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不同標準對金屬管道法蘭連接處的等電位連接的要求

發布日期：2022-07-16 點擊率：60

爆炸性環境中的靜電接地和等電位連接是石化裝置安全檢查中的重要內容，金屬管道法蘭連接處的等電位連接的要求和實施方案存在較多爭論，正確理解靜電、靜電接地及等電位連接的要求是做好靜電防護和雷電防護工程設計的基礎。本文從靜電的基本概念著手，分析靜電接地和等電位連接的要求，結合工程實踐，討論金屬管道法蘭連接處等電位連接的幾種實施方法，分析了靜電防護和雷電防護的不同要求和特點，并提出工程建議。

金屬管道法蘭連接處的等電位連接

1、靜電的概念
靜電是存在于物體表面的電荷，對于觀察者是相對靜止的。靜電可以由物體的分離與接觸、附著帶電微粒、靜電感應和介質極化等過程產生，生產和儲運過程中，在物料、設備、人體、管道和構筑物上產生并積累。

靜電安全指的是在生產和環境中，不發生因靜電放電導致人員傷害、引燃可燃物質、損壞電子設備等造成經濟損失的狀態和條件。帶靜電物體上的靜電量是靜電產生量與消散量動態平衡的相對穩定值，通常只要靜電起電的速率小于靜電消散的速率，就不會出現靜電積聚，為靜電安全狀態；物體之間保持導電狀態可以均衡電荷，避免相互靜電放電，為靜電安全狀態。

2、靜電接地電阻
電荷在物體上或物體之間的移動并不需要很低的電阻。為了釋放物體上的電荷，通常采用接地的方式，借助于大地的均衡電位，避免靜電放電。實驗證明物體表面電阻小于1MΩ就可以使電荷移動，所以物體的靜電接地電阻小于1MΩ就能對地釋放靜電。有關標準規范規定物體靜電接地電阻不大于100Ω，在山區等土壤電阻率較高的地區，接地電阻值可以放寬到1kΩ，這對于靜電釋放來說是很寬裕的。

通常情況下，靜電釋放電阻不大于1MΩ時，靜電消散的速率大于靜電起電的速率，或者可以釋放積聚的靜電，起到消除靜電的作用。

3、金屬管道法蘭連接處的等電位連接
金屬管道法蘭連接處的導電連接實現了等電位，目的是靜電防護和雷電防護。

導電連接不同于靜電接地，靜電接地是為了借助于大地釋放靜電，取得物體的靜電平衡，避免物體的靜電積聚。金屬管道法蘭連接處的等電位連接是為了避免金屬管道法蘭面間的電荷不均衡，形成電位差，避免因電位差產生靜電間隙放電或雷電間隙放電。金屬管道法蘭連接處的等電位連接應關注連接電阻和電荷導通載流能力兩個方面。

4、相關標準的規定
對于金屬管道法蘭對的等電位連接，不同的標準要求不盡相同，以下為相關標準要求的一些摘錄：

①GB50057-2010《建筑物防雷設計規范》中第4.2.2條規定：對于第一類防雷建筑物的防閃電感應，當長金屬物的閥門、法蘭盤、彎頭等連接處的過渡電阻值大于0.03Ω 時，應采用金屬導線跨接。不少于5根螺栓連接的法蘭在非腐蝕環境下可以不跨接。第二類和第三類防雷建筑物防閃電感應沒有以上要求。

②SH/T3097-2017《石油化工靜電接地設計規范》中第5.3.4條規定：當金屬法蘭采用金屬螺栓緊固時，通常可不另設靜電跨接連接線，但應保證至少有2個金屬螺栓具有良好的導電接觸面。

③HG/T20675-1990《化工企業靜電接地設計規程》中第2.7.5條規定：金屬法蘭使用金屬螺栓緊固時，可不另設靜電跨接線。在腐蝕條件下，安裝前應有不少于2個螺栓的接觸面去銹和除油污，并應加裝防松螺帽。從實踐經驗來看，金屬螺栓連接的金屬法蘭之間，單是螺栓相連，已經有足夠的靜電導通性。在腐蝕條件下的安裝要求，目的是保證導通性。

④GB/T20801.4-2020《壓力管道規范工業管道第４部分：制作與安裝》[4]中第10.12.1條規定：設計有靜電接地要求的管道，當每對法蘭間或其他接頭間的電阻值大于0.03Ω 時，應設置導線跨接。

⑤GB501056-2021《汽車加油加氣加氫站技術標準》[5]中第13.2.12條規定：在爆炸性環境內的工藝管道法蘭兩端連接處，應采用金屬線跨接。

法蘭連接螺栓大于等于５根時，在非腐蝕環境下可不跨接。在爆炸性環境內的油品、液化天然氣(LNG)、壓縮天然氣(CNG)和液化石油氣(LPG)管道上的膠管和法蘭兩端的連接處應設置金屬導線跨接，目的是為了防止膠管和法蘭兩端的連接處因接觸連接不良(電阻大于0.03Ω)而發生靜電及雷電火花，從而發生火災或者爆炸事故。連接螺栓不少于5根的法蘭，在非腐蝕環境下可不跨接。

⑥GB50177-2005《氫氣站設計規范》[6]中第9.0.4條規定：氫氣站和供氫站內的管道法蘭及閥門等連接處，應采用金屬導線跨接。在正常環境無銹的情況下，管道接頭、閥門、法蘭盤等接觸電阻均在0.03Ω 以下。如果管道接頭生銹，會使接觸電阻增大。試驗表明，螺栓連接的法蘭盤之間存在生銹腐蝕時，在雷電流幅值相當低(10.7ｋＡ)的情況下，法蘭盤間也能間隙放電，誘發火災或者爆炸事故。氫氣站如果不經常檢查并測試管道接頭和法蘭盤等處的過渡電阻，一旦接觸連接處生銹，則十分危險。因此，規定氫氣站和供氫站內的所有管道，包括暖氣管及水管法蘭盤、閥門接頭等處均應采用金屬導線跨接。

⑦GB50516-2010《加氫站技術規范(2021年版)》中第10.3.3Ａ條規定：氫氣、液氫等可燃物管道上的法蘭連接處應采用金屬線跨接，跨接電阻應小于0.03Ω。在正常環境無銹的情況下，管道法蘭等處的接觸電阻在0.03Ω以下，如果腐蝕生銹，由于接觸電阻增大，將有可能發生靜電或雷電火花，發生火災和爆炸事故，為防止管道上法蘭兩端由于連接不良或金屬銹蝕，使接觸電阻增大，按本條規定執行。

實際工程設計和實施時，應綜合分析確定客觀科學的等電位連接的工程方案，考慮如下因素：
①法蘭對之間的連接如何兼顧防閃電感應和靜電防護。
②不同的介質特性(氫氣、氧氣等)是否有不同的方案？不同的爆炸性環境區域是否可以統一方案？
③是否為腐蝕環境，防腐措施是否會影響導電性及影響的程度？
④管道、螺栓、墊片和法蘭的材質是否為導電良好的金屬材料？
⑤采用什么連接方法最合適？
⑥標準規范的規定合適嗎？

5、現場常見問題
5.1腐蝕及法蘭密封
對于現場中腐蝕及法蘭密封出現的問題：
①由于接線片是銅質的，螺栓和螺母是合金鋼或不銹鋼材質，在雨淋或重度潮濕的環境下，形成電偶腐蝕和間隙腐蝕。
②法蘭的密封是靠螺栓彈性壓緊，在緊固法蘭的多個螺栓中，壓緊靜電跨接接線片的螺栓，很可能因為銅質接線片的塑性變形使螺栓的彈性壓緊力降低，造成法蘭緊固受力不均勻，有可能造成法蘭密封面泄漏。

5.2 多余的跨接線針對多余跨接線有不同觀點，具體如下：
①部分觀點認為，金屬法蘭采用金屬螺栓連接也需要導電跨接線。實際上，金屬管道的螺栓、螺母和墊片都是金屬材質，具有良好的導電性能，如果沒有腐蝕層影響導電，則沒有必要再跨接導電線。如果說螺栓螺母與法蘭的接觸不具有良好的導電性能，那么與接線片的接觸也存在同樣問題，實際上，良好的無腐蝕層的金屬接觸具有良好的導電性能。法蘭上多個螺栓的導電截面積要比跨接導線大得多。

②部分觀點認為需要對稱接地，即需要重復接地，提高接地的可靠性。實際上，金屬設備、鋼管等的靜電不會存在電位差，靜電的釋放也不需要重復接地，更不需要對稱接地。

③在某油田的消防水管道做了靜電跨接，其實非純凈的水是導電介質，不需要防靜電跨接。

④某現場不銹鋼管道的焊縫兩側做了靜電跨接，也是沒有必要的，因為焊縫是導電的。

6、法蘭盤導電跨接的幾種方式
6.1 通過螺栓或墊片導電跨接法蘭配套的金屬螺栓及墊片是良好的導體，可實現導電跨接。該方式需要考慮環境對法蘭、螺栓材質的腐蝕影響。

對于很多現場環境都會采取防腐措施，例如：涂刷防銹漆、鍍鋅、表面處理等。應評估防腐措施對于導電的影響。不建議采用去除防腐措施的方法提高導電性能，因為在腐蝕環境中如果沒有良好的防腐措施，當螺栓和螺母出現腐蝕現象時，將影響法蘭的預緊力，墊片腐蝕將影響密封面，形成安全隱患。可以通過螺栓實現導電跨接的場合有以下幾方面：
①非腐蝕環境。例如：干旱的內陸地區。
②耐腐蝕材料的法蘭、螺栓。例如：耐工藝介質腐蝕的不銹鋼。
③導電的防腐措施。例如：導電的防腐涂層或鍍層，這種防腐措施應當是設備選材時通盤考慮的，不應該是單純為導電跨接采用的。

6.2 通過螺母壓接接地片實現等電位連接通過法蘭配套的螺栓螺母壓接金屬連接片，連接片壓接跨接導線實現導電跨接。該方式需要注意連接片的材質與法蘭螺栓螺母材質的腐蝕配置不當產生的腐蝕，以免影響法蘭螺栓的連接性能。應采用防腐蝕的金屬配置或與法蘭螺栓材質相同的連接片，否則可能存在腐蝕。

6.3 設置“接地耳”實現導電跨接在管道或者設備(閥門)上設置專用“接地耳”或過渡連接件的方式，壓接連接片，連接片壓接跨接金屬導線實現導電連接。在腐蝕環境采取防腐措施的法蘭螺栓連接不能實現導電跨接時，建議采用該連接方式。需要注意的是，管道上的“接地耳”建議由管道專業設計，在某些場合下需要考慮熱處理；閥門上的“接地耳”建議隨閥門附帶。“接地耳”的型式應能便于連接施工。

6.4 使用螺栓防腐膠
石油化工廠內存在腐蝕環境，為了保證螺栓不會因為腐蝕而影響導電性能，可以采用螺栓防腐膠，這種膠具有鐵銹轉化功能，可以消除鐵銹，并可以隔絕外界腐蝕性介質的滲透，使螺栓不會被腐蝕，而且有10余年的使用壽命。該方式并不妨礙拆裝螺栓，且可以保持螺栓連接的導電性能。

7、有關標準規范規定的依據
根據文獻中規定并參考國外資料，以天津某公司測試記錄為例，法蘭連接處過渡電阻的實測值，見下面所列。

裝置不同部位法蘭連接處過渡電阻的實測值
①殘液管道上法蘭，4個螺栓齊全，無跨接線時過渡電阻0.0075Ω
②殘液管道法蘭，4個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0120Ω
③儲罐下閥門，8個螺栓齊全，無跨接線時過渡電阻0.0090Ω
④儲罐下閥門，8個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0120Ω
⑤φ89mm液相管法蘭，8個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0110Ω
⑥φ89mm管道新裝法蘭，8個螺栓齊全，無跨接線時過渡電阻0.0070Ω
⑦φ57mm液相管法蘭，4個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0050Ω
⑧φ89mm液相管法蘭，8個螺栓齊全，拆下跨接線時過渡電阻0.0060Ω
⑨φ89mm液相管法蘭，8個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0100Ω

從上面的實測值可以看出，有跨接線和沒有跨接線對于連接處過渡電阻影響不大，4個螺栓和8個螺栓沒有跨接線時過渡電阻值相差不大。甚至一些情況下4個螺栓的過渡電阻小于8個螺栓的過渡電阻。綜上可知，影響連接處過渡電阻的因素主要是導電接觸是否良好，而不是螺栓數量。

8、對標準規范規定的連接電阻的質疑
如上文所述，電荷在物體上或物體之間的移動并不需要很低的電阻，為了釋放物體上的電荷，接地電阻小于1ＭΩ 即可。規范規定的接地電阻為不大于100Ω，已經很寬裕。為什么靜電跨接需要小于0.03Ω呢？

爆炸性環境中的管道等金屬體進行靜電接地是為了避免出現可能引起火花的間隙放電，既然100Ω的導電連接足以均衡法蘭之間的電荷及電位，那么并不需要小于0.03Ω的連接電阻。

規范中的“防閃電感應”，實際上也是為了避免由于閃電感應引起的電涌在法蘭盤間隙產生火花，同樣不需要小于0.03Ω的連接電阻。另外，電火花不會產生在非氣體的介質中。

沒有腐蝕層的金屬接觸面的導電性一定是良好的，足以泄放靜電或閃電感應的電涌，不需要用接觸電阻來衡量或者評判。將連接電阻小于0.03Ω作為導電性良好的判定依據是多余的。

9、結束語
本文介紹了靜電、靜電防護和雷電防護概念，針對金屬管道法蘭對等電位連接方式及要求，對比不同標準，從工程實際出發，當法蘭螺栓連接具有良好導電性時，優先采用螺栓連接實現等電位連接。對法蘭導電跨接需要關注法蘭螺栓本身的導電，不是所有的法蘭都需要另加導電跨接的。在某些場合可以采用接地耳的方法進行導電跨接，法蘭連接和導電跨接還應當注意腐蝕問題，需要采取相應的防腐措施。合理地進行工程設計和實施，不僅滿足靜電防護和雷電防護的要求，也是生產裝置生產安全的主要保障。
作者：范詠峰、唐斌、林筱華

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