1、靜電的概念
靜電是存在于物體表面的電荷，對于觀察者是相對靜止的。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)和儲運過程中，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)生量與消散量動態(tài)平衡的相對穩(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。實驗證明物體表面電阻小于1MΩ就可以使電荷移動，所以物體的靜電接地電阻小于1MΩ就能對地釋放靜電。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定物體靜電接地電阻不大于100Ω，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1kΩ，這對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1MΩ時，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)電連接實現(xiàn)了等電位，目的是靜電防護和雷電防護。
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)通載流能力兩個方面。
4、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定
對于金屬管道法蘭對的等電位連接，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：
①GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》中第4.2.2條規(guī)定：對于第一類防雷建筑物的防閃電感應(yīng)，當(dāng)長金屬物的閥門、法蘭盤、彎頭等連接處的過渡電阻值大于0.03Ω 時，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。
②SH/T3097-2017《石油化工靜電接地設(shè)計規(guī)范》中第5.3.4條規(guī)定：當(dāng)金屬法蘭采用金屬螺栓緊固時，通?？刹涣碓O(shè)靜電跨接連接線，但應(yīng)保證至少有2個金屬螺栓具有良好的導(dǎo)電接觸面。
③HG/T20675-1990《化工企業(yè)靜電接地設(shè)計規(guī)程》中第2.7.5條規(guī)定：金屬法蘭使用金屬螺栓緊固時，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個螺栓的接觸面去銹和除油污，并應(yīng)加裝防松螺帽。從實踐經(jīng)驗來看，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。
④GB/T20801.4-2020《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)計有靜電接地要求的管道，當(dāng)每對法蘭間或其他接頭間的電阻值大于0.03Ω 時，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)線跨接。
⑤GB501056-2021《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，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0.03Ω)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。
⑥GB50177-2005《氫氣站設(shè)計規(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0.03Ω 以下。如果管道接頭生銹，會使接觸電阻增大。試驗表明，螺栓連接的法蘭盤之間存在生銹腐蝕時，在雷電流幅值相當(dāng)?shù)?10.7ｋＡ)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。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。
⑦GB50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范(2021年版)》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0.03Ω。在正常環(huán)境無銹的情況下，管道法蘭等處的接觸電阻在0.03Ω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。
實際工程設(shè)計和實施時，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法蘭對之間的連接如何兼顧防閃電感應(yīng)和靜電防護。
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)場常見問題
5.1腐蝕及法蘭密封
對于現(xiàn)場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，在緊固法蘭的多個螺栓中，壓緊靜電跨接接線片的螺栓，很可能因為銅質(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 多余的跨接線針對多余跨接線有不同觀點，具體如下：
①部分觀點認為，金屬法蘭采用金屬螺栓連接也需要導(dǎo)電跨接線。實際上，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。法蘭上多個螺栓的導(dǎo)電截面積要比跨接導(dǎo)線大得多。
②部分觀點認為需要對稱接地，即需要重復(fù)接地，提高接地的可靠性。實際上，金屬設(shè)備、鋼管等的靜電不會存在電位差，靜電的釋放也不需要重復(fù)接地，更不需要對稱接地。
③在某油田的消防水管道做了靜電跨接，其實非純凈的水是導(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，因為焊縫是導(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，可實現(xiàn)導(dǎo)電跨接。該方式需要考慮環(huán)境對法蘭、螺栓材質(zhì)的腐蝕影響。
對于很多現(xiàn)場環(huán)境都會采取防腐措施，例如：涂刷防銹漆、鍍鋅、表面處理等。應(yīng)評估防腐措施對于導(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，因為在腐蝕環(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，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?？梢酝ㄟ^螺栓實現(xiàn)導(dǎo)電跨接的場合有以下幾方面：
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現(xiàn)導(dǎo)電跨接時，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，在某些場合下需要考慮熱處理；閥門上的“接地耳”建議隨閥門附帶?！敖拥囟钡男褪綉?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，為了保證螺栓不會因為腐蝕而影響導(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)文獻中規(guī)定并參考國外資料，以天津某公司測試記錄為例，法蘭連接處過渡電阻的實測值，見下面所列。
裝置不同部位法蘭連接處過渡電阻的實測值
①殘液管道上法蘭，4個螺栓齊全，無跨接線時過渡電阻0.0075Ω
②殘液管道法蘭，4個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0120Ω
③儲罐下閥門，8個螺栓齊全，無跨接線時過渡電阻0.0090Ω
④儲罐下閥門，8個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0120Ω
⑤φ89mm液相管法蘭，8個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0110Ω
⑥φ89mm管道新裝法蘭，8個螺栓齊全，無跨接線時過渡電阻0.0070Ω
⑦φ57mm液相管法蘭，4個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0050Ω
⑧φ89mm液相管法蘭，8個螺栓齊全，拆下跨接線時過渡電阻0.0060Ω
⑨φ89mm液相管法蘭，8個螺栓齊全，有跨接線時過渡電阻0.0100Ω
從上面的實測值可以看出，有跨接線和沒有跨接線對于連接處過渡電阻影響不大，4個螺栓和8個螺栓沒有跨接線時過渡電阻值相差不大。甚至一些情況下4個螺栓的過渡電阻小于8個螺栓的過渡電阻。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。
8、對標(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1ＭΩ 即可。規(guī)范規(guī)定的接地電阻為不大于100Ω，已經(jīng)很寬裕。為什么靜電跨接需要小于0.03Ω呢？
爆炸性環(huán)境中的管道等金屬體進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100Ω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0.03Ω的連接電阻。
規(guī)范中的“防閃電感應(yīng)”，實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0.03Ω的連接電阻。另外，電火花不會產(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判。將連接電 阻小于0.03Ω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、靜電防護和雷電防護概念，針對金屬管道法蘭對等電位連接方式及要求，對比不同標(biāo)準(zhǔn)，從工程實際出發(fā)，當(dāng)法蘭螺栓連接具有良好導(dǎo)電性時，優(yōu)先采用螺栓連接實現(xiàn)等電位連接。對法蘭導(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。在某些場合可以采用接地耳的方法進行導(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。合理地進行工程設(shè)計和實施，不僅滿足靜電防護和雷電防護的要求，也是生產(chǎn)裝置生產(chǎn)安全的主要保障。
作者：范詠峰、唐斌、林筱華
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