放熱焊接技術(shù)在石油化工企業(yè)接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

[內(nèi)容摘要]結(jié)合海南實華煉油化工有限公司海南煉化續(xù)建項目的接地工程實例，介紹了放熱焊接這種新型接地連接方式在石油化工系統(tǒng)中的應(yīng)用。
[關(guān)鍵詞]銅鋼合金接地棒，放熱焊接，接地電阻，接觸電阻。
一、概述
近年來隨著越來越多的外資進入我國的石化行業(yè)以及國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，原有的各類大型石化企業(yè)的改擴建工程日益增多，同時規(guī)劃和新建了多個大型煉化一體化的工程項目。當(dāng)前,石化企業(yè)的大多數(shù)電氣設(shè)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(tǒng)及時排除干擾信號和泄放故障電流以保障各類設(shè)備的正常運行。
二、接地設(shè)計方案優(yōu)化
     目前國內(nèi)接地系統(tǒng)中接地的材料通常采用鋼材，形式上多為扁鋼和角鋼，它存在使用壽命短、維護費用高和接地電阻不穩(wěn)定的缺點。一般而言，3～5年接地材料就會受到比較嚴(yán)重的腐蝕，特別是加灌了降阻劑的地區(qū)的接地材料就更容易被腐蝕，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，部分腐蝕嚴(yán)重的地方使用8～10年后就需要重新改造接地系統(tǒng)，造成了資源的嚴(yán)重浪費。
     在許多采用TN-S的系統(tǒng)中，都需要檢測零序電流作為發(fā)生接地故障保護時的判據(jù)，而傳統(tǒng)接地方式接地的材料--鋼材的導(dǎo)電率（0.7x107）要遠遠低于銅材的導(dǎo)電率（1.56x107），經(jīng)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有很大的影響；隨著科技的進步，近年我們鄭州凱威防雷科技有限公司逐步推廣采用了以銅作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，然而連接方式大多采用壓接的方式，這種連接方式構(gòu)成的接地系統(tǒng)相比傳統(tǒng)接地系統(tǒng)大大提高了接地系統(tǒng)的使用壽命，但是它也存在著巨大的隱患-壓接點的接觸電阻過高造成了可靠性的大幅下降。
三、放熱焊接技術(shù)原理
以銅作為接地的主要材質(zhì)對接地體之間的連接方式提出了很高的要求，鄭州凱威防雷科技有限公司新型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(xué)院（Case institute of Technology，現(xiàn)稱西凱斯大學(xué)）的查爾斯.卡特威爾博士（Dr. Charles Caldwell），他1938年在“電氣鐵路公司”任顧問時所開發(fā)并命名了CALDWELL銅基放熱反應(yīng)，其原理是用較活潑的金屬來還原銅,通過在化學(xué)反應(yīng)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(dǎo)體不會被破壞并且沒有接觸面，電解質(zhì)等不會滲透到導(dǎo)體交界面上導(dǎo)致氧化或隨時間老化,導(dǎo)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(yīng)公式為3CuO+2Al--->6Cu+Al2O3+熱量（2537oC或4600oF），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。
由于我國使用放熱焊接技術(shù)的時間還不長，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也都還未制定發(fā)布，但是在國外，尤其在歐美等地區(qū)的各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都直接或間接的提到了放熱焊接這一方法。
A． IEEE標(biāo)準(zhǔn)80-1986（1991年版）《交流電變電所接地安全性守則》，該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為：放熱焊接如正常的話，它就相當(dāng)各種連接器必須減少額定值使用或者必須通過IEEE標(biāo)準(zhǔn)837-1989所規(guī)定的鑒定試驗。IEEE標(biāo)準(zhǔn)80的其他幾部分在提到接地系統(tǒng)時也都提到了放熱焊接。
B． NEC（國家電氣規(guī)范），根據(jù)該規(guī)范第250章，放熱焊接可以在幾種場合采用。由于該規(guī)范在正常情況下，只接受“列出”的接地部件。由于放熱焊接不是部件，因此規(guī)范中明確寫出了放熱焊接這一名稱。參見：第250章81，91，113及115節(jié)。
C． BS 6651（1991），該規(guī)范中更是明確寫出：除CALDWELL放熱焊接以外，任何連接點均被視為導(dǎo)電系統(tǒng)上的不連續(xù)并容易受到破壞。
采用放熱焊接工藝具有以下的優(yōu)點：
1)焊接點的載流能力（熔點）與導(dǎo)線的載流能力相等,接觸電阻值��；
2)因為焊接點是焊接而成的，所以是永久性的，不易老化；
3）焊接是一種永久性的分子結(jié)合，不易松脫；
4）焊接點像銅一樣不受腐蝕性產(chǎn)物的影響；
5）焊接點能經(jīng)受反復(fù)多次的大浪涌（故障）電流而不易退化；
6）焊接方法簡單實用，培訓(xùn)容易；
7）供焊接用的材料很輕，攜帶方便；
8）進行焊接時，無需外接電源或熱源；
9)從外觀上便能核查焊接的質(zhì)量;
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(xiàn)在的大型石化企業(yè)中通信系統(tǒng)的接地網(wǎng)一般都與全廠的接地網(wǎng)構(gòu)成一個整體，放熱焊接方式在數(shù)字通信系統(tǒng)中能確保“無燥音”聯(lián)結(jié)。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，該信號會引起錯誤數(shù)據(jù)甚至導(dǎo)致電路的永久損壞。采用放熱焊的方式可使其焊接點的分子聯(lián)結(jié)不受腐蝕，不受灰塵和清潔液的影響。  
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(nèi)水氣的產(chǎn)生。因為一個良好的焊點應(yīng)當(dāng)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(nèi)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）或其它附著物等必須完全清除并使其潔凈光亮后才要進行焊接作業(yè)，否則焊點的導(dǎo)電性能與機械性能將受到影響。如果模具內(nèi)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(chǎn)生、清潔被焊接物、清潔模具是影響熔接效果的關(guān)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、2.4m 和 3m等幾種規(guī)格。高強度的鋼質(zhì)內(nèi)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(dǎo)電性和泄流能力，增強電極的防腐，從而使接地系統(tǒng)的接地電阻長期保持穩(wěn)定，并延長接地系統(tǒng)的使用壽命。銅鋼合金接地棒和接地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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。  
四、工程中的實際應(yīng)用效果
在海南實華煉油化工有限公司海南煉化續(xù)建項目的接地工程中，生產(chǎn)裝置內(nèi)采用了共用接地裝置，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(wǎng)，所以要求接地阻值要小于1Ω。若用常規(guī)的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(shù)量的方式。而采用以銅包鋼接地極、裸銅絞線的接地系統(tǒng)，如果不能有效解決連接點的接觸電阻值過大的問題，則無法滿足要求。
經(jīng)反復(fù)研究論證，最終決定采用 以銅包鋼為接地極、裸銅絞線為接地線的接地系統(tǒng)。接地導(dǎo)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(xiàn)場的各類施工人員只需很短的時間就能夠熟練得的掌握這種焊接技術(shù)�，F(xiàn)在全廠的各裝置區(qū)內(nèi)接地網(wǎng)基本施工完畢，經(jīng)過實測接地電阻值約為0.2Ω ，遠遠小于設(shè)計要求。
裸銅絞線和銅包鋼接地極的接地系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的鍍鋅鋼材接地系統(tǒng)一次性投資增加了許多，但是后期的維護和重復(fù)投入則大大減少，因而從經(jīng)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(tǒng)接地方式，但是從長遠來看其總體投資額和傳統(tǒng)接地方式相當(dāng)。
目前，采用 以銅包鋼接地極、裸銅絞線的接地系統(tǒng)已經(jīng)在石化行業(yè)內(nèi)大量推廣采用，而放熱焊接技術(shù)也已在石化行業(yè)被越來越多的采用，從而解決了在共用接地網(wǎng)的施工中接地連接點接觸電阻值高，降阻困難，現(xiàn)場施工難度大，接地系統(tǒng)使用壽命短的難題。通過以上的應(yīng)用實例可以證明，新型的接地方式和放熱焊接技術(shù)完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)接地方式，極具推廣和應(yīng)用價值.