弯头法兰阀门(金属管道法兰连接处的等电位连接)

Posted 2023-05-25

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弯头法兰阀门(金属管道法兰连接处的等电位连接)

爆炸性环境中的静电接地和等电位连接是石化装置安全检查中的重要内容，金属管道法兰连接处的等电位连接的要求和实施方案存在较多争论，正确理解静电、静电接地及等电位连接的要求是做好静电防护和雷电防护工程设计的基础。本文从静电的基本概念着手，分析静电接地和等电位连接的要求，结合工程实践，讨论金属管道法兰连接处等电位连接的几种实施方法，分析了静电防护和雷电防护的不同要求和特点，并提出工程建议。

静电的概念

静电是存在于物体表面的电荷，对于观察者是相对静止的。静电可以由物体的分离与接触、附着带电微粒、静电感应和介质极化等过程产生，生产和储运过程中，在物料、设备、人体、管道和构筑物上产生并积累。

静电安全指的是在生产和环境中，不发生因静电放电导致人员伤害、引燃可燃物质、损坏电子设备等造成经济损失的状态和条件。带静电物体上的静电量是静电产生量与消散量动态平衡的相对稳定值，通常只要静电起电的速率小于静电消散的速率，就不会出现静电积聚，为静电安全状态；物体之间保持导电状态可以均衡电荷，避免相互静电放电，为静电安全状态。

静电接地电阻

电荷在物体上或物体之间的移动并不需要很低的电阻。为了释放物体上的电荷，通常采用接地的方式，借助于大地的均衡电位，避免静电放电。实验证明物体表面电阻小于１ＭΩ 就可以使电荷移动，所以物体的静电接地电阻小于１ＭΩ 就能对地释放静电。有关标准规范规定物体静电接地电阻不大于100Ω，在山区等土壤电阻率较高的地区，接地电阻值可以放宽到1KΩ，这对于静电释放来说是很宽裕的。

通常情况下，静电释放电阻不大于１ＭΩ 时，静电消散的速率大于静电起电的速率，或者可以释放积聚的静电，起到消除静电的作用。

　金属管道法兰连接处的等电位连接

金属管道法兰连接处的导电连接实现了等电位，目的是静电防护和雷电防护。

导电连接不同于静电接地，静电接地是为了借助于大地释放静电，取得物体的静电平衡，避免物体的静电积聚。金属管道法兰连接处的等电位连接是为了避免金属管道法兰面间的电荷不均衡，形成电位差，避免因电位差产生静电间隙放电或雷电间隙放电。金属管道法兰连接处的等电位连接应关注连接电阻和电荷导通载流能力两个方面。

　相关标准的规定

对于金属管道法兰对的等电位连接，不同的标准要求不尽相同，以下为相关标准要求的一些摘录：

１）GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》[1]中第4.2.2条规定：对于第一类防雷建筑物的防闪电感应，当长金属物的阀门、法兰盘、弯头等连接处的过渡电阻值大于0.03Ω 时，应采用金属导线跨接。不少于５根螺栓连接的法兰在非腐蚀环境下可以不跨接。第二类和第三类防雷建筑物防闪电感应没有以上要求。

２）SH/T3097-2017《石油化工静电接地设计规范》[2]中第5.3.4条规定：当金属法兰采用金属螺栓紧固时，通常可不另设静电跨接连接线，但应保证至少有２个金属螺栓具有良好的导电接触面。

３）HG/T20675-1990《化工企业静电接地设计规程》[3]中第2.7.5条规定：金属法兰使用金属螺栓紧固时，可不另设静电跨接线。在腐蚀条件下，安装前应有不少于２个螺栓的接触面去锈和除油污，并应加装防松螺帽。从实践经验来看，金属螺栓连接的金属法兰之间，单是螺栓相连，已经有足够的静电导通性。在腐蚀条件下的安装要求，目的是保证导通性。

４）GB/T20801.4-2020《压力管道规范工业管道第４部分：制作与安装》[4]中第10.12.1条规定：设计有静电接地要求的管道，当每对法兰间或其他接头间的电阻值大于0.03Ω 时，应设置导线跨接。

５）GB501056-2021《汽车加油加气加氢站技术标准》[5]中第13.2.12条规定：在爆炸性环境内的工艺管道法兰两端连接处，应采用金属线跨接。

法兰连接螺栓大于等于５根时，在非腐蚀环境下可不跨接。在爆炸性环境内的油品、液化天然气（LNG）、压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG）管道上的胶管和法兰两端的连接处应设置金属导线跨接，目的是为了防止胶管和法兰两端的连接处因接触连接不良（电阻大于0.03Ω）而发生静电及雷电火花，从而发生火灾或者爆炸事故。连接螺栓不少于５根的法兰，在非腐蚀环境下可不跨接。

６）GB50177-2005《氢气站设计规范》[6]中第9.0.4条规定：氢气站和供氢站内的管道法兰及阀门等连接处，应采用金属导线跨接。在正常环境无锈的情况下，管道接头、阀门、法兰盘等接触电阻均在0.03Ω 以下。如果管道接头生锈，会使接触电阻增大。试验表明，螺栓连接的法兰盘之间存在生锈腐蚀时，在雷电流幅值相当低（10.7ｋＡ）的情况下，法兰盘间也能间隙放电，诱发火灾或者爆炸事故。氢气站如果不经常检查并测试管道接头和法兰盘等处的过渡电阻，一旦接触连接处生锈，则十分危险。因此，规定氢气站和供氢站内的所有管道，包括暖气管及水管法兰盘、阀门接头等处均应采用金属导线跨接。

７）GB50516-2010《加氢站技术规范（2021年版）》[7]中第10.3.3Ａ条规定：氢气、液氢等可燃物管道上的法兰连接处应采用金属线跨接，跨接电阻应小于0.03Ω。在正常环境无锈的情况下，管道法兰等处的接触电阻在0.03Ω以下，如果腐蚀生锈，由于接触电阻增大，将有可能发生静电或雷电火花，发生火灾和爆炸事故，为防止管道上法兰两端由于连接不良或金属锈蚀，使接触电阻增大，按本条规定执行。

实际工程设计和实施时，应综合分析确定客观科学的等电位连接的工程方案，考虑如下因素：

１）法兰对之间的连接如何兼顾防闪电感应和静电防护。

２）不同的介质特性（氢气、氧气等）是否有不同的方案？不同的爆炸性环境区域是否可以统一方案？

３）是否为腐蚀环境，防腐措施是否会影响导电性及影响的程度？

４）管道、螺栓、垫片和法兰的材质是否为导电良好的金属材料？

５）采用什么连接方法最合适？

６）标准规范的规定合适吗？

　现场常见问题

5.1　腐蚀及法兰密封

对于现场中腐蚀及法兰密封出现的问题：

１）由于接线片是铜质的，螺栓和螺母是合金钢或不锈钢材质，在雨淋或重度潮湿的环境下，形成电偶腐蚀和间隙腐蚀。２）法兰的密封是靠螺栓弹性压紧，在紧固法兰的多个螺栓中，压紧静电跨接接线片的螺栓，很可能因为铜质接线片的塑性变形使螺栓的弹性压紧力降低，造成法兰紧固受力不均匀，有可能造成法兰密封面泄漏。

5.2多余的跨接线针对多余跨接线有不同观点，具体如下：

１）部分观点认为，金属法兰采用金属螺栓连接也需要导电跨接线。实际上，金属管道的螺栓、螺母和垫片都是金属材质，具有良好的导电性能，如果没有腐蚀层影响导电，则没有必要再跨接导电线。如果说螺栓螺母与法兰的接触不具有良好的导电性能，那么与接线片的接触也存在同样问题，实际上，良好的无腐蚀层的金属接触具有良好的导电性能。法兰上多个螺栓的导电截面积要比跨接导线大得多。

２）部分观点认为需要对称接地，即需要重复接地，提高接地的可靠性。实际上，金属设备、钢管等的静电不会存在电位差，静电的释放也不需要重复接地，更不需要对称接地。

３）在某油田的消防水管道做了静电跨接，其实非纯净的水是导电介质，不需要防静电跨接。

４）某现场不锈钢管道的焊缝两侧做了静电跨接，也是没有必要的，因为焊缝是导电的。

　法兰盘导电跨接的几种方式

6.1 通过螺栓或垫片导电跨接法兰配套的金属螺栓及垫片是良好的导体，可实现导电跨接。该方式需要考虑环境对法兰、螺栓材质的腐蚀影响。

对于很多现场环境都会采取防腐措施，例如：涂刷防锈漆、镀锌、表面处理等。应评估防腐措施对于导电的影响。不建议采用去除防腐措施的方法提高导电性能，因为在腐蚀环境中如果没有良好的防腐措施，当螺栓和螺母出现腐蚀现象时，将影响法兰的预紧力，垫片腐蚀将影响密封面，形成安全隐患。可以通过螺栓实现导电跨接的场合有以下几方面：

１）非腐蚀环境。例如：干旱的内陆地区。

２）耐腐蚀材料的法兰、螺栓。例如：耐工艺介质腐蚀的不锈钢。

３）导电的防腐措施。例如：导电的防腐涂层或镀层，这种防腐措施应当是设备选材时通盘考虑的，不应该是单纯为导电跨接采用的。

6.2　通过螺母压接接地片实现等电位连接通过法兰配套的螺栓螺母压接金属连接片，连接片压接跨接导线实现导电跨接。该方式需要注意连接片的材质与法兰螺栓螺母材质的腐蚀配置不当产生的腐蚀，以免影响法兰螺栓的连接性能。应采用防腐蚀的金属配置或与法兰螺栓材质相同的连接片，否则可能存在腐蚀。

6.3　设置“接地耳”实现导电跨接在管道或者设备（阀门）上设置专用“接地耳” 或过渡连接件的方式，压接连接片，连接片压接跨接金属导线实现导电连接。在腐蚀环境采取防腐措施的法兰螺栓连接不能实现导电跨接时，建议采用该连接方式。需要注意的是，管道上的“接地耳”建议由管道专业设计，在某些场合下需要考虑热处理；阀门上的“接地耳”建议随阀门附带。“接地耳”的型式应能便于连接施工。

6.4　使用螺栓防腐胶

石油化工厂内存在腐蚀环境，为了保证螺栓不会因为腐蚀而影响导电性能，可以采用螺栓防腐胶，这种胶具有铁锈转化功能，可以消除铁锈，并可以隔绝外界腐蚀性介质的渗透，使螺栓不会被腐蚀，而且有１０余年的使用寿命。该方式并不妨碍拆装螺栓，且可以保持螺栓连接的导电性能。

　有关标准规范规定的依据

根据文献[1]中规定并参考国外资料，以天津某公司测试记录为例，法兰连接处过渡电阻的实测值，见表１所列。

从表１可以看出，有跨接线和没有跨接线对于连接处过渡电阻影响不大，４个螺栓和８个螺栓没有跨接线时过渡电阻值相差不大。甚至一些情况下４个螺栓的过渡电阻小于８个螺栓的过渡电阻。综上可知，影响连接处过渡电阻的因素主要是导电接触是否良好，而不是螺栓数量。

　对标准规范规定的连接电阻的质疑

如上文所述，电荷在物体上或物体之间的移动并不需要很低的电阻，为了释放物体上的电荷，接地电阻小于１ＭΩ 即可。规范规定的接地电阻为不大于100Ω，已经很宽裕。为什么静电跨接需要小于0.03Ω呢？

爆炸性环境中的管道等金属体进行静电接地是为了避免出现可能引起火花的间隙放电，既然100Ω 的导电连接足以均衡法兰之间的电荷及电位，那么并不需要小于0.03Ω的连接电阻。

规范中的“防闪电感应”，实际上也是为了避免由于闪电感应引起的电涌在法兰盘间隙产生火花，同样不需要小于0.03Ω的连接电阻。另外，电火花不会产生在非气体的介质中。

没有腐蚀层的金属接触面的导电性一定是良好的，足以泄放静电或闪电感应的电涌，不需要用接触电阻来衡量或者评判。将连接电阻小于０．０３Ω作为导电性良好的判定依据是多余的。

　结束语

本文介绍了静电、静电防护和雷电防护概念，针对金属管道法兰对等电位连接方式及要求，对比不同标准，从工程实际出发，当法兰螺栓连接具有良好导电性时，优先采用螺栓连接实现等电位连接。对法兰导电跨接需要关注法兰螺栓本身的导电，不是所有的法兰都需要另加导电跨接的。在某些场合可以采用接地耳的方法进行导电跨接，法兰连接和导电跨接还应当注意腐蚀问题，需要采取相应的防腐措施。合理地进行工程设计和实施，不仅满足静电防护和雷电防护的要求，也是生产装置生产安全的主要保障。（文章转自中国化学品安全协会）