淺談金屬管道法蘭連接處的等電位連接

范詠峰，唐彬，林筱華

(1. 中科合成油工程有限公司，北京 100028；2. 天津市居安企業(yè)管理咨詢有限公司，天津 300200；3. 深圳市華寶鼎鑫科技股份有限公司，廣東 深圳 518038)

爆炸性環(huán)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(nèi)容，金屬管道法蘭連接處的等電位連接的要求和實(shí)施方案存在較多爭(zhēng)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(hù)和雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。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(jié)合工程實(shí)踐，討論金屬管道法蘭連接處等電位連接的幾種實(shí)施方法，分析了靜電防護(hù)和雷電防護(hù)的不同要求和特點(diǎn)，并提出工程建議。

1 靜電的概念

靜電是存在于物體表面的電荷，對(duì)于觀察者是相對(duì)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(yīng)和介質(zhì)極化等過程產(chǎn)生，生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過程中，在物料、設(shè)備、人體、管道和構(gòu)筑物上產(chǎn)生并積累。

靜電安全指的是在生產(chǎn)和環(huán)境中，不發(fā)生因靜電放電導(dǎo)致人員傷害、引燃可燃物質(zhì)、損壞電子設(shè)備等造成經(jīng)濟(jì)損失的狀態(tài)和條件。帶靜電物體上的靜電量是靜電產(chǎn)生量與消散量動(dòng)態(tài)平衡的相對(duì)穩(wěn)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(huì)出現(xiàn)靜電積聚，為靜電安全狀態(tài)；物體之間保持導(dǎo)電狀態(tài)可以均衡電荷，避免相互靜電放電，為靜電安全狀態(tài)。

2 靜電接地電阻

電荷在物體上或物體之間的移動(dòng)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(shí)驗(yàn)證明物體表面電阻小于1 MΩ就可以使電荷移動(dòng)，所以物體的靜電接地電阻小于1 MΩ就能對(duì)地釋放靜電。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定物體靜電接地電阻不大于100 Ω，在山區(qū)等土壤電阻率較高的地區(qū)，接地電阻值可以放寬到1 kΩ，這對(duì)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1 MΩ時(shí)，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(dǎo)電連接實(shí)現(xiàn)了等電位，目的是靜電防護(hù)和雷電防護(hù)。

導(dǎo)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(chǎn)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(yīng)關(guān)注連接電阻和電荷導(dǎo)通載流能力兩個(gè)方面。

4 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

對(duì)于金屬管道法蘭對(duì)的等電位連接，不同的標(biāo)準(zhǔn)要求不盡相同，以下為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的一些摘錄：

1)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中第4.2.2條規(guī)定： 對(duì)于第一類防雷建筑物的防閃電感應(yīng)，當(dāng)長(zhǎng)金屬物的閥門、法蘭盤、彎頭等連接處的過渡電阻值大于0.03 Ω時(shí)，應(yīng)采用金屬導(dǎo)線跨接。不少于5根螺栓連接的法蘭在非腐蝕環(huán)境下可以不跨接。第二類和第三類防雷建筑物防閃電感應(yīng)沒有以上要求。

2)SH/T 3097—2017《石油化工靜電接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中第5.3.4條規(guī)定： 當(dāng)金屬法蘭采用金屬螺栓緊固時(shí)，通常可不另設(shè)靜電跨接連接線，但應(yīng)保證至少有2個(gè)金屬螺栓具有良好的導(dǎo)電接觸面。

3)HG/T 20675—1990《化工企業(yè)靜電接地設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]中第2.7.5條規(guī)定： 金屬法蘭使用金屬螺栓緊固時(shí)，可不另設(shè)靜電跨接線。在腐蝕條件下，安裝前應(yīng)有不少于2個(gè)螺栓的接觸面去銹和除油污，并應(yīng)加裝防松螺帽。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，金屬螺栓連接的金屬法蘭之間，單是螺栓相連，已經(jīng)有足夠的靜電導(dǎo)通性。在腐蝕條件下的安裝要求，目的是保證導(dǎo)通性。

4)GB/T 20801.4—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第4部分： 制作與安裝》[4]中第10.12.1條規(guī)定： 設(shè)計(jì)有靜電接地要求的管道，當(dāng)每對(duì)法蘭間或其他接頭間的電阻值大于0.03 Ω時(shí)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)線跨接。

5)GB 50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]中第13.2.12條規(guī)定： 在爆炸性環(huán)境內(nèi)的工藝管道法蘭兩端連接處，應(yīng)采用金屬線跨接。法蘭連接螺栓大于等于5根時(shí)，在非腐蝕環(huán)境下可不跨接。在爆炸性環(huán)境內(nèi)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(yīng)設(shè)置金屬導(dǎo)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0.03 Ω)而發(fā)生靜電及雷電火花，從而發(fā)生火災(zāi)或者爆炸事故。連接螺栓不少于5根的法蘭，在非腐蝕環(huán)境下可不跨接。

6)GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中第9.0.4條規(guī)定： 氫氣站和供氫站內(nèi)的管道法蘭及閥門等連接處，應(yīng)采用金屬導(dǎo)線跨接。在正常環(huán)境無銹的情況下，管道接頭、閥門、法蘭盤等接觸電阻均在0.03 Ω以下。如果管道接頭生銹，會(huì)使接觸電阻增大。試驗(yàn)表明，螺栓連接的法蘭盤之間存在生銹腐蝕時(shí)，在雷電流幅值相當(dāng)?shù)?10.7 kA)的情況下，法蘭盤間也能間隙放電，誘發(fā)火災(zāi)或者爆炸事故。氫氣站如果不經(jīng)常檢查并測(cè)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(xiǎn)。因此，規(guī)定氫氣站和供氫站內(nèi)的所有管道，包括暖氣管及水管法蘭盤、閥門接頭等處均應(yīng)采用金屬導(dǎo)線跨接。

7)GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范(2021年版)》[7]中第10.3.3A條規(guī)定： 氫氣、液氫等可燃物管道上的法蘭連接處應(yīng)采用金屬線跨接，跨接電阻應(yīng)小于0.03 Ω。在正常環(huán)境無銹的情況下，管道法蘭等處的接觸電阻在0.03 Ω以下，如果腐蝕生銹，由于接觸電阻增大，將有可能發(fā)生靜電或雷電火花，發(fā)生火災(zāi)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(guī)定執(zhí)行。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)，應(yīng)綜合分析確定客觀科學(xué)的等電位連接的工程方案，考慮如下因素：

1)法蘭對(duì)之間的連接如何兼顧防閃電感應(yīng)和靜電防護(hù)。

2)不同的介質(zhì)特性(氫氣、氧氣等)是否有不同的方案？不同的爆炸性環(huán)境區(qū)域是否可以統(tǒng)一方案？

3)是否為腐蝕環(huán)境，防腐措施是否會(huì)影響導(dǎo)電性及影響的程度？

4)管道、螺栓、墊片和法蘭的材質(zhì)是否為導(dǎo)電良好的金屬材料？

5)采用什么連接方法最合適？

6)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定合適嗎？

5 現(xiàn)場(chǎng)常見問題

5.1 腐蝕及法蘭密封

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)中腐蝕及法蘭密封出現(xiàn)的問題：

1)由于接線片是銅質(zhì)的，螺栓和螺母是合金鋼或不銹鋼材質(zhì)，在雨淋或重度潮濕的環(huán)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(gè)螺栓中，壓緊靜電跨接接線片的螺栓，很可能因?yàn)殂~質(zhì)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(duì)多余跨接線有不同觀點(diǎn)，具體如下：

1)部分觀點(diǎn)認(rèn)為，金屬法蘭采用金屬螺栓連接也需要導(dǎo)電跨接線。實(shí)際上，金屬管道的螺栓、螺母和墊片都是金屬材質(zhì)，具有良好的導(dǎo)電性能，如果沒有腐蝕層影響導(dǎo)電，則沒有必要再跨接導(dǎo)電線。如果說螺栓螺母與法蘭的接觸不具有良好的導(dǎo)電性能，那么與接線片的接觸也存在同樣問題，實(shí)際上，良好的無腐蝕層的金屬接觸具有良好的導(dǎo)電性能。法蘭上多個(gè)螺栓的導(dǎo)電截面積要比跨接導(dǎo)線大得多。

2)部分觀點(diǎn)認(rèn)為需要對(duì)稱接地，即需要重復(fù)接地，提高接地的可靠性。實(shí)際上，金屬設(shè)備、鋼管等的靜電不會(huì)存在電位差，靜電的釋放也不需要重復(fù)接地，更不需要對(duì)稱接地。

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

4)某現(xiàn)場(chǎng)不銹鋼管道的焊縫兩側(cè)做了靜電跨接，也是沒有必要的，因?yàn)楹缚p是導(dǎo)電的。

6 法蘭盤導(dǎo)電跨接的幾種方式

6.1 通過螺栓或墊片導(dǎo)電跨接

法蘭配套的金屬螺栓及墊片是良好的導(dǎo)體，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電跨接。該方式需要考慮環(huán)境對(duì)法蘭、螺栓材質(zhì)的腐蝕影響。

對(duì)于很多現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境都會(huì)采取防腐措施，例如： 涂刷防銹漆、鍍鋅、表面處理等。應(yīng)評(píng)估防腐措施對(duì)于導(dǎo)電的影響。不建議采用去除防腐措施的方法提高導(dǎo)電性能，因?yàn)樵诟g環(huán)境中如果沒有良好的防腐措施，當(dāng)螺栓和螺母出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象時(shí)，將影響法蘭的預(yù)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)電跨接的場(chǎng)合有以下幾方面：

1)非腐蝕環(huán)境。例如： 干旱的內(nèi)陸地區(qū)。

2)耐腐蝕材料的法蘭、螺栓。例如： 耐工藝介質(zhì)腐蝕的不銹鋼。

3)導(dǎo)電的防腐措施。例如： 導(dǎo)電的防腐涂層或鍍層，這種防腐措施應(yīng)當(dāng)是設(shè)備選材時(shí)通盤考慮的，不應(yīng)該是單純?yōu)閷?dǎo)電跨接采用的。

6.2 通過螺母壓接接地片實(shí)現(xiàn)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(dǎo)線實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電跨接。該方式需要注意連接片的材質(zhì)與法蘭螺栓螺母材質(zhì)的腐蝕配置不當(dāng)產(chǎn)生的腐蝕，以免影響法蘭螺栓的連接性能。應(yīng)采用防腐蝕的金屬配置或與法蘭螺栓材質(zhì)相同的連接片，否則可能存在腐蝕。

6.3 設(shè)置“接地耳”實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電跨接

在管道或者設(shè)備(閥門)上設(shè)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(dǎo)線實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接。在腐蝕環(huán)境采取防腐措施的法蘭螺栓連接不能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電跨接時(shí)，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(yè)設(shè)計(jì)，在某些場(chǎng)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(yīng)能便于連接施工。

6.4 使用螺栓防腐膠

石油化工廠內(nèi)存在腐蝕環(huán)境，為了保證螺栓不會(huì)因?yàn)楦g而影響導(dǎo)電性能，可以采用螺栓防腐膠，這種膠具有鐵銹轉(zhuǎn)化功能，可以消除鐵銹，并可以隔絕外界腐蝕性介質(zhì)的滲透，使螺栓不會(huì)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(dǎo)電性能。

7 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的依據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中規(guī)定并參考國(guó)外資料，以天津某公司測(cè)試記錄為例，法蘭連接處過渡電阻的實(shí)測(cè)值，見表1所列。

從表1可以看出，有跨接線和沒有跨接線對(duì)于連接處過渡電阻影響不大，4個(gè)螺栓和8個(gè)螺栓沒有跨接線時(shí)過渡電阻值相差不大。甚至一些情況下4個(gè)螺栓的過渡電阻小于8個(gè)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(dǎo)電接觸是否良好，而不是螺栓數(shù)量。

表1 裝置不同部位法蘭連接處過渡電阻的實(shí)測(cè)值

8 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的連接電阻的質(zhì)疑

如上文所述，電荷在物體上或物體之間的移動(dòng)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1 MΩ即可。規(guī)范規(guī)定的接地電阻為不大于100 Ω，已經(jīng)很寬裕。為什么靜電跨接需要小于0.03 Ω呢？

爆炸性環(huán)境中的管道等金屬體進(jìn)行靜電接地是為了避免出現(xiàn)可能引起火花的間隙放電，既然100 Ω的導(dǎo)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0.03 Ω的連接電阻。

規(guī)范中的“防閃電感應(yīng)”，實(shí)際上也是為了避免由于閃電感應(yīng)引起的電涌在法蘭盤間隙產(chǎn)生火花，同樣不需要小于0.03 Ω的連接電阻。另外，電火花不會(huì)產(chǎn)生在非氣體的介質(zhì)中。

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

9 結(jié)束語

本文介紹了靜電、靜電防護(hù)和雷電防護(hù)概念，針對(duì)金屬管道法蘭對(duì)等電位連接方式及要求，對(duì)比不同標(biāo)準(zhǔn)，從工程實(shí)際出發(fā)，當(dāng)法蘭螺栓連接具有良好導(dǎo)電性時(shí)，優(yōu)先采用螺栓連接實(shí)現(xiàn)等電位連接。對(duì)法蘭導(dǎo)電跨接需要關(guān)注法蘭螺栓本身的導(dǎo)電，不是所有的法蘭都需要另加導(dǎo)電跨接的。在某些場(chǎng)合可以采用接地耳的方法進(jìn)行導(dǎo)電跨接，法蘭連接和導(dǎo)電跨接還應(yīng)當(dāng)注意腐蝕問題，需要采取相應(yīng)的防腐措施。合理地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和實(shí)施，不僅滿足靜電防護(hù)和雷電防護(hù)的要求，也是生產(chǎn)裝置生產(chǎn)安全的主要保障。