論新型技術納米碳涂料在接地裝置中的應用

曹靜娟

中國化學工程第十一建設有限公司 河南開封 475002

論新型技術納米碳涂料在接地裝置中的應用

曹靜娟

中國化學工程第十一建設有限公司 河南開封 475002

介紹了新型納米碳涂料在接地裝置中的應用，結合其原理、特點、與傳統接地裝置的對比及實際使用、檢測的效果，分析納米碳接地裝置在防雷接地系統中的優越性，簡要介紹此新型接地裝置的施工工藝。

接地腐蝕 新型技術 新型納米碳 防雷接地

傳統的接地裝置一般由接地線（鍍鋅扁鋼、鍍鋅圓鋼、銅包鋼等）、接地體（接地極、深井接地極等）組成。為解決接地網的腐蝕問題，隨著接地技術的不斷完善，一種新型的防雷接地材料--納米碳復合型防腐接地裝置應運而生。此種接地裝置越來越廣泛地應用在諸多接地及防雷系統中。四川石化乙烯裝置使用了此種接地裝置，從使用的效果來看，此種接地裝置遠超于傳統的接地裝置。根據認真調研，我公司在寧夏銀川哈納斯重烴脫除項目進行全場防雷接地網的施工中同樣采用這種接地裝置。

1 納米碳接地的原理及特點

1.1 納米碳防腐接地材料的原理、特點

圖1 納米碳接地裝置實物圖

圖1所示為四川石化乙烯裝置項目中將新型技術納米碳接地用于實際的實物圖。其中斷開焊接處由于涂料破壞，重新刷了一層納米碳接地涂料，并放置于已開挖好的接地溝內。

1.1.1 結構

以鍍鋅扁鋼為主材，通過特殊工藝，將納米碳涂料均勻覆蓋在鍍鋅扁鋼上，形成雙導電的復合材料。

1.1.2 納米碳導電涂料

是在鎳粉和石墨粉防腐導電涂料在接地網腐蝕應用的基礎上研制的新一代防腐導電涂料。它以納米碳作為導電添加劑，比石墨粉和鎳粉防腐涂料有更強的導電性和防腐蝕性，是一種簡單、高效、價優的防雷接地產品。它利用納米碳的高導電率和環氧樹脂優異的結合力和防腐蝕率，從而保證接地網穩定、高效的運行。

1.1.3 特點

具有優良導電性、耐腐蝕性、耐沖擊性和熱穩定性等。

1.1.4 主要技術參數

1.2 納米碳接地模塊原理、特點及參數

表1 納米碳防腐接地材料主要技術參數

圖2 接地模塊實物圖

圖2所示是四川石化乙烯裝置項目中接地模塊用于實際的實物圖。模塊與接地扁鐵采用焊接方式連接，藥皮處理干凈后，刷防腐專用涂料做防腐處理。接地模塊最重要是具有吸濕、保濕和穩定導電性的作用。

1.2.1 原理

納米碳接地模塊是一種內防腐外降阻的復合接地體，內經防腐處理的金屬支架為電極芯，以高導電石墨粉和含電解質導電物的硅酸鹽為主要原料，經高壓壓制成型，最后經陳化處理的無機接地體。

1.2.2 特點

金屬電極與高硅酸鹽形成高致密層，可防止包括海水在內的一切腐蝕介質的侵蝕。納米碳接地模塊內置鍍鋅圓鋼或角鋼，將其與被保護的地線連接時，金屬接地體與大地有效接觸面積大大增加。由于接地模塊具有吸濕、保濕和穩定的導電性，因此金屬接地體與大地的接地電阻將大大減少，從而充分發揮接地模塊的降阻作用，具有與物理降阻劑同等降阻效果。

1.2.3 主要技術參數

表2 納米碳接地模塊主要技術參數

2 納米碳接地裝置與傳統的接地裝置對比及適用范圍

2.1 納米碳防腐接地裝置的優點

2.1.1 機械強度

納米碳接地材料以鍍鋅扁鋼為主材，具有鋼的高強度和熱穩定性，鋅具有陰極保護功能，其機械強度與鍍鋅扁鋼相同。

2.1.2 耐腐蝕性

鍍鋅接地材料由于鍍鋅層的厚度問題，使用年限較短。

納米碳接地材料對于酸性環境而言，納米碳接地扁鋼以脂環胺為固化劑，利于涂層耐酸性的提高；對于堿性介質而言，由于樹脂的固化是經過縮合、閉環等化學反應，使熱固性樹脂發生不可逆的變化過程，因此，納米碳接地扁鋼其耐堿性能更為優越。

納米碳接地裝置可有效防止各種化學腐蝕，大大延長接地網的使用壽命，同時，由于其直接與土壤接觸的部分是納米碳涂層，可有效防止對生態環境造成的重金屬污染。

2.1.3 導電性

納米碳作為覆層材料，其導電性是鋼的5倍以上，導電性能更優越。通過納米碳的高導電率，保證接地裝置高效的導電性能。納米碳涂料的電阻率僅為土壤電阻率的百萬分之一。作為金屬接地體與土壤的中間層，納米碳導電防腐涂料電阻率接近一般金屬，導電性能優良。

2.1.4 表面結合性能

納米碳防腐涂料的分子結構中有環氧基、羥基和醚基，故有高度的極性，所以粘合力特別強，這是環氧樹脂作為涂料的最優良性能。

2.1.5 使用壽命

經理化和老化試驗，納米碳涂料使用壽命在50a以上。傳統的接地扁鋼一般使用壽命為10～15a，特別是在高阻土壤地區、高酸堿鹽地區或較潮濕的土壤中使用壽命會更短。

2.1.6 適用范圍

可廣泛應用于各種工作接地和保護接地工程。如：配電系統、通信系統、建筑系統、醫療科研、軍用設施，及其它行業的工作接地及易燃易爆場所的接地工程等。

2.1.7 可施工性

施工與鍍鋅扁鋼、鍍鋅圓鋼的施工工藝相同，無須特殊的工機具及材料，只需合格的焊工即可。但與銅包鋼接地線的施工工藝不同，銅包鋼施工需要與接地線相對應的模具、焊藥等，并經專門培訓才能上崗操作，在施工過程中具有一定的危險性（火焰灼傷、燙傷等）。

2.1.8 檢查實例

四川石化乙烯裝置土質為輕亞粘土和沙卵石層，地表3m以下為水層，地面環境常年濕潤、地下潮濕，此地質要求接地線的機械強度、耐防腐性能及導電性能更高，選用納米碳接地裝置較為理想。

使用納米碳扁鋼與傳統鍍鋅扁鋼在同樣地質及同樣長度的接地電阻測試，低于傳統鍍鋅扁鋼接地電阻值1/3以上（如乙烯塔、丙烯塔做的臨時鍍鋅扁鋼接地裝置接地電阻實測值為1.1Ω；納米碳接地裝置接地電阻實測值為0.26Ω）。

2011年12月對乙烯裝置各區分別進行了接地電阻測試，每個區不少于6個測試點，最大接地電阻值為0.4Ω，遠遠低于設計要求值4Ω的標準。

2.2 納米碳防腐接地裝置的缺點

成本投入較高，高于鍍鋅扁鋼3倍以上，但低于銅包鋼。

由于銅包鋼接地線具有較強的鋼絲的柔韌性及銅的良好的導電性等優點，適用于高阻土壤地區及土質有沉降的地區，如神華寧煤烯烴項目，使用銅包鋼作為接地線，其土質為濕陷性黃土具有沉降性，所以選用具有柔性的線性接地線。銅包鋼接地材料還由于價格高、施工工藝較復雜等因素，并沒有廣泛應用于接地、避雷系統中。

2.3 納米碳接地模塊的優、缺點

2.3.1 納米碳接地模塊的優點

（1）納米碳接地模塊采用化學穩定非金屬導體材料作為模塊的導電介質，其導電性不受季節影響。

（2）具有吸潮、保潮、保持與土壤有效接觸的性能。接地電阻值低于傳統的接地極（鍍鋅角鋼、鋼管）。

（3）在高土壤電阻率地區，能有效降低接地網的接地電阻。

（4）耐大工頻和沖擊電流沖擊，電阻穩定。

（5）耐腐蝕、無毒、使用壽命長、安裝簡單。

2.3.2 納米碳接地模塊安裝方法自有特點

傳統的接地極（鍍鋅角鋼、鋼管、銅包鋼棒等）在接地極坑挖到一定程度時，可以使用硬物敲擊。納米碳接地模塊不能使用硬物敲擊，如敲擊很可能破壞電極芯及四周的石墨粉和硅酸鹽覆合物，破壞內部結構，影響導電效果。所以，必須將接地極坑全部挖到需要的深度，將垂直模塊放入，四周回填細土或降阻劑，保證接地效果。

2.3.3 納米碳接地模塊的缺點

價格高、體積大、重量大、安裝時不能用硬物敲擊，儲存應水平放置在不受外力的環境中，搬運及安裝時要輕拿輕放。

3 施工工藝

（1）垂直接地體的埋設深度其頂部不應小于0.8m。

（2）接地體埋設位置距建筑物體不宜小于1.5m，遇到垃圾灰渣等埋設接地體時，應埋設細土，并分層夯實。

（3）按設計要求，納米碳扁鋼之間、納米碳扁鋼與接地模塊之間采用焊接方式連接，焊接處焊縫應飽滿并有足夠的機械強度，不得有夾渣、咬肉、裂紋、虛焊、氣孔等缺陷，焊接處的藥皮處理干凈后，刷防腐專用涂料做防腐處理。

（4）用土填滿、搗實，使接地體與土壤緊密接觸。

（5）連接完畢后，應及時請質檢部門進行隱蔽前檢查（檢查內容：材質、安裝位置、焊接質量、材料規格型號等），經檢查符合設計及施工驗收規范要求，方可進行回填，并在隱蔽記錄上記錄接地電阻搖測數值。

4 質量檢查及控制

（1）嚴把材料驗收關。材料的驗收需檢測工程師及監理簽字確認后才允許進入施工現場。避免材料在運輸過程中破壞納米碳涂層，應輕拿輕放。

（2）接地溝的開挖應平整，溝內無雜物，避免納米碳材料的納米碳涂層被破壞及受到不必要的機械應力。

（3）納米碳防腐扁鋼與傳統使用的鍍鋅扁鋼、圓鋼安裝方法及驗收標準一致。依據國標《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》GB50169-2006之規定，扁鋼與扁鋼焊接長度為扁鋼寬度的6倍；扁鋼與圓鋼間的焊接長度為圓鋼直徑的6倍；扁鋼與接地模塊焊接時，因模塊的電極芯已引出，引出線與扁鋼焊接，焊接長度為電極芯直徑的6倍。所有焊接面（至少三面焊接）需去除焊渣后，焊接無夾渣、咬肉等缺陷。在焊接部位外側100mm范圍內涂抹納米碳防腐涂料。

（4）納米碳接地線敷設完畢上下各鋪設100mm的細土，保證接地線與大地良好的接觸，同時也保證良好的導電性能。回填土應無雜物，并分層夯實。

（5）接地模塊安裝時，要輕拿輕放垂直安裝，模塊坑應大于模塊直徑，深度與模塊長度一致，四周鋪設細土并夯實，回填土應無雜物碎石等。

（6）在深井接地極四周，配置降阻劑，降阻劑的配比按照生產廠家技術文件執行。降阻劑配置完畢回填細土。深井接地極上方按照設計說明配置接地觀測井，在今后的維護、檢查中，可以隨時對深井接地極及整個接地網進行檢測及維護。

納米碳接地裝置能有效的改善防雷接地系統中耐腐蝕性及導電性的問題，同時有效地提高了接地網的使用壽命，將來會在石油、化工等領域得到廣泛的應用。

1 國標《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》GB50169-2006

2 國標《建筑電氣工程施工質量驗收規范》 GB50303-2002

3 生產廠家技術文件：青島輝安工程控制有限公司

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1672-9323（2014）02-0089-03

2013-07-18)