油气站场金属管道法兰跨接导线设置认识上的误区.doc

油气站场金属管道法兰跨接导线设置认识上的误区潘永东 王洪明（中国石油华北油田公司质量安全环保处，河北任丘，062552）摘要： 油气站场属易燃易爆场所，其生产设施的雷电与静电防护历来是现场安全管理工作的重点，但由于部分企业安全技术及管理人员，甚至政府部门的个别安全监管人员对该问题认识不深刻，概念不清晰，导致油气站场金属管道雷电与静电防护措施设置不当。本文通过分析油气站场金属管道系统雷电和静电危害的形成机理、危害方式和危害后果，深入研究两者之间的联系和区别，纠正了人们在金属管道法兰跨接导线设置认识上存在的误区，提出相应的安全防护意见，进而提高油气站场的本质安全水平。本文还向国家有关部门提出相关建议，希望藉此推动国家标准化事业的健康发展。关键词：管道法兰 防雷 防静电 跨接导线 设置The misunderstanding on the installing of metal pipeline flange jumper wire in oil and gas stationPan Yongdong，Wang Hongming（HSE Department of PetroChina Huabei Oilfield Company, Renqiu, Hebei, 062552）Abstract: Oil and gas stations are parts of flammable or explosive environment, how to protect the production facility from the damage of thunder and static is the key point of safety management work on site. But because of parts of safety technology and management personnel in company, so much as some safety supervise personnel in the government dont know the problem deeply and concepts clearly, it result in setting up the method unreasonable to protect the metal pipeline from the damage of thunder and static. By analyzing the formation mechanism, the way of damage and harmful consequences of destroying the metal pipeline by the damage of thunder and static, this paper studies the connection and difference between the two, corrects peoples misunderstanding on the installing of metal pipeline flange jumper wire, puts forward corresponding opinions about safety protection, and then improves the standard of intrinsically safe in oil and gas station. At the same time, this paper puts forward some suggestions to the related departments, and wants to push forward the healthy development of national standardization undertakings.Key words: pipeline flange, anti-lightning, anti-static, jumper wire, set up作者简介：潘永东，男，1962年生， 1983年毕业于华东石油学院机械系化工机械专业，大学文化，工学学士，高级工程师，国家注册安全工程师，国家一级建造师，长期从事油气田工程建设及油气安全生产管理工作，曾发表多篇安全技术论文，独立编著陆上油（气）田油气集输系统安全风险与控制。电话：[phone]， E-mail: zjz_pyd1 引言油气站场属易燃易爆场所，一旦发生雷击或静电打火极易引发火灾爆炸，造成人员伤亡和财产损失。因此，各油气生产企业普遍将油气站场雷电与静电防护作为生产现场安全管理工作的重点。但由于部分企业安全技术及安全管理人员，甚至政府部门的个别安全监管人员在防雷防静电认识上存在误区，导致防雷防静电措施设置不当。误区1：为避免静电打火，当管道金属法兰连接螺栓少于5根时，应进行导线跨接。误区2：对少于5根螺栓连接的金属管道法兰设置防雷防静电跨接导线，仅仅针对易燃易爆介质管道。本文仅针对上述两种观念，就油气站场金属管道法兰跨接导线设置问题进行探讨。2 油气站场金属管道静电危害与防护油气生产工艺一般由设备、管道、阀门等组成，从而实现油气集输、处理、储存和外输等各项功能。同时，系统中的设备、管道和各种管件的存在对静电的形成、积聚和消散又会产生较大的影响，因此，加强管道系统静电危害管理至关重要。2.1 金属管道法兰静电危害分析静电是一种自然现象，它滞留于物体表面，是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果，它通过电子或离子转移而形成1。在油气站场管道系统，介质在管道中流动，与管道内壁接触形成“双电层”，在湍动冲击和热运动的作用下，部分带电荷的分子离去时，在管壁上吸附一层极薄的不随介质移动的离子，并且因介质的电阻率不同而显示出不同的静电电位。为消除静电对系统的危害，一般采用接地方法将静电释放和消散，避免造成静电积聚，从而实现消除静电危害的目的。事实上，油气站场管道系统并不是一根完整的管子，除管子以外，往往还包括阀门、法兰、仪表及其它管件，在这些部位，介质流动状态会因介质性质、压力、流速不同而发生很大的改变，并影响静电的形成和集聚。在金属法兰处，设备、管件的存在会加大管道介质的湍动冲击，甚至影响其热运动，从而加快电子或离子的转移并滞留于管壁，提高金属法兰的静电电位。一方面，法兰的存在影响了管道的完整性，提高了管道系统的对地电阻，影响管道的静电释放，并在两片法兰之间形成电容。当电容电压达到一定极限后将产生放电打火现象，此时，若环境中存在易燃易爆物质，将可能引发火灾。而法兰盘之间的电压又和两片法兰之间的电阻成正比，并取决于法兰连接螺栓的数量和可靠性。另一方面，当油气管道法兰泄漏时，油气喷射与周围的空气摩擦将产生大量静电，可导致静电放电，进而引发火灾爆炸事故。2.2 金属管道法兰静电导通性分析从2.1可以看出，在不考虑管道介质流动状态和电阻率的前提下，管道系统的静电释放效果与法兰盘之间的电阻有关，电阻越大，系统对地电阻越大，静电积聚的可能性增大。同时，电阻越大，法兰盘之间的电压越大，更容易造成静电打火。因此，金属管道的静电危害在一定程度上取决于法兰盘之间的电阻值大小，即金属管道法兰的静电导通性。相对于雷电和工频电来讲，由于静电电流很小，往往以微安计，对静电导通材料的电阻大小要求很低。国家标准防止静电事故通用导则（GB 12158-2006）将静电导体定义为：在任何条件下，体积电阻率小于或等1106m的物料（标准退火铜在20时体积电阻率为1.724110-8m）及表面电阻率小于或等于1107的固体表面。也就是说，很多电气绝缘材料都可以满足静电导体的要求。为此，石油化工静电接地设计规范（SH 3097-2000）第4.3.3条规定，在管道系统上，当金属法兰采用金属螺栓或卡子紧固时，一般可不必另装静电连接线，但应保证至少有两个螺栓或卡子间具有良好的导电接触面。不仅如此，化工企业静电接地设计规程（HG/T 20675-1990）和化工企业静电安全检查规程（HG/T 23002-92）也有相同的规定。事实上，从不少单位的实践经验来看，用金属螺栓相连的金属法兰之间，仅是螺栓相连，已具有足够的静电导通性2。因此，对少于5条连接螺栓的金属法兰设置导线跨接并非是出于静电防护的需要。3 油气站场金属管道雷电安全防护3.1 油气站场雷电危害分析雷电是一种自然现象，发生雷电时，强大的雷电能量可摧毁建（构）筑物、生产设备，引燃或引爆油气，造成火灾爆炸、人员伤亡及财产损失。雷击的危害形式大致可划分为三类：（1）直击雷：雷电直接击于建（构）筑物、设备设施、大地或外部防雷装置上，产生电效应、热效应和机械力。雷击放电所产生的数万乃至数百万伏的冲击电压，可将无防雷装置或防雷装置存在缺陷的油气生产设施击毁，造成油气生产装置爆炸或火灾。巨大的冲击电压还可产生数千安至数百千安的电流，并在雷击电流通道上瞬时转变成巨大热能，将雷击电流通道上的物体加热，其温度可达800010000，使金属迅速熔化燃烧。雷击所释放的机械能，可直接对被击物体造成机械破坏。（2）闪电感应：由于雷云的作用，使附近导体上感应出与雷云符号相反的电荷，雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和，在导体上的感应电荷得到释放，如没有就近泄入大地之中，就会产生很高的电位，形成闪电静电感应。另一方面，由于雷电流迅速变化在其周围空间产牛瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势，从而形成闪电电磁感应。这些导体如果没有构成回路或连接不牢，会使导体各部件之间产生火花放电，引起油气爆炸和燃烧。（3）闪电电涌侵入：闪电击于防雷装置或管线上以及由闪电静电感应或雷击电磁脉冲引发，表现为过电压、过电流的雷电波，可沿着这些管线侵人屋内，危及人身安全或损坏设备。油气站场属易燃易爆场所，不仅表现在站场内部设备、管道存有大量的易燃易爆介质，当这些设施遭受雷击后，在电效应、热效应和机械力的冲击下，造成油气生产设施的破坏，引发介质泄漏，并由此导致火灾爆炸。而且闪电感应可导致金属设备、管道各部件之间产生火花，引起环境中的油气爆炸和燃烧。闪电电涌侵人还将直接危及操作人员的安全。3.2 油气站场金属管道防雷技术措施油气站场防雷是一项系统工程，其防护措施的实施往往并不是针对某一类型的雷电危害。油气站场防雷的主要技术手段是接地和等电位连接。通过系统接地，将雷电与雷电电磁脉冲的能量通过大地泄放，使区域内物体免遭雷击。等电位连接就是保持系统各部分不产生足以致损的电位差，避免金属导电体之间放电。雷电电流巨大，其泄放通道内的电阻大小直接影响管道系统的雷电防护效果，而金属法兰在管道系统中的大量存在，又对系统电阻产生很大的影响。一方面，金属管道法兰连接的可靠性直接影响管道系统接地有效性。由于金属管道法兰的电阻远远高于金属管子本体，其电阻值的大小直接影响雷电电流的释放，甚至导致管道防直击雷措施失效。另一方面，金属管道法兰之间电阻过高，将因闪电感应在法兰盘之间形成较高电压，可导致法兰盘之间放电并引发事故。为此，国家标准建筑物防雷设计规范（GB 50057-2010）4.2.2明确规定，第一类防雷建筑物内，当长金属管道弯头、阀门、法兰盘等连接处的过渡电阻大于0.03时，连接处应用金属线跨接。对不少于5根螺栓连接的法兰盘，在非腐蚀环境下，可不跨接。这里必须注意的是，该内容仅仅是针对第一类防雷建筑物。关于第一类防雷建筑物，GB 50057-2010标准3.0.2给出了如下定义：在可能发生对地闪击的地区，遇下列情况之一时，应划为第一类防雷建筑物：（1）凡制造、使用或贮存火炸药及其制品的危险建筑物，因电火花而引起爆炸、爆轰，会造成巨大破坏和人身伤亡者。（2）具有0区或20区爆炸危险场所的建筑物。（3）具有1区或21区爆炸危险场所的建筑物，因电火花而引起爆炸，会造成巨大破坏和人身伤亡者。由此可以看出，在第一类防雷建筑物内，对少于5根螺栓连接的金属管道法兰设置导线跨接，并不仅仅是针对易燃易爆介质管道，而是针对有可能造成严重后果的爆炸火灾区域。在这些区域，所有金属管道上的少于5根螺栓连接的法兰均应进行导线跨接。而对于第二类（如：爆炸后果较低的一般小型油泵房、计量间等）、第三类（如：密闭储存可燃气体的容器等）建筑物以及室外空旷环境下的平面管网，虽然不会因闪电感应引发特别严重的后果，但却会由于法兰电阻增大降低管道系统的雷电释放效果，引发直击雷破坏，造成管道破裂。巨大的电流还可能使金属法兰接触面熔化，进而引发易燃易爆介质泄漏并导致火灾爆炸事故发生。因而，除第一类防雷建筑物外，其它区域的易燃易爆介质管道金属法兰当少于5根螺栓连接时，应进行导线跨接。为此，石油与石油设施雷电安全规范（GB 15599-2009）4.7.1明确规定：输油管路可用其自身作接闪器，其弯头、阀门、金属法兰盘等连接处的过渡电阻大于0.03时，连接处应用金属线跨接。对有不少于五根螺栓连接的金属法兰盘，在非腐蚀环境下，可不跨接，但应构成电气通路。另一方面，由于国家标准工业金属管道工程施工规范（GB 50235-2010）7.3.6明确规定：当钢制管道安装遇到下列情况之一时，螺栓、螺母应涂刷二硫化钼油脂、石墨机油或石墨粉等。（1）不锈钢、合金钢螺栓和螺母；（2）设计温度高于100或低于0；（3）露天装置；（4）处于大气腐蚀环境或输送腐蚀介质。当这些螺栓涂刷二硫化钼润滑脂后，势必影响金属管道的电气导通性，这对于不少于5根螺栓连接的法兰是否可以满足过渡电阻不大于0.03的要求增加诸多不确定性。为此，对于超过5根连接螺栓的金属法兰，建议采用电力复合脂代替二硫化钼润滑脂，或通过测量电阻值确定是否进行导线跨接，确保在金属法兰盘之间具有良好的电气导通性。4 如何认识油气站场金属管道雷电与静电安全防护之间的关联雷电与静电均属自然现象。静电的产生主要取决于流体性质与流体状态，而雷电仅与气象条件有关。同时，雷电中的闪电静电感应也可以导致金属管道产生静电。在危害方式上，雷电与静电均与管道系统电气释放通道的可靠性有关。从危害形成的机理看，在不考虑油气泄漏引发静电危害事故的情况下，静电危害主要取决于管道系统的静电电位；而雷电危害则更多的取决于管道系统电气释放通道电阻的大小。从法兰过渡电阻对系统电气释放效果的影响来看，由于静电具有高电位、低电量等特点，其静电电流多以微安计，对系统电阻要求很低，金属法兰连接的过渡电阻对静电释放的影响很小；而雷电释放电流巨大，对系统电阻大小要求较高，金属法兰的连接可靠性对雷电防护的影响较为突出。从危害后果来看，法兰盘之间的静电放电仅对易燃易爆环境造成危害，而雷电除对爆炸火灾环境形成威胁外，还可以直接破坏金属管道和连接法兰，危害后果更为严重。另一方面，由于雷电的感应作用，只要气象条件具备，无论管道系统处于什么环境，是否存在静电危害，是否直接遭到雷击，都会受到雷电的威胁，其危害影响范围更广。至此。我们可以认为，相对于静电危害来讲，雷电危害的影响范围更广，且后果更为严重。当然，雷电危害的可能性更多的取决于油气站场所在区域的雷击次数，但并没有由此降低雷电安全风险。另外，在雷电与静电安全防护问题上，导致诸多错误认识的原因并不仅仅在于安全技术和管理人员本身，国家和行业标准在管道静电防护方面也存在着概念模糊问题。如：压力管道规范工业管道 第4 部分 制作与安装（GB/T 20801.4-2006），工业金属管道工程施工规范（GB 502352010），石油化工金属管道工程施工质量验收规范（GB50517-2010）等均有规定：有静电接地要求的管道，每对法兰或螺纹接头间电阻值大于0.03时，应设导线跨接。事实上，这些要求均属雷电防护内容，而这种突出静电防护的安全规定却从某种程度上淡化了雷电防护，这也是人们对防雷防静电认识模糊的原因之一。5 结束语油气站场金属管道法兰跨接导线设置不规范，反映出企业在防雷防静电方面的认识不足，但却从深层次反映出当前国家及行业标准的认识不规范、不统一问题。基于这一点，企业安全技术和管理人员应加强对油气站场防雷防静电技术的深层次研究，积极探索雷电和静电安全防护的有效途径，确保油气站场的运行安全。同时，建议国家有关部门加强对标准化工作的协调管理，确保防雷、防静电标准的规范、协调和统一，以此推动国家标准化事业的健康发展。参考资料：1 刘成文，宋振宇静电防护系统理论的探讨及其实际应用J电子工艺技术2002年9月第5期2232 HG/T 20675-1990化工企业静电接地设计技术规程 编制说明7