大慶地區油氣場站接地現狀的分析及優化

馬健雄

大慶油田工程質量監督站

隨著電氣化、電子化時代的到來，用于原油、天然氣等易燃易爆產品的生產和貯存、含油污水處理等存在爆炸危險環境的場站所采用的電氣設備、電子儀表越來越密集，對區域內電氣儀表設備設施的安全性要求也更嚴格。接地作為重要的安全性措施，在防電荷積聚放電、防雷電侵擾、防故障電流擊穿等方面起到了尤為關鍵的作用。在爆炸和火災危險區域，電氣設備、電子儀表、工藝裝置的接地可靠性至關重要。

1 場站爆炸危險環境的接地狀況

目前，大慶油田油氣場站絕大部分仍以熱鍍鋅鋼材為主要接地材料，采用單組與環網相結合的形式，實現供配電系統、控制及通信系統、防雷設施、各類橇裝、壓力容器及其安裝的電氣設備、儀表等的接地。對防爆區域電氣、儀表設備的接地線路雖已明敷，但只能保證地面以上接地線路與設備連接情況的可見。近五年，大慶油田對部分涉及爆炸危險環境的場站分批進行接地電阻檢測，通過補打接地極的方式，解決接地材料腐蝕嚴重、接地電阻值超標、接地失效等問題。

2 接地裝置施工質量分析

接地裝置的電阻由接地極電阻、接地線電阻、接地極與土壤的接觸電阻以及接地極周圍土壤的散流電阻構成。依據實際試驗數據結果[1]，構成接地裝置的電阻中其他電阻的測量值遠小于土壤的散流電阻。因此在相同材料的前提下，接地電阻值的大小取決于接地極周圍土壤的散流電阻和接地線路的連接質量。結合當前接地施工中存在的問題，從接地極的埋設、接地裝置的連接、防腐方面的施工質量進行分析。

2.1 接地裝置的連接質量

2.1.1 接地裝置的焊接質量

油田接地極的連接、接地線路的連接大部分采用手工電弧焊接方式，接地導體的焊接是接地施工的關鍵環節，起到了固定、導通接地線路的作用。以下3種情況在檢查中較難發現，且隱蔽后短時間內檢測不到，嚴重影響接地線路連接的可靠性：①扁鋼之間、扁鋼與角鋼的三邊角焊縫未滿焊，形成點焊或虛焊；②扁鋼或角鋼在焊接中變形，造成三邊雖滿焊，但中心部位仍留有較大空隙；③扁鋼或圓鋼與較薄的鋼件焊接，將鋼件燒穿。

點焊主要起到固定作用，無法保證搭接面的緊密接觸；而虛焊極易造成焊縫受應力斷裂，同時減弱導體的導通性；焊接帶來的高溫可能造成鋼材的變形，不但造成搭接不嚴密，還會形成應力腐蝕，經歷一段時間的腐蝕可能造成導體連接處的斷裂，使電流無法導入地下；與厚度不足3 mm 的鋼件焊接，一旦燒穿不僅造成母材損傷，更會造成與設備連接的不可靠。針對扁鋼或角鋼的連接變形問題，在焊接施工前采用夾緊工具將焊接部位整體壓緊（圖1），待三邊焊接完成后取下，能有效保證搭接部位的嚴密接觸，提升接地連接的可靠性。

圖1 焊接夾緊裝置Fig.1 Welding clamping device

2.1.2 螺栓壓接的連接質量

接地裝置安裝的斷接卡，采用螺栓壓接的方式，方便日后接地電阻檢測，但同時也給接地可靠性帶來了更多的隱患點。以下3種情況會嚴重影響壓接點的嚴密性，造成接地線路連接的不可靠：①扁鋼采用單螺栓壓接，搭接面積不足，可能造成虛接；②扁鋼未除絕緣性防腐漆進行壓接，搭接面的電流無法導通；③在一些振動設備的接地中，螺栓的緊固件未采用防松墊圈，可能造成接地虛接、斷路[2]。

扁鋼的壓接、斷接卡及銅線壓接的施工存在點多、零件多的情況，壓接的嚴密性容易被忽視。因此采用聯合接地網與接地檢測井結合的方式，減少斷接、壓接點的施工，保證接地線路的完整，能夠有效提升接地連接的可靠性。

2.2 連接部位的防腐質量

目前，油田建設施工中對接地焊接防腐的材料選用及做法尚未做明確要求，依據近幾年施工出現的較嚴重問題，結合近幾年常使用的幾種防腐涂料對比分析。在檢測中發現，以下5種情況對接地線路的耐腐蝕可靠性有較大影響：①焊接完成，不防腐即掩埋；②防腐漆未干，已經回填；③防腐漆未及時涂刷，鋼材已經銹蝕較深；④軟銅線與扁鋼壓接處銹蝕嚴重，未及時處理；⑤鋼材鍍鋅層已經嚴重剝落，未進行修補即埋入地下。

經實驗表明，大慶地區的土壤對金屬的腐蝕程度處于中強級；大慶地區地下300～800 mm深度的土壤含水率處于12%～25%之間，有利于土壤中腐蝕電池工作的進行，土壤電阻率較小，對金屬構件腐蝕速率較高，超過地下800 mm 時影響逐漸減弱[3]。同時GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》中規定熱鍍鋅鋼材焊接后，在焊痕外至少100 mm 的范圍內應采取可靠的防腐處理[4]，在隱蔽前及時對焊道或鋅層剝落處進行防腐處理，能夠保證接地網的耐腐蝕性能，保證其正常的使用年限。

4 種防腐涂料的數據（表1）反映了各涂料防電化學腐蝕及防氧化性能、施工性能、毒性污染性和各自的特性。根據接地的安裝位置，空氣中的含鹽成份及溫度、濕度等或土壤的酸堿性、溫度、濕度等條件，使用相適應的防腐漆，保證接地線路的安全運行。

表1 4種金屬防腐漆的相關性能對比Tab.1 Comparison of related properties of four kinds of metal anti-corrosion paints

2.3 接地極的埋設質量

接地極的埋設是接地裝置施工的核心，接地裝置的電阻由接地線本體的電阻Ra、接地連接處的接觸電組Rb、接地極電阻Rc、接地極與土壤的接觸電阻Rd以及接地極周圍土壤的散流電阻Re構成（圖2）。而經實驗證實，接地極周圍土壤的散流電阻遠大于接地線路上的其他電阻，近似接地電阻測試值。

圖2 接地電阻的構成Fig.2 Construction of ground resistance

散流電阻所體現的是土壤的本身屬性，由實際監測實驗的結論可知：①電阻率隨土壤深度的加深而降低；②隨著土壤深度加深，電阻率降低的幅度大幅減??；③水分散失能夠造成土層的電阻率的明顯升高。

目前油氣田各場站采用50 mm×50 mm×2 500 mm熱鍍鋅角鋼作為接地極，根據設計或相關規范的要求，接地極的埋設深度應達到自然地平面以下3.1～3.2 m 的深度范圍，并在地面以下0.7～0.8 m 的范圍用熱鍍鋅扁鋼將接地極連接起來。施工中存在以下影響接地可靠性的因素[5]：①接地極埋設深度不足，大部分在凍土層以內；②人為截斷接地極，導致埋設深度和長度均不足；③接地極埋設位置用垃圾土回填；④連接接地極的扁鋼埋設深度不足。

大慶地區冬季地表平均氣溫為-20 ℃，凍土層平均厚度為1.9 m，土壤的平均電阻率約100 Ω·m。根據監測結果[6]，由于凍土層的含水率較低，土壤的電阻率大幅升高，接地電阻值也隨之增大。凍土層對接地電阻的影響試驗數據曲線見圖3。

圖3 凍土層對接地電阻值影響曲線Fig.3 Influence curve of frozen soil layer on ground resistance value

結合油氣田場站施工實際情況，垂直接地極埋深3.2 m時，有約2/3的部分處于凍土層，厚度約為1 m，下部1/3的部分處于軟土層（圖4）。由圖5可知，當垂直接地極長度大于凍土層厚度時，接地電阻值會突然下降，主要原因是流過接地極的電流主要通過下層較小電阻率的土壤泄放入地[7]。

圖4 垂直接地極埋設于凍土層與軟土層Fig.4 Vertical grounding electrode buried in frozen soil and soft soil layers

圖5 垂直接地極長度與接地電阻在不同凍土深度的影響曲線Fig.5 Influence curve of vertical grounding electrode length and grounding resistance at different frozen soil depths

由此可知，為保證冬季低溫環境下的接地效能，油田常用的2.5 m 長的角鋼接地極垂直打入地下的深度應保證大于凍土層厚度，在6 m的范圍內埋設的深度越深，接地電阻值越小[8]。

根據腐蝕試驗的數據可知，熱鍍鋅扁鋼在土壤中的連接位置應保證在土壤含水率12%以下，避開電化學腐蝕活躍層。結合相關規范要求及大慶地區的實際環境，將接地極的連接扁鋼埋設于地下800 mm 以下，是降低鋼材腐蝕速率、保證接地網可靠運行年限的有效措施。

3 場站接地安裝及檢測的優化

3.1 采用聯合接地網和接地檢測井

針對大慶油田油氣場站的爆炸危險環境，建議采用聯合接地的設計方式。聯合接地即共用接地，是將保護接地、工作接地和防雷接地統一接入一個共同的接地系統。在油氣場站中將防爆區域內的接地設備、設施分區域各自形成環網，各環網引出熱鍍鋅扁鋼至場站接地檢測井，壓接于同一銅母排上，實現各接地環網的并聯。此接地方式的采用具有以下優點：

（1）站場接地整體形成一個均壓環，保證了各接地點的電位一致，避免了電氣設備故障和不同設備意外連接時形成電位差產生的放電情況，保護了用電設備和人身安全[9]。

（2）降低了站場接地系統整體的接地電阻值。

（3）聯合接地網的建立，使各接地分系統之間互為補充，提升了接地的可靠性。

（4）簡化了多點檢測的操作，將接地檢測集中于一處，提高了檢測效率。

3.2 應用鉗形接地電阻測試儀

鉗形接地電阻測試儀[10]相當于電壓發生器與電流放大器的組合，通電線圈環繞接地導體，在導體中產生電磁感應，在接地回路中形成變化的電動勢及電流，根據歐姆定律，經過計算模塊的運算，得出回路的接地電阻（非工頻）。因此，鉗形接地電阻測試儀主要應用于測量有回路的接地系統的接地電阻，具有不需斷開接地引下線，不需輔助電極的優點。因此采用此設備檢測接地電阻，具有以下優勢：

（1）減少了接地引下線的斷接，保證了接地線路的完整性，提高了接地線路的可靠性。

（2）有效規避了地下金屬管道、大功率用電設備的電磁干擾。

（3）省去了傳統接地電阻測試方法的接地極安裝程序，提高了檢測效率。

（4）在檢測接地網時能夠直接檢測出設備設施與接地回路連接的實際情況，能夠實現對接地回路可靠性的監測。

結合接地檢測井，以某站場A、B 兩個獨立接地系統、接地檢測井接地系統C為例（圖6），A接地系統的接地電阻為RA，要測量的是接地系統B的接地電阻RB，斷開檢測井內接地母排上接地系統B 的扁鋼連接，由于接地檢測井內設有接地極，與各接地系統能夠形成回路，接地檢測井回路的接地電阻為RC，分兩次進行測試。實際測試電阻值分別為R3、R4，則 ：R3=RA+RC，R4=RA+RB+RC，得出B 接地系統的接地電阻RB=R4-R3。由此可知，各接地網的接地電阻值都可由計算得出。

圖6 鉗形接地電阻測試儀與接地檢測井結合的測試過程Fig.6 Testing process of the combination of the clamp type grounding resistance detector and the grounding detection well

3.3 結合土建基礎優化接地施工

針對橇裝、壓力容器等采用混凝土基礎底座的接地裝置的安裝，依托其混凝土基礎埋設接地極。在基礎開槽完成后打入接地極，澆筑前完成接地極的連接，通過熱鍍鋅扁鋼或圓鋼與基礎的地腳螺栓預埋件可靠焊接，保證預埋件與橇裝底座的接觸嚴密即能實現橇裝的可靠接地。該做法的優點有：

（1）有效保證了接地極埋設深度在凍土層以下，規避了施工中接地極埋深不足、遭到破壞等情況。

（2）節省了場站有限的地下空間，為管線、電纜的布放提供了更多空間。

（3）接地極的埋地位置定位明確，連接走向明確，方便改造維護。

此方法涉及土建和電氣不同工種交叉作業，工序的銜接必須嚴密，對施工單位的管理協調能力有較高的要求。

4 結論

針對大慶油田影響接地可靠性的問題進行了分析，探索出了提高接地施工質量的多方面措施，并從多角度提出幾點有效提升接地可靠性和檢測效率的建議：

（1）接地焊接夾緊裝置的應用，能夠提升接地的焊接質量，并方便施工人員操作。

（2）接地線路埋設于地面以下800 mm 的土壤腐蝕電池相對穩定的土層，并選擇適應土壤腐蝕性質的防腐涂料，能夠有效保證接地線路的使用年限。

（3）在基礎開槽后即進行接地極的埋設，保證接地極大部分或全部處于凍土層以下，能夠有效降低接地電阻，保證接地電阻的低值狀態；同時將橇裝、壓力容器、儲罐等設備設施的基礎作為接地線路的載體，也能提高接地的安全性。

（4）采用聯合接地網，將不同接地系統并聯起來，增大了接地面積、降低了接地電阻，避免了因后期腐蝕造成接地電阻不滿足規范要求的情況，提升了接地可靠性。

（5）建筑物接地與共用接地網之間適當設置接地檢測井，能夠明顯提高檢測效率，避免接地自身的干擾。

（6）鉗形接地電阻測試儀采用安全電壓，且不需斷開負載測試，減少場站接地線路的斷接，在防爆場所應用能極大的提高檢測效率，提高場站接地可靠性。