铜包钢接地材料在石化行业的应用分析 

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銅包鋼接地材料在石化行業的應用分析
接地是確保電力系統和電氣設備安全運行,確保運行人員人身安全的重要措施,石化行業接地包括工作( 系統) 接地、保護接地、防雷防靜電接地和陰極保護接地。近年來,隨著石油化工廠規模擴大,其用電容量增加、電壓等級提高,因接地網腐蝕而引發的運行和安全事故時有發生。
 
但接地裝置作為隱蔽工程的一部分,目前除了開挖檢查以外,尚不能做到對埋設于地下的接地材料實際腐蝕情況進行準確調查,在對已運行工藝裝置進行年度例檢中只能測量接地電阻,對接地材料的截面缺少全面評價措施,導致相關人員對接地材料腐蝕問題認識不足。
 
長期以來石化行業主要以鍍鋅鋼作為接地材料,由于碳鋼在土壤中發生腐蝕的速率較大,且鍍鋅層對接地網的保護有限,因此工程設計人員一直在探索尋找新型抗腐蝕接地材料,部分工廠開始嘗試采用銅包鋼接地材料代替鍍鋅鋼,但使用過程中存在著一定的盲目性。
 
1、銅包鋼材料生產工藝和產品結構
 
銅包鋼接地材料是采用機械包覆或連鑄法將黃銅材料附著在鋼材外部制作而成 。其中黃銅是銅鋅二元合金,黃銅根據含鋅量不同分為單相黃銅和雙相黃銅,前者含鋅量小于35%時,鋅能溶于銅內形成單相α,故稱單相黃銅,該材料適合于冷變形加工; 當含鋅量為36% ~46%時,鋅溶于銅內既有單相α,又有以銅鋅為基的β 固溶體,稱雙相黃銅,β 相使黃銅塑性減小而抗拉強度上升,適用于熱變形加工,銅包鋼接地材料生產就是采用熱加工方式。因為銅的熔點為1 083 ℃,鋅的熔點是419. 53 ℃,加工過程中黃銅熱壓設備溫度不足1 000 ℃,因此銅包鋼對外層銅材料的金相組織控制無相應措施,這種加工方式也決定了銅包鋼材料存在銅材料與內部鋼芯分層,銅材料僅僅是附著在鋼材表面,銅材料與內部鋼芯之間存在電化學腐蝕的風險。
 
銅包鋼材料的腐蝕主要是兩方面:
 
1) 外層銅材料的腐蝕
 
從前面的介紹可以看出,銅包鋼外層使用的黃銅材料是銅鋅合金,研究表明: 鋅在黃銅中屬于不穩定狀態。銅鋅合金Cu-Zn-0. 5Si-1. 5Mg-2. 0Al 的腐蝕速率是41. 916 6 g / ( m2·h) ,腐蝕深度為265 μm[1]; 黃銅在脫鋅腐蝕中發生Cu→Cu + + e,在地下富氧態下,產生Cu + +O2→2Cu2O +4Cu2 + 的反應,這種反應在腐蝕土壤環境中還會加劇,因為土壤中存在Cl - ,部分Cu2O 隨即形成不穩定的CuCl,加快銅離子在土壤環境中擴散。已使用的銅包鋼接地材料在腐蝕后出現蜂窩狀腐蝕孔與上述反應機理和描述狀況相符。
 
2) 銅材料與內部鋼芯之間的電化學腐蝕
 
在使用銅包鋼接地材料的過程中發現,土壤中埋設一段時間的銅包鋼會出現綠色和黃褐色附著物,并且部分區段黃銅材料包覆的內部鋼芯會腐蝕斷裂和出現空心現象。一方面是因為表面黃銅腐蝕形成綠色附著物,另一方面黃銅腐蝕后產生的Cu2O 在石油化工廠潮濕污染的土壤環境下進一步反應,其形成的銅離子( 電位+0. 34V) ,鋅離子( 電位-0. 76V) 、鋼芯鐵離子( 電位-0. 44V) 三者作用的電化學腐蝕,腐蝕速率遠遠高于純銅材料的析氧腐蝕。正是由于銅包鋼材料的腐蝕問題, 《雷電防護第3 部分: 建筑物的物理損壞和生命危險》( GB /T 21714. 3-2015( IEC 62305-3: 2010,IDT) )附錄E. 5. 6. 2 關于雷電防護系統( LPS) 材料的選擇中提到“應避免不同材料之間相互連接,否則,應采取防腐蝕措施。除非銅材部件采取了防腐蝕措施,否則,在任何其他情況下,不能安裝在鍍鋅材、鋁材的上面。即使銅和鍍鋅部件非直接接觸,銅材中的細小微粒對鍍鋅部件也會造成嚴重的腐蝕性損害。”可見采用銅包鋼工藝制作接地材料本身就存在著局限性。
 
3、銅包鋼接地材料在石化行業工程應用中存在的問題
 
由于石油化工廠環境污染比較嚴重,這使得銅包鋼接地材料更易腐蝕,圖2 反映的是某化工廠銅包鋼接地線暴露在空氣中1 年的腐蝕情況。由于銅鋅鐵三者之間的電化學反應,已經導致接地線出現穿透性點腐蝕狀況; 若敷設在污染的酸性土質中,土壤中的Cl -、SO2 -4還將加速這一過程,造成接地線橫截面減小,無法承受雷電沖擊或短路事故形成的大電流,一旦接地網燒毀,地電位升高,高電位將引至二次回路造成電氣設備燒毀,并可能危及人身安全。因此《石油化工裝置防雷設計規范》( GB 50650-2011) 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。區域內人工接地體的材料宜采用同一材質”,從規范的角度限制了銅包鋼材料在石油化工裝置防雷接地中的應用。
 
除石油化工廠外,輸油氣站場的接地也是研究關注的重點。輸油氣站場建設有大量鋼結構和地下管道,由于銅與鐵之間存在0. 78 V 的電位差,若地下接地網敷設采用銅包鋼接地材料,會出現接地線相鄰管道和鋼結構加速腐蝕。以某站場為例,2005 年初投產時使用了大量14 和12銅包鋼及少量鍍鋅扁鋼等接地材料,盡管考慮到銅包鋼的負作用,投產不久便將銅包鋼材料更換成了鍍鋅扁鋼,但2007 年下半年仍出現了兩處經防腐處理的地下管道穿孔,后經調查,原因為站場內銅包鋼材料未能完全拆除。銅在中性土壤中的自腐蝕電位約為- 0. 2Vcse,電偶序中正于鋼質結構,與鋼質管道或鍍鋅扁鋼等金屬材料電連接形成電偶腐蝕電池,從而引起站內埋地金屬結構自腐蝕電位正向偏移,導致埋地管道自腐蝕電位異常; 整改結束后,站內自然電位提高到- 0. 8 ~-1. 0 Vcse,自然電位恢復正常,因此對于安全要求較高的長輸、高壓油氣站場應禁止銅包鋼接地材料。
 
除上述問題以外,銅包鋼接地材料在使用過程中還存在以下弊端:
 
1) 銅包鋼接地材料的施工問題
 
接地裝置有三個重要指標: 接地電阻、熱穩定性能和使用壽命,這三項指標均與接地材料的施工質量緊密相關,銅包鋼接地材料采用熱熔焊形式焊接,焊點是否完好是接地施工質量的關鍵。
 
熱熔焊是通過引燃焊劑,焊劑發生氧化還原反應放出大量熱量,待填充金屬在模具腔體里冷卻形成接頭,焊接頭主要是銅材料接頭,它將兩段銅包鋼材料的外層銅材料粘結成一體( 見圖3) ,但內部鋼芯并未進行金屬的“再冶煉”,因此在
 
使用中焊接處易出現腐蝕開裂現象,從而導致接地電阻的升高,這樣一來接地材料在填埋前檢查焊接頭處的機械強度和焊接頭雜質與氣孔數量變得至關重要。
 
圖3 銅包鋼接地材料的焊接和焊接頭
 
另外,銅包鋼接地材料在施工過程中不可避免地會受到建筑材料和施工設備的應力損傷,且破損后不能修復,加劇了接地材料自身的電化學腐蝕速度。因此銅包鋼接地材料施工、保管工作量大。
 
2) 銅包鋼接地材料的環保性差
 
敷設在地下的銅包鋼接地材料腐蝕產生的銅離子對土壤、地下水及周邊環境產生重金屬污染。
 
4結語
 
接地是一項關系到設備及人身安全的大事,銅包鋼作為一種新型接地材料有其自身的特點和適應性,通過研究銅包鋼材料生產工藝、產品結構、腐蝕機理,結合銅包鋼接地材料在石化工程中的應用實踐,建議銅包鋼接地材料在石化行業應慎用。