董洪穩(wěn) 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(wǎng)長期處于高鹽、腐蝕土壤環(huán)境中,化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕不可避免[6-8],同時還有地網(wǎng)散流和雜散電流的腐蝕,其中電化學(xué)腐蝕是致使接地網(wǎng)損壞的關(guān)鍵因素[9-11]。由于各工程的地質(zhì)、氣候、施工工藝及設(shè)計(jì)壽命不同,若光依靠以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),會造成選材不當(dāng)、過度設(shè)計(jì)等問題。因此制定經(jīng)濟(jì)合理的接地材料選用方案,可提升設(shè)計(jì)人員的能力和效率,增強(qiáng)技術(shù)和成本優(yōu)勢,保障大型LNG儲罐工程安全可靠運(yùn)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(huán)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(fù)合材料、鋅覆鋼復(fù)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(dǎo)致鋼材質(zhì)接地導(dǎo)體(線)及接地極的腐蝕,現(xiàn)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(hù)系統(tǒng)及土壤中其他金屬設(shè)備等影響因素。

1.1 銅覆鋼復(fù)合材料

經(jīng)考察,根據(jù)目前不同加工工藝,銅覆鋼復(fù)合材料主要分為電鍍銅覆鋼復(fù)合材料和連鑄銅覆鋼復(fù)合材料。電鍍銅覆鋼復(fù)合材料經(jīng)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(xué)酸洗產(chǎn)生大量廢液,其生產(chǎn)過程能耗高,重金屬銅離子對土壤污染嚴(yán)重,國家目前已對電鍍銅覆鋼復(fù)合材料進(jìn)行限制,集中整合定點(diǎn)生產(chǎn)。

連鑄銅覆鋼復(fù)合材料經(jīng)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(huán)境下,銅的腐蝕速率較鋅的腐蝕速率低且導(dǎo)電性強(qiáng),但酸性土壤會促使銅層腐蝕[12-13],應(yīng)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(xiàng)目落成9年后,直徑為Φ12、層厚0.25 mm銅覆鋼復(fù)合材料的腐蝕情況,已不滿足使用條件,需要維護(hù)替換。經(jīng)調(diào)研,加厚銅層將提高生產(chǎn)工藝難度,厚度超過0.8 mm時價格與純銅材料持平,從經(jīng)濟(jì)性角度來看，銅覆鋼復(fù)合材料在酸性土壤中的應(yīng)用應(yīng)酌情考慮。

圖1 南方沿海某項(xiàng)目銅覆鋼復(fù)合材料腐蝕情況照片F(xiàn)ig.1 Corrosion of copper-clad steel materials

1.2 鋅覆鋼復(fù)合材料

根據(jù)不同加工工藝,鋅覆鋼復(fù)合材料分為鍍鋅鋼復(fù)合材料和連鑄鋅覆鋼復(fù)合材料。鍍鋅鋼復(fù)合材料鋅層厚度平均值僅0.05 mm,且熱鍍生產(chǎn)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(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定沿海地區(qū)土壤中不宜使用鍍鋅鋼復(fù)合材料。另外在運(yùn)輸、施工中極易被局部破壞,產(chǎn)生點(diǎn)蝕腐蝕效應(yīng),降低耐腐蝕能力。

連鑄鋅覆鋼復(fù)合材料經(jīng)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(huán)境[15],且電氣性能穩(wěn)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(dǎo)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(dǎo)電材料不會被腐蝕,模塊中金屬引線應(yīng)增強(qiáng)防腐，避免脫離主接地網(wǎng),需與接地網(wǎng)連接,施工過程增加了焊接點(diǎn),且運(yùn)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(dá)到GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)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(yīng)用，但在山地、坡地及其他高土壤電阻率地區(qū)的工程中應(yīng)用優(yōu)勢顯著。

1.4 金屬材料對陰極保護(hù)的影響

銅、鐵金屬標(biāo)準(zhǔn)電極電位差為0.79 V[17],LNG儲罐工程設(shè)置大量輸送管道、設(shè)備容器及鋼結(jié)構(gòu),若敷設(shè)銅質(zhì)接地材料,將會產(chǎn)生電偶腐蝕,加快腐蝕相鄰管道、設(shè)備容器及鋼結(jié)構(gòu)。GB 50650-2011《石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“GB 50650-2011”)中第6.3.2條規(guī)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?！?/p>

另外,SY/T 0088-2016《鋼質(zhì)儲罐罐底外壁陰極保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第3.0.5條規(guī)定“儲罐的接地極不應(yīng)使用比罐體電極電位更正的材料。”當(dāng)存在陰極保護(hù)系統(tǒng)時,銅覆鋼復(fù)合材料的接地將會導(dǎo)致陰極保護(hù)電流流失嚴(yán)重[18-19]。使用銅質(zhì)材料時,陰極保護(hù)應(yīng)采用外加電流法。鋅電極電位與陰極保護(hù)的陽極電極電位接近,不影響陰極保護(hù)效果。

1.5 材質(zhì)選擇

綜合考慮接地材料性能、經(jīng)濟(jì)性,大型變電站、升壓站、電廠等工程項(xiàng)目的工作接地,接地材料使用導(dǎo)電性更優(yōu)的銅覆鋼復(fù)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(fù)合材料,使用銅質(zhì)材料特別是存在陰極保護(hù)系統(tǒng)時,必須遵循規(guī)范要求,并應(yīng)根據(jù)腐蝕速率考慮經(jīng)濟(jì)性。國家對長江等內(nèi)河流域環(huán)保要求不斷加強(qiáng),對頁巖氣開發(fā)不斷深入,內(nèi)河LNG儲罐及內(nèi)陸頁巖氣液化工程建設(shè)將會興起,在高電阻率地區(qū)非金屬接地模塊也將應(yīng)用得更多。

2 接地材料應(yīng)用及計(jì)算

行業(yè)內(nèi)連鑄型復(fù)合鋼材料主要為圓鋼,主要受限于目前連鑄生產(chǎn)工藝。接地導(dǎo)體(線)和接地極材質(zhì)和相應(yīng)截面的選擇,應(yīng)計(jì)入設(shè)計(jì)年限內(nèi)土壤對其的腐蝕,并應(yīng)通過熱穩(wěn)定校驗(yàn)[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(qū)低土壤電阻率多集中在20 Ω·m以下,實(shí)際工程中可通過采集接地層土壤,委托檢測機(jī)構(gòu)對接地材料進(jìn)行電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn),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(jìn)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(guān)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(zhì)的腐蝕速率,結(jié)果見表1。

表1 腐蝕速率測試結(jié)果表

2.2 覆層厚度

復(fù)合材料先腐蝕覆層,覆層應(yīng)有足夠的厚度。覆層厚度不應(yīng)小于設(shè)計(jì)年限與腐蝕速率的乘積,且導(dǎo)體截面應(yīng)通過熱穩(wěn)定校驗(yàn)。

土壤腐蝕性與土壤電阻率有直接關(guān)系,隨土壤電阻率的升高,土壤腐蝕性變?nèi)?。GB 50650-2011和DL/T 1457-2015《電力工程接地用鋅包鋼技術(shù)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(guān)系表

2.3 熱穩(wěn)定校驗(yàn)

計(jì)入腐蝕影響后,在有效接地系統(tǒng)及低電阻接地系統(tǒng)中,接地導(dǎo)體(線)的最小截面應(yīng)符合式(2)的要求,并應(yīng)對各電壓等級分別按對應(yīng)電壓的最大短路電流進(jìn)行校驗(yàn);雷電沖擊電流耐受能力的檢測,可在出廠檢驗(yàn)或檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行。

(2)

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

2.4 接地模塊用量計(jì)算

根據(jù)地網(wǎng)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(jì)算。

水平埋置,單個模塊接地電阻計(jì)算公式:

(3)

并聯(lián)后總接地電阻計(jì)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(shù);η為模塊調(diào)整系數(shù),一般取0.6～0.9。

根據(jù)土壤電阻率及規(guī)格參數(shù),可通過式(3)～(4)計(jì)算出接地模塊數(shù)量。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

某大型LNG儲罐工程位于沿海港區(qū),其功能是接卸遠(yuǎn)洋LNG運(yùn)輸船,并在LNG儲罐內(nèi)儲存LNG,LNG汽化后通過輸氣干線供下游用戶。氣候地質(zhì)條件中年平均雷暴日為40 d,屬于強(qiáng)雷區(qū),土壤呈酸性;儲罐區(qū)共有2座16×104m3LNG儲罐,儲罐高55 m,罐頂半徑43 m;部分管網(wǎng)及鋼構(gòu)設(shè)有陰極保護(hù)。

3.1 腐蝕速率檢測

儲罐區(qū)接地層土壤電阻率16 Ω·m,利用tafel外推法估算對銅覆鋼復(fù)合材料和鋅覆鋼復(fù)合材料的腐蝕速率,經(jīng)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(jì)算

土壤層按均勻土壤考慮,工程設(shè)計(jì)使用年限為50 a。

銅層腐蝕總量為0.013×50=0.65 mm,常規(guī)厚度 0.254 mm 的銅覆鋼復(fù)合材料無法滿足,應(yīng)加厚0.4 mm。

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

3.3 熱穩(wěn)定確定截面

本工程設(shè)有110/10 kV變電所,變壓器采用YNd 11接線,保護(hù)動作時間為0.5 s,斷路器開斷時間為0.15 s,110 kV側(cè)單相最大接地故障不對稱電流有效值取10 kA?？筛鶕?jù)式(2)計(jì)算出所需最小截面為120 mm2，換算出直徑為12.4 mm。

計(jì)入腐蝕量影響后可就近選直徑16 mm標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格接地材料。

3.4 接地材料選擇

經(jīng)詢價,0.4 mm厚銅覆鋼復(fù)合材料Φ16接地圓線價格比3 mm厚鋅覆鋼復(fù)合材料Φ16接地圓線價格高30%,同時考慮對陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響,選定采用3 mm厚鋅覆鋼復(fù)合材料Φ16接地圓線作為接地導(dǎo)體。

3.5 儲罐接地敷設(shè)

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(jì)算

根據(jù)土壤層深、電阻率及接地導(dǎo)體根數(shù)、長度,通過軟件分別計(jì)算垂直、水平接地體接地阻值,并得出接地網(wǎng)總接地阻值,見圖4。

圖4 接地網(wǎng)接地阻值計(jì)算Fig.4 Calculation of grounding grid resistance

后期現(xiàn)場測試接地電阻0.39 Ω(小于1 Ω),滿足規(guī)范要求,可不補(bǔ)加非金屬接地模塊;測試結(jié)果小于軟件計(jì)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(dǎo)體設(shè)計(jì)長度余量,計(jì)算參數(shù)設(shè)定偏大。

4 結(jié)論

海運(yùn)方式的重要地位決定了大型LNG儲罐項(xiàng)目多處于沿海地區(qū),高鹽、強(qiáng)腐蝕土壤環(huán)境中接地材料選用是工程接地設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文結(jié)合環(huán)保及成本等因素對三種接地材料性能及特點(diǎn)進(jìn)行分析,油氣、石化類項(xiàng)目的接地保護(hù)材料,尤其是在酸性土壤中存在陰極保護(hù)時,推薦采用鋅覆鋼復(fù)合材料;銅覆鋼復(fù)合材料在酸性土壤中應(yīng)酌情使用并應(yīng)考慮對其他金屬構(gòu)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(jì)算方法,結(jié)合工程實(shí)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(yè)工程設(shè)計(jì)研究提供參考,對解決大型LNG儲罐項(xiàng)目接地材料選用問題具有指導(dǎo)作用。