銅鋼復合材料和放熱焊接技術在石油化工企業接地系統中的應用

劉 波

（大慶石化工程有限公司，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

近年來我國石化行業飛速發展，石化企業的改擴建工程項目日益增多，同時規劃和新建了多個大型煉化一體化的工程項目。當前，石化企業的大多數電氣設備元器件采用的都是集成電路和微電子電路，對雷電流、干擾信號和故障電流尤為敏感。這就需要有良好的接地系統及時排除干擾信號和泄放故障電流以保障各類設備的正常運行。接地裝置在石化工程中是個隱蔽的工程，其中工程質量不僅關系到石化工程中重大設備的運行安全,也關系到運行人 員的人身安全。據各省統計,由于接地網損壞發生過大量事故，其中接地網腐蝕是事故發生的重要因素，如何提高接地網的耐腐蝕性能已日益引起重視。

2 接地設計方案優化

目前國內接地系統中接地的材料通常采用熱鍍鋅鋼，形式上多為扁鋼和角鋼，熱鍍鋅鋼涂層薄,在土壤和接地電流作用下耐腐蝕性低,導致熱鍍鋅鋼接地網壽命低下,腐蝕嚴重的區域運行3～5年就需要開挖檢修 ,運行10年后都會產生嚴重的腐蝕而不得不更換。并且通過測量工頻接地電阻往往不易檢測出來，需要頻繁的檢查和維護，造成了資源的嚴重浪費。

在需要采用TN-S的系統中，都需要檢測零序電流作為發生接地故障保護時的判據，而傳統接地方式接地的材料--鋼材的導電率要遠遠低于銅材的導電率，經過長期使用后，性能更會大幅度下降，這樣對于接地故障保護的可靠性和時效性都會很大的影響；隨著科技的進步，今年我們逐步推廣采用了以銅材為主要接地材料的新型接地方式，用以取代以前的以鋼作為接地主體的接地方式，然后連接方式大多采用壓接的方式，這種連接方式構成的接地系統相比傳統接地系統大大提高了接地系統的使用壽命，但是它也存在著巨大的隱患，即壓接點的接觸電阻過高造成了可靠性的大幅下降。

3 放熱焊接技術原理

以銅作為接地的主要材料對接地體之間的接連方式提出了很高的要求，信息的放熱焊接方式就非常適用于各種有較高接地要求的場合。最初的放熱焊接工藝是用在制造鑄件和修補斷裂的鑄件，而在有色金屬上首次使用這種工藝的是凱斯里工學院（Case institule of Technology,現稱西凱斯大學）的查爾斯.卡特威爾博士（Dr.CharlesCaldwell）,他 1938 年在“電氣鐵路公司”任顧問時所開發并命名了CALDWELL銅基放熱反應，其原理是用較活潑的金屬來還原銅，通過在化學反應中釋放的熱量將兩連接體的接頭迅速熔為一體；它是真正的分子焊接，導體不會被破壞并且沒有接觸面，電解質等不會滲透到導體交界面上導致氧化或隨時間老化，導體交界面的整體有效性沒有改變。放熱焊接工藝一般采用的放熱反應公式為3CuO+2AL→6Cu+A+熱量（2537℃或4600 F），理論上自然界存在的其他較活潑的金屬如Mg等也可以作為放熱焊材料，放熱焊接工藝要求的溫度較高，但是不同的放熱焊接工藝公司添加了各種不同的添加劑從而使溫度在不同程度上有所降低。

4 連接方式

接地連接近年來才逐漸引起有關方面的重視。接地網用銅鋼復合材料的連接方法主要包括壓接線夾連接、螺栓連接和放熱焊接等幾種連接工藝。螺栓連接、壓接線夾連接方式，均依靠材料表面“點”接觸來維持電路的通暢，因此容易腐蝕和老化。而放熱焊接為永久性連接，更耐腐蝕和老化。

采用放熱焊接工藝具有以下優點：

4.1 焊接點的載流能力（熔點）與導線的載流能力相等，接觸電阻值小。

4.2 因為焊接點為分子結合，沒有接觸面，更沒有機械壓力，因此不會松弛也不會增加電阻、抗腐蝕性強。

4.3 焊接時一種永久性的分子結合，不易松脫也不會增加電阻、抗腐蝕性強。

4.4 焊接點像銅一樣不受腐蝕性產物的影響。

4.5 焊接點能經受反復多次的大浪涌（故障）電流而不易退化。

4.6 焊接方法簡單實用，培訓容易。

4.7 供焊接用的材料很輕，攜帶方便。

4.8 進行焊接時，無需外接電源或熱源。

4.9 從外觀上便能核查焊接的質量。

4.10 可用于焊接銅、銅合金、鍍銅鋼、各種合金鋼包括不銹鋼材料。

現在的大型石化企業中通信系統的接地網一般都與全廠的接地網構成一個整體，發熱焊接方式在數字通信系統中能確保“無噪音”聯結。而一般的機械連接會造成電子噪音，連接點的突然變化會造成較高的Ldi/dt電壓，這是因為突然的改變會造成與信號電路耦合的脈沖信號，該信號回引起錯誤數據甚至導致電路的永久損壞。

但是放熱焊接過程也存在著影響熔接效果的因素：①焊接時必須采取的最重要的步驟是防止焊接過程中焊接點內水氣的產生。因為一個良好的焊點應當表面飽滿光亮、無氣孔，切開后觀察其剖面在一整體無氣孔與瑕疵，由于模具、焊粉及被焊接物內均可能吸附水分，因此影響其焊接效果的最主要因素是濕氣或水氣。②另一影響焊接效果的因素是模具及被焊接物的清潔程度。如果被焊接物表面有塵土、油脂、氧化物（銹）或其他附著物等必須完全清除并使潔凈光亮后進行焊接作業，否則焊點的導電性能與機械性能將受到影響。如果模具內遺留的殘渣不完全清除，將造成焊點表面不平滑、不光亮。因此，防止水氣產生、清潔被焊接物、清潔模具是影響熔接效果的關鍵因素。

銅鋼合金接地棒是適用于一般場合相對簡易的接地極，它是由一定厚度的銅覆蓋層覆著到碳鋼芯棒上制成的。長度有1.5m、2.5m和3m等幾種規格。高強度的鋼質內芯便于施工時直接將接地棒打入地下，使施工更加快捷；表面的銅覆蓋層可以加強接地棒的導電性和泄流能力，增強電極的防腐，從而使接地系統的接地電阻長期保持穩定，并延長接地系統的使用壽命。銅鋼合金接地棒和接地網絡內其他接地體的連接采用放熱焊接的方式能有效的減少焊接點處的接觸電阻值。

5 工程中的實際應用效果

在撫順石化公司的80萬噸/年乙烯工程項目中，生產裝置內采用了公用接地裝置，即工作接地、保護接地、防雷接地、防靜電接地同時與計算機接地連接，形成一個共用接地網，所以要求接地阻值要小于1Ω。若用常規鍍鋅扁鋼和角鋼進行施工，為了使接地電阻達到要求，必須采取增加接地極數量的方式。而采用以銅包鋼接地極、接地線的接地系統，如果不能有效解決接連點的接觸電阻過大的問題，則無法滿足要求。

經反復研究論證，最終決定采用以銅包鋼接地極、銅包鋼接地線組成的接地系統。接地線與接地極之間的連接均采用放熱焊接方式。這種新型的接地連接方式的基本操作程序非常簡便，現場施工人員只需要很短的時間就能夠熟練掌握這種焊接技術。

雖然采用銅包鋼材質接地系統相對于傳統的鍍鋅鋼材接地系統一次性投資增加了許多，但是后期的維護和重復投入則大大減少，因而從經濟性上分析可以看出采用放熱焊接工藝的新型接地方式一次性投資高于傳統接地方式，但是從長遠來看其總體投資額和傳統接地方式相當。

6 結論

目前，采用銅包鋼接地極、接地線的接地系統已經在石化行業內大量推廣采用，而放熱焊接技術也已在石化行業被越來越多的采用，從而解決了共用接地網的施工中接地連接點接觸電阻值高，降阻困難，現場施工難度大，接地系統使用壽命短的難題。通過在撫順石化項目中的應用可以證明，新型的接地材質和放熱焊接技術完全可以代替傳統接地方式，極具推廣和應用價值。

[1]梁勇芳,張友強.復合材料先進加工制造技術的發展與應用［J］.上海塑料，2010-03-30.