铜包钢接地材料在石化行业的应用分析 

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铜包钢接地材料在石化行业的应用分析
接地是确保电力系统和电气设备安全运行,确保运行人员人身安全的重要措施,石化行业接地包括工作( 系统) 接地、保护接地、防雷防静电接地和阴极保护接地。近年来,随着石油化工厂规模扩大,其用电容量增加、电压等级提高,因接地网腐蚀而引发的运行和安全事故时有发生。
 
但接地装置作为隐蔽工程的一部分,目前除了开挖检查以外,尚不能做到对埋设于地下的接地材料实际腐蚀情况进行准确调查,在对已运行工艺装置进行年度例检中只能测量接地电阻,对接地材料的截面缺少全面评价措施,导致相关人员对接地材料腐蚀问题认识不足。
 
长期以来石化行业主要以镀锌钢作为接地材料,由于碳钢在土壤中发生腐蚀的速率较大,且镀锌层对接地网的保护有限,因此工程设计人员一直在探索寻找新型抗腐蚀接地材料,部分工厂开始尝试采用铜包钢接地材料代替镀锌钢,但使用过程中存在着一定的盲目性。
 
1、铜包钢材料生产工艺和产品结构
 
铜包钢接地材料是采用机械包覆或连铸法将黄铜材料附着在钢材外部制作而成 。其中黄铜是铜锌二元合金,黄铜根据含锌量不同分为单相黄铜和双相黄铜,前者含锌量小于35%时,锌能溶于铜内形成单相α,故称单相黄铜,该材料适合于冷变形加工; 当含锌量为36% ~46%时,锌溶于铜内既有单相α,又有以铜锌为基的β 固溶体,称双相黄铜,β 相使黄铜塑性减小而抗拉强度上升,适用于热变形加工,铜包钢接地材料生产就是采用热加工方式。因为铜的熔点为1 083 ℃,锌的熔点是419. 53 ℃,加工过程中黄铜热压设备温度不足1 000 ℃,因此铜包钢对外层铜材料的金相组织控制无相应措施,这种加工方式也决定了铜包钢材料存在铜材料与内部钢芯分层,铜材料仅仅是附着在钢材表面,铜材料与内部钢芯之间存在电化学腐蚀的风险。
 
铜包钢材料的腐蚀主要是两方面:
 
1) 外层铜材料的腐蚀
 
从前面的介绍可以看出,铜包钢外层使用的黄铜材料是铜锌合金,研究表明: 锌在黄铜中属于不稳定状态。铜锌合金Cu-Zn-0. 5Si-1. 5Mg-2. 0Al 的腐蚀速率是41. 916 6 g / ( m2·h) ,腐蚀深度为265 μm[1]; 黄铜在脱锌腐蚀中发生Cu→Cu + + e,在地下富氧态下,产生Cu + +O2→2Cu2O +4Cu2 + 的反应,这种反应在腐蚀土壤环境中还会加剧,因为土壤中存在Cl - ,部分Cu2O 随即形成不稳定的CuCl,加快铜离子在土壤环境中扩散。已使用的铜包钢接地材料在腐蚀后出现蜂窝状腐蚀孔与上述反应机理和描述状况相符。
 
2) 铜材料与内部钢芯之间的电化学腐蚀
 
在使用铜包钢接地材料的过程中发现,土壤中埋设一段时间的铜包钢会出现绿色和黄褐色附着物,并且部分区段黄铜材料包覆的内部钢芯会腐蚀断裂和出现空心现象。一方面是因为表面黄铜腐蚀形成绿色附着物,另一方面黄铜腐蚀后产生的Cu2O 在石油化工厂潮湿污染的土壤环境下进一步反应,其形成的铜离子( 电位+0. 34V) ,锌离子( 电位-0. 76V) 、钢芯铁离子( 电位-0. 44V) 三者作用的电化学腐蚀,腐蚀速率远远高于纯铜材料的析氧腐蚀。正是由于铜包钢材料的腐蚀问题, 《雷电防护第3 部分: 建筑物的物理损坏和生命危险》( GB /T 21714. 3-2015( IEC 62305-3: 2010,IDT) )附录E. 5. 6. 2 关于雷电防护系统( LPS) 材料的选择中提到“应避免不同材料之间相互连接,否则,应采取防腐蚀措施。除非铜材部件采取了防腐蚀措施,否则,在任何其他情况下,不能安装在镀锌材、铝材的上面。即使铜和镀锌部件非直接接触,铜材中的细小微粒对镀锌部件也会造成严重的腐蚀性损害。”可见采用铜包钢工艺制作接地材料本身就存在着局限性。
 
3、铜包钢接地材料在石化行业工程应用中存在的问题
 
由于石油化工厂环境污染比较严重,这使得铜包钢接地材料更易腐蚀,图2 反映的是某化工厂铜包钢接地线暴露在空气中1 年的腐蚀情况。由于铜锌铁三者之间的电化学反应,已经导致接地线出现穿透性点腐蚀状况; 若敷设在污染的酸性土质中,土壤中的Cl -、SO2 -4还将加速这一过程,造成接地线横截面减小,无法承受雷电冲击或短路事故形成的大电流,一旦接地网烧毁,地电位升高,高电位将引至二次回路造成电气设备烧毁,并可能危及人身安全。因此《石油化工装置防雷设计规范》( GB 50650-2011) 第6. 3. 2 条规定“埋于土壤中的人工接地体通常宜采用热镀锌角钢、钢管、圆钢或扁钢。区域内人工接地体的材料宜采用同一材质”,从规范的角度限制了铜包钢材料在石油化工装置防雷接地中的应用。
 
除石油化工厂外,输油气站场的接地也是研究关注的重点。输油气站场建设有大量钢结构和地下管道,由于铜与铁之间存在0. 78 V 的电位差,若地下接地网敷设采用铜包钢接地材料,会出现接地线相邻管道和钢结构加速腐蚀。以某站场为例,2005 年初投产时使用了大量14 和12铜包钢及少量镀锌扁钢等接地材料,尽管考虑到铜包钢的负作用,投产不久便将铜包钢材料更换成了镀锌扁钢,但2007 年下半年仍出现了两处经防腐处理的地下管道穿孔,后经调查,原因为站场内铜包钢材料未能完全拆除。铜在中性土壤中的自腐蚀电位约为- 0. 2Vcse,电偶序中正于钢质结构,与钢质管道或镀锌扁钢等金属材料电连接形成电偶腐蚀电池,从而引起站内埋地金属结构自腐蚀电位正向偏移,导致埋地管道自腐蚀电位异常; 整改结束后,站内自然电位提高到- 0. 8 ~-1. 0 Vcse,自然电位恢复正常,因此对于安全要求较高的长输、高压油气站场应禁止铜包钢接地材料。
 
除上述问题以外,铜包钢接地材料在使用过程中还存在以下弊端:
 
1) 铜包钢接地材料的施工问题
 
接地装置有三个重要指标: 接地电阻、热稳定性能和使用寿命,这三项指标均与接地材料的施工质量紧密相关,铜包钢接地材料采用热熔焊形式焊接,焊点是否完好是接地施工质量的关键。
 
热熔焊是通过引燃焊剂,焊剂发生氧化还原反应放出大量热量,待填充金属在模具腔体里冷却形成接头,焊接头主要是铜材料接头,它将两段铜包钢材料的外层铜材料粘结成一体( 见图3) ,但内部钢芯并未进行金属的“再冶炼”,因此在
 
使用中焊接处易出现腐蚀开裂现象,从而导致接地电阻的升高,这样一来接地材料在填埋前检查焊接头处的机械强度和焊接头杂质与气孔数量变得至关重要。
 
图3 铜包钢接地材料的焊接和焊接头
 
另外,铜包钢接地材料在施工过程中不可避免地会受到建筑材料和施工设备的应力损伤,且破损后不能修复,加剧了接地材料自身的电化学腐蚀速度。因此铜包钢接地材料施工、保管工作量大。
 
2) 铜包钢接地材料的环保性差
 
敷设在地下的铜包钢接地材料腐蚀产生的铜离子对土壤、地下水及周边环境产生重金属污染。
 
4结语
 
接地是一项关系到设备及人身安全的大事,铜包钢作为一种新型接地材料有其自身的特点和适应性,通过研究铜包钢材料生产工艺、产品结构、腐蚀机理,结合铜包钢接地材料在石化工程中的应用实践,建议铜包钢接地材料在石化行业应慎用。