大型LNG储罐工程接地材料的选用分析

董洪稳 曲 超 秦丕伟 金 剑 黄 洲

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461

0 前言

接地网长期处于高盐、腐蚀土壤环境中,化学腐蚀与电化学腐蚀不可避免[6-8],同时还有地网散流和杂散电流的腐蚀,其中电化学腐蚀是致使接地网损坏的关键因素[9-11]。由于各工程的地质、气候、施工工艺及设计寿命不同,若光依靠以往项目经验,会造成选材不当、过度设计等问题。因此制定经济合理的接地材料选用方案,可提升设计人员的能力和效率,增强技术和成本优势,保障大型LNG储罐工程安全可靠运行。

1 接地材料性能分析

不锈钢或纯铜价格较高,且处在含硫化物和高氯化物土壤环境中其腐蚀速率会增加,LNG储罐工程采用最多的接地材料可分为三种:铜覆钢复合材料、锌覆钢复合材料和非金属接地模块。土壤电阻率、类别、含盐量、酸碱度和含水量等因素会导致钢材质接地导体(线)及接地极的腐蚀,现分析三种材料在土壤中的抗腐蚀性能,并综合考虑土壤污染、施工成本、阴极保护系统及土壤中其他金属设备等影响因素。

1.1 铜覆钢复合材料

经考察,根据目前不同加工工艺,铜覆钢复合材料主要分为电镀铜覆钢复合材料和连铸铜覆钢复合材料。电镀铜覆钢复合材料经碳素钢电镀覆盖电解铜,形成平均厚度0.25 mm的铜层。钢材表面化学酸洗产生大量废液,其生产过程能耗高,重金属铜离子对土壤污染严重,国家目前已对电镀铜覆钢复合材料进行限制,集中整合定点生产。

连铸铜覆钢复合材料经连铸法在钢材表面附着热熔铜材料,铜层厚度0.25～0.8 mm。相同环境下,铜的腐蚀速率较锌的腐蚀速率低且导电性强,但酸性土壤会促使铜层腐蚀[12-13],应加厚铜层提高抗腐蚀年限,以提高耐受接地短路电流和雷电冲击的能力[14]。图1为南方沿海某项目落成9年后,直径为Φ12、层厚0.25 mm铜覆钢复合材料的腐蚀情况,已不满足使用条件,需要维护替换。经调研,加厚铜层将提高生产工艺难度,厚度超过0.8 mm时价格与纯铜材料持平,从经济性角度来看，铜覆钢复合材料在酸性土壤中的应用应酌情考虑。

图1 南方沿海某项目铜覆钢复合材料腐蚀情况照片Fig.1 Corrosion of copper-clad steel materials

1.2 锌覆钢复合材料

根据不同加工工艺,锌覆钢复合材料分为镀锌钢复合材料和连铸锌覆钢复合材料。镀锌钢复合材料锌层厚度平均值仅0.05 mm,且热镀生产过程中锌层不易均匀,难以满足含高氯化物土壤的抗腐蚀性要求,GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》中规定沿海地区土壤中不宜使用镀锌钢复合材料。另外在运输、施工中极易被局部破坏,产生点蚀腐蚀效应,降低耐腐蚀能力。

连铸锌覆钢复合材料经连铸工艺,将热熔纯锌铸到低碳钢上,形成厚度3 mm以上的锌层,适用于大部分土壤环境[15],且电气性能稳定。锌的腐蚀速率高于铜,大多覆层较厚。

1.3 非金属接地模块

非金属接地模块主要由石墨等炭类非金属材导电料组成[16],可使接地体面积加大,降低周围土壤和接地体之间的接触电阻,提高疏散电流的能力。非金属接地模块中的非金属导电材料不会被腐蚀,模块中金属引线应增强防腐，避免脱离主接地网,需与接地网连接,施工过程增加了焊接点,且运输及施工时易损、土方开挖量大。

沿海土壤电阻率较低,容易达到GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》(以下简称“GB/T 50065-2011”)要求的接地电阻限值,在沿海LNG储罐工程中不推荐应用，但在山地、坡地及其他高土壤电阻率地区的工程中应用优势显著。

1.4 金属材料对阴极保护的影响

铜、铁金属标准电极电位差为0.79 V[17],LNG储罐工程设置大量输送管道、设备容器及钢结构,若敷设铜质接地材料,将会产生电偶腐蚀,加快腐蚀相邻管道、设备容器及钢结构。GB 50650-2011《石油化工装置防雷设计规范》(以下简称“GB 50650-2011”)中第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。”

另外,SY/T 0088-2016《钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准》第3.0.5条规定“储罐的接地极不应使用比罐体电极电位更正的材料。”当存在阴极保护系统时,铜覆钢复合材料的接地将会导致阴极保护电流流失严重[18-19]。使用铜质材料时,阴极保护应采用外加电流法。锌电极电位与阴极保护的阳极电极电位接近,不影响阴极保护效果。

1.5 材质选择

综合考虑接地材料性能、经济性,大型变电站、升压站、电厂等工程项目的工作接地,接地材料使用导电性更优的铜覆钢复合材料或纯铜材料更适合。油气、石化工程推荐采用锌覆钢复合材料,使用铜质材料特别是存在阴极保护系统时,必须遵循规范要求,并应根据腐蚀速率考虑经济性。国家对长江等内河流域环保要求不断加强,对页岩气开发不断深入,内河LNG储罐及内陆页岩气液化工程建设将会兴起,在高电阻率地区非金属接地模块也将应用得更多。

2 接地材料应用及计算

行业内连铸型复合钢材料主要为圆钢,主要受限于目前连铸生产工艺。接地导体(线)和接地极材质和相应截面的选择,应计入设计年限内土壤对其的腐蚀,并应通过热稳定校验[20]。

2.1 腐蚀速率测试原理

GB/T 50065-2011中给出了土壤电阻率50～300 Ω·m和>300 Ω·m两类土壤中的腐蚀速率参考值,沿海地区低土壤电阻率多集中在20 Ω·m以下,实际工程中可通过采集接地层土壤,委托检测机构对接地材料进行电化学加速腐蚀试验,利用塔菲尔(Tafel)外推法[21]测得接地材料在土壤中的极化曲线,见图2。

图2 Tafel外推法极化曲线图Fig.2 Tafel extrapolation polarization curve

利用Tafel外推法确定腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流密度icorr,进而估算出年腐蚀速率平均值,腐蚀速率与Ecorr成反比,与icorr成正比,icorr与腐蚀速率vcorr换算关系如下式:

icorr=vcorr(A/n)/373

(1)

式中:A为原子量;n为离子电荷;icorr为腐蚀电流密度，mA/cm2;vcorr为腐蚀速率，mm/a。

检测不同低电阻率样品土壤介质的腐蚀速率,结果见表1。

表1 腐蚀速率测试结果表

2.2 覆层厚度

复合材料先腐蚀覆层,覆层应有足够的厚度。覆层厚度不应小于设计年限与腐蚀速率的乘积,且导体截面应通过热稳定校验。

土壤腐蚀性与土壤电阻率有直接关系,随土壤电阻率的升高,土壤腐蚀性变弱。GB 50650-2011和DL/T 1457-2015《电力工程接地用锌包钢技术条件》列出三种锌层厚度,见表2。

表2 土壤电阻率与锌层厚度关系表

2.3 热稳定校验

计入腐蚀影响后,在有效接地系统及低电阻接地系统中,接地导体(线)的最小截面应符合式(2)的要求,并应对各电压等级分别按对应电压的最大短路电流进行校验;雷电冲击电流耐受能力的检测,可在出厂检验或检测机构进行。

(2)

式中:Sg为接地导体(线)最小截面,mm2;Ig为流过接地导体(线)的最大接地故障不对称电流有效值,按工程设计水平年系统最大运行方式确定，A;te为接地故障等效持续时间等于保护动作时间与断路器开断时间之和，s;C为接地导体(线)材料的热稳定系数,根据材料的种类、性能及最大允许温度和接地故障前接地导体(线)的初始温度确定。

2.4 接地模块用量计算

根据地网所处土层的土壤电阻率,非金属接地模块用量可用以下方法计算。

水平埋置,单个模块接地电阻计算公式:

(3)

并联后总接地电阻计算公式:

Rnj=Rj/nη

(4)

式中:ρ为土壤电阻率,Ω/m;a、b为接地模块的长、宽,m;Rj为单个模块接地电阻,Ω;Rnj为总接地电阻,Ω;n为接地模块个数;η为模块调整系数,一般取0.6～0.9。

根据土壤电阻率及规格参数,可通过式(3)～(4)计算出接地模块数量。

3 工程实例应用

某大型LNG储罐工程位于沿海港区,其功能是接卸远洋LNG运输船,并在LNG储罐内储存LNG,LNG汽化后通过输气干线供下游用户。气候地质条件中年平均雷暴日为40 d,属于强雷区,土壤呈酸性;储罐区共有2座16×104m3LNG储罐,储罐高55 m,罐顶半径43 m;部分管网及钢构设有阴极保护。

3.1 腐蚀速率检测

储罐区接地层土壤电阻率16 Ω·m,利用tafel外推法估算对铜覆钢复合材料和锌覆钢复合材料的腐蚀速率,经检测得到接地材料腐蚀速率,见表3。

表3 接地材料腐蚀速率表

3.2 覆层厚度计算

土壤层按均匀土壤考虑,工程设计使用年限为50 a。

铜层腐蚀总量为0.013×50=0.65 mm,常规厚度 0.254 mm 的铜覆钢复合材料无法满足,应加厚0.4 mm。

锌层腐蚀总量为0.043×50=2.15 mm,可采用常规厚度3 mm的锌覆钢复合材料。

3.3 热稳定确定截面

本工程设有110/10 kV变电所,变压器采用YNd 11接线,保护动作时间为0.5 s,断路器开断时间为0.15 s,110 kV侧单相最大接地故障不对称电流有效值取10 kA。可根据式(2)计算出所需最小截面为120 mm2，换算出直径为12.4 mm。

计入腐蚀量影响后可就近选直径16 mm标准规格接地材料。

3.4 接地材料选择

经询价,0.4 mm厚铜覆钢复合材料Φ16接地圆线价格比3 mm厚锌覆钢复合材料Φ16接地圆线价格高30%,同时考虑对阴极保护系统的影响,选定采用3 mm厚锌覆钢复合材料Φ16接地圆线作为接地导体。

3.5 储罐接地敷设

储罐接地装置采用B型接地装置,有利于雷电流的地下泄放和防止跨步电压。接地装置由水平接地体和垂直接地体组成,见图3。

图3 储罐接地平面图Fig.3 Grounding plan of storage tank

3.6 接地电阻计算

根据土壤层深、电阻率及接地导体根数、长度,通过软件分别计算垂直、水平接地体接地阻值,并得出接地网总接地阻值,见图4。

图4 接地网接地阻值计算Fig.4 Calculation of grounding grid resistance

后期现场测试接地电阻0.39 Ω(小于1 Ω),满足规范要求,可不补加非金属接地模块;测试结果小于软件计算的主要原因是由于各层垂直、水平土壤电阻率不均匀,以及接地导体设计长度余量,计算参数设定偏大。

4 结论

海运方式的重要地位决定了大型LNG储罐项目多处于沿海地区,高盐、强腐蚀土壤环境中接地材料选用是工程接地设计研究的重点和难点。本文结合环保及成本等因素对三种接地材料性能及特点进行分析,油气、石化类项目的接地保护材料,尤其是在酸性土壤中存在阴极保护时,推荐采用锌覆钢复合材料;铜覆钢复合材料在酸性土壤中应酌情使用并应考虑对其他金属构建的影响。介绍腐蚀速率测试方法和非金属接地模块用量计算方法,结合工程实例提出接地材料截面确定的方法。本文为日益增加的LNG行业工程设计研究提供参考,对解决大型LNG储罐项目接地材料选用问题具有指导作用。