 据 电力行 业 的相 关规定 ⋯。 ， 变 电站接地 期 吖 5 U 第 U 卷 2 3 第 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l l 8 6 l l 2 0 1 4 l O ,q 系统必须满 足热稳定 校验 s ≥ 式 中 为接地线 的最小截 面 ， m m ； 为流过 接地线 的 短路 电流稳定值 ， A， 根 据系统 5 ～ 1 0 a发展规划 ， 按 系统 最大运行方式确定 ； c 为接地材料 的热稳定 系数 ， 根据材 料 的种 类 、 性能及 最高允许温度 和短路前 接地引下 线的 初始温度确定 ； t 为短路的等效持续时间 ， s 。 以上参数 中变电站的 、 t 为确定值 ， 接地材 料热稳 定 系数 c 7 0 ， c 铜 2 1 0 ， 为满足热稳定 校验 ， 变 电站接地 系统采用钢材 时截 面至少 为铜材 的 3 倍 。同时考虑 到电 阻率 的影响 ． 在 满足接地 系统 电阻值 时钢接地 系统 的规 模更远 高于铜接地 系统。 另 一方 面 ，由于 建筑 物 内钢筋 的对地 电位与 铜相 近 ， 对 周边铜 接地 网几乎 不产 生影 响 ， 将 加速 钢 接地 网 的腐 蚀。G B 5 0 0 5 7 2 0 1 0 建筑物 防雷设计 规范 中明确 指出 在敷设 与土壤 中的接地体连接 到混凝 土基 础 内起 基 础接地体作 用 的钢筋 或钢材情况 下 ， 土壤 中的接地体 宜采用铜或镀铜或不锈钢导体 。 通过 以上 分析 ，天然 气 处理 厂接地 系统 宜 主选 钢 材 而变 电站的接地 系统从长期 运行的可靠 性及安全性 考虑 ， 铜 接地系统有明显优势 。 4 应 用案例 在某气 田 l O O x l 0 8 m 3 ／ a 商 品气 产 能建设 工程 中 ， 天 然气处理 厂的接地 系统成功地 将钢 、 铜两 种接地 材质结 合在 了一起 。该工程 建设地 区地 理环境 以沙漠为 主 ， 部 分地表 肉眼能见 白色盐碱 ， 土 壤为强碱性 ， 腐蚀性 较强 ， 接地材质 的选择直接关 系到接地 系统 的安全运行 。 天然气 处理厂是 该工程 的主体部分 ，规模庞 大 ， 占 地 面积 约 0 ． 7 k m 。厂 内设 置 了 1座 2 2 0 k V总 变 电站 ， 8 座 1 0 k V分变 电站。经计算 ， 厂 区中 2 2 0 k V总变 电站接 地装置水平接地 干线 采用 中1 8 m m铜包钢 圆线 ，垂直 接 地采用 2 5 m m、 长度 3 m的铜包钢接地体 。1 0 k V分 变 电站水平接地 干线采 用 1 2 0 m m 铜绞线 ，垂直接地采 用 3 m铜 制防腐等离子接地 体 。水平 接地线埋 深 0 ． 8 m， 接 地极顶 端高出接地干线 0 ． 1 i n ， 接地体联接处采用 放热熔 接方式 。 除变电站外其余场所水平接地干线采用 5 0 m in x 5 m m镀锌扁 钢 ，在地 下焊接处 增刷沥 青 以起 到保 护作 用 垂 直接地体 采用 L 5 0 m mx 5 m m x 2 5 0 0 m m 的镀 锌角 钢。铜 与钢两种接地 网通过 变电站 四周设 置的接地检测 井连接为一个整体 ， 见 图 4 。 在接地检 测井 内 ， 铜 材与钢材采 用接线 端子及 螺栓 与接地端子板相连 ， 接地检测井见 图 5 。由于两种接地 网 l 、 臣口 0 匹口 0 k 臣口 臣D 匹 0 匝 ∞ ≥ _ ≤ 。 q I D ≥ _ ≤ 。 q D ～ ● L J ， 加 匕 ]口D J 1． D k a ， D q D L L ● _ 可 1 天然气处理厂装置区 ● 邪 k 厘 l 目 k 疆 一 丑 一 胃 - L E I k E I J l‘ ～ L ● - _ ‘ ≥ L _ _ - ● ‘ k - ≥ I L● I ∞ k ∞ 接 地检 查井一 一5 0mm x 5mm 热镀锌 扁钢 ～ ～一 ⋯ 1 2 0mm 铜 绞线 图 4处理厂接地系统示意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 连 接点 位于地 面 以上 ， 不存 在 电解 质 ， 能最 大 程度 消 除 不 同材 质 间的腐蚀 现象 ； 另 一方 面 ， 施 工 在接 地线 安装 完 成后 ， 通过 对接 地端 子板 采取增 刷 黄油 ， 用 塑料 胶带 扎紧等 防护措施 ， 增强其抗腐蚀性 。 图 5接地检测井 该 工程 中通过钢 、铜两种接 地材质 的合理 使用 ， 避 免了接地 网埋地金 属管线腐蚀 ， 提高 了电力 中枢变 电站 的接地 可靠性 ， 对 整个天然气 处理 厂的长期安 全运行具 有重要意义 。 5 结论 a 在碱性环境 中 ， 铜 的接地性 能及耐腐蚀 性均优 于 钢 ， 酸性环境 中二者耐腐蚀性相 近。 b 铜 的固有 电极 电势 比钢更高 ， 将加 速附近埋地 金 属管线腐蚀 ， 且价格远高 于钢材 。 c 天然气处 理厂 中装置 区存 在大量埋地 金属管线 ， 不宜使 用铜接地 系统 。而变 电站规模较 小 ， 周 围埋地 金 属管线 较 少 ， 且 对接 地 的可靠性 要求 较 高 ， 更 适 合使 用 铜接地系统 。 参考文献 [ 1 ]卫银忠 ， 宁玉 宝． 铜接地 网在 变电所 中的应用 [ _ 1 ] ． 华 东电力 ， 2 0 0 5， 3 3 6 6 5 6 8 ． W e i Yi n z ho ng．Ni n g Yu ba o．Ap pl i c a tio n o f Co ppe r Gr ou nd i n g Ne t w o r k i n S u b s t a t i o n U] ． E a s t C h i n a E l e c t r i c P o w e r ， 2 0 0 5， 3 3 6 6 5 -6 8 ． [ 2 ] 邓 华，郑曲直． 昆明供 电局 2 2 0k V普 吉变电站接地 网改 造[ J ] ． 云南电力技术， 2 0 0 4 ， 3 2 1 4 5 4 7 ． De n g Hu a ， Z h e n g Qu z h i ． Re t r o fi t o f 2 2 0 k V j i p u S u b s t a ti o n Gr o u n di n g Ne t wo r k i n Ku n mi n g P o we r S u p p l y B u r e a u[ J ] ． 第 3 2卷 第 5期 U T I L l T Y 公用工程 Yu n n a nE l e c t ri c P o we r ， 2 0 0 4， 3 2 1 4 5 4 7 ． [ 3 ] 杨 道武 ， 朱 志平 ， 周琼花． 电化 学与 电力设备 的腐蚀 与 防护 [ M] ． 北京 中国电力 出版社． 2 0 0 4 ． Ya n g Da o wu ， Z h u Z h i p i n g ， Z h o u Qi o n g h u a ． Co r r o s i o n a n d P r o t e c ti o n o f E l e c t r o c h e mi c a l a n d E l e c t r i c a l E q u i p me n t[ M] ． B e ij i n g C hin a E l e c t ri c P o we r P r e s s ． 2 0 0 4 ． [ 4 ] 徐 重力 ， 李 勇， 王 小强 ， 等． 5 0 0 k V杭 东变铜接 地 网的施 工U] ． 浙江电力， 2 0 0 0 ， 1 9 2 6 4 6 5 ． Xu Zho ng l i ，Li Yon g，W a ng Xi a oq i a n g，e t a1．Co ns t m c fio n o f t he Cop pe r Gr o un d Ne t t i ng f o r 5 0 0 k V Han g do ng Tr a n s f or me r S u b s t a t i o n[ J ] ． Z h i a n g E l e c t ri c P o we r ， 2 0 0 0 ， 1 9 2 6 4 6 5 ． [ 5 ]陈岳定 ， 陈超 杰 ， 郑 东润 ， 等 ． 上 海地 区变电站接 地 网改造 【 J ] ． 华东电力， 2 0 0 4 ， 3 2 3 3 6 3 8 ． C h e n Y u e d i n g ， C h e n C h a o j i e ， Z h e n g Do n g r u n ， e t a 1 ． Re t r o fi t o f S u b s t a t i o n G r o u n d i n g Ne t w o r k i n S h a n g h A r e a U] ． E a s t C h i n a E l e c t ri c P o we r ， 2 0 0 4 ， 3 2 3 3 6 3 8 ． [ 6 ]刘兴 华． 变 电站 铜材 接地 网 的应 用 效果分 析 [ J ] ． 供 用 电 ， 2 0 0 8 ， 2 5 2 3 4 3 6 ． L i u Xi ng hu a ．An a lys i s on Ap pl i c a tio n Effe c t of S ub s tio n G r o u n d i n g Ne t wo r k wi t h Co p p e r Ma t e ri a l D] ． Di s t ri b u ti o n Uti l i z a ti o n， 2 0 0 8， 2 5 2 3 4 -3 6 ． [ 7 ]胡士信 ， 孟宪级 ， 徐快 ， 等． 阴极保护 工程 手册 [ M] ． 北京 化 学 工 业 出版 社 ． 1 9 9 9 ． Hu S h i x i n ， Me n g xi j i ， Xu K u a i ， e t a 1 ． C a t h o d i c P p r o t e c ti o n Ma n u al[ M ] ． B e ij i n g Ch e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ． 1 9 9 9 ． [ 8 ]葛艾天 ， 刘 权 ， 陈 国桥． 铜接地 系统对输 油气站 场埋地 管 道 影响 [ J ] ． 天然气与石 油， 2 0 1 0 ， 2 8 2 1 5 1 7 ． Ge Ai ti a n ，L i u Qu a n ，C h e n G u o q i a o ． I n fl u e n c e o f Co p p e r Gr o un ding S ys t e m on Burie d Pi p e l i n e o f Oi l a nd Na t u r a l Ga s S t a t i o n[ J ] ． Na t u r al G a s a n d Oi l ， 2 0 1 0 ， 2 8 2 1 5 1 7 ． [ 9 ]张珂 ， 史国福 ， 宁尚锋 ， 等． 钢质套 管对埋地 管道 阴极 保护 的影响D] ． 腐蚀与防护， 2 0 0 7 ， 2 8 1 1 5 8 0 5 8 2 ． Zha ng Ke，S h i Guo f u，Ni ng S ha n g f e n g，e t a 1 ．I nfl ue nc e o f S t e e l Ca s i n g o n C a tho d i c P r o t e c t i o n o f B u ri e d P i p e l i n e U] ． Co r r o s i o nPr o t e c ti o n， 2 0 0 7， 2 8 1 1 5 8 0 - 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