CSTM-石油化工工程接地用连铸铜覆钢技术条件编制说明

石油化工工程接地用连铸铜覆钢技术条件团体标准编制说明（征询意见稿）编制单位：北京市金合益科技发展有限公司编制日期：2021年11月

《石油化工工程接地用连铸铜覆钢技术条件》团体标准编制说明项目来源根据材试标字〔2021〕279号公告要求，《石油化工工程接地用连铸铜覆钢技术条件》的牵头起草单位为北京市金合益科技发展有限公司，参加起草单位为：全球能源互联网研究院有限公司、中石化宁波工程有限公司、中石化南京工程有限公司。工作组成员如下：序号姓名单位专业方向电话邮箱1王伟北京市金合益科技发展有限公司材料138****8000wangwei@2昝建云北京市金合益科技发展有限公司材料134****1684zanjianyun@3温锐虹北京市金合益科技发展有限公司材料186****1234wenruihong@4孙一中中标标准技术研究所有限公司标准化//5马光全球能源互联网研究院有限公司材料//6刘雯中国寰球工程有限公司//7郭建军中石化宁波工程有限公司///8龚雪中石化南京工程有限公司///9马颖中国石化工程建设公司///标准概况1.石油化工行业接地材料应用特点长期、可靠、稳定的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障。接地系统长期安全可靠运行的关键在于接地材料的质量和可靠性。石油化工行业电气设备总量多、密度高，高温高压设备多，易燃易爆品多；具有漏电故障概率大、火灾危害大，火灾扑救困难等特点，尤其应当重视接地安全防护。此外，石油化工装置设施体积大、占地多，接地网面积大，大长度连接多。综合而言，石油化工行业的接地系统应以全寿命免维护设计为原则，以尽可能降低因接地材料腐蚀而导致接地系统失效，从而带来接地故障事故的风险隐患。因其行业特性，石油化工行业对接地材料的土壤腐蚀寿命、机械性能、施工便利性要求更高。2.传统接地材料和铜覆钢对于接地工程而言，在设计上满足电气性能要求的前提下，接地金属材料的土壤腐蚀寿命是影响接地系统安全及使用寿命的最关键因素。常用的接地材料为金属铜和金属钢。我国建国初期沿用苏联建设标准，加之我国属于缺铜国家，因此我国接地工程多用热镀锌钢。但是，热镀锌钢在中及强腐蚀地区腐蚀寿命较短，一般应用5~10年后腐蚀就十分严重，存在巨大的安全隐患。且钢质接地网的维护、检修工作量巨大，虽然一次造价低，但综合运营成本高。铜材电气性能好、耐腐蚀性强，是理想的接地材料。但我国铜储量少，依赖进口，属于战略性资源，若在接地网大面积采用铜材，既大幅增加建设成本又浪费了大量战略资源。铜覆钢是为一种双金属复合材料，综合了铜的高耐蚀性、高导电率以及钢的高强度、价格低等优点，综合性能高、成本较低。采用铜覆钢作为接地材料，不仅能保证电气性能及使用寿命，还可大幅降低接地网建设成本，并节约了战略性铜材。标准制定的意义目前石油化工行业内尚无系统的、针对性的关于接地材料技术要求和选材选型的相关标准，仅有防雷等少数相关标准对接地材料做出规定，但或技术要求过低，不适用联合接地或电气工程接地，或标准陈旧，无法反映近年来的应用和研究现状。实际操作中，石油化工行业常常采用相关国标及电力行业标准，例如，接地系统设计的标准GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》，GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》。GB/T50065-2011中接地材料的选型设计主要参考IEEEStd.80-2000，一是其主要应用的接地材料为铜，对接地材料腐蚀寿命的考虑仅有定性描述，缺乏定量的设计指导；二是IEEEStd.80在2013年作出修订，将铜覆钢与铜并列，列入主要接地材料之一，并给出了铜覆钢材料参数计算的一系列公式，而这些对新型接地材料的研究应用并未反映在国内对应标准中。现有铜覆钢材料的相关标准规范没有国家标准，仅有电力行业标准，包括DL/T1312-2013《电力工程接地用铜覆钢技术条件》,DL/T1342-2014《电气接地工程用材料及连接件》，DL/T2094-2020《交流电力工程接地防腐蚀技术规范》。DL/T1312对接地用铜覆钢材料提出了较为全面的技术要求和检测方法，包括基本参数、电气性能、机械性能、耐腐蚀性能等，但对石油化工行业针对性有所欠缺。此外，电力行业的铜覆钢材料技术条件覆盖了连铸、电镀两种工艺，对材料的技术要求就较低者制定。综上所述，本标准计划根据石油化工行业对接地材料技术要求、应用场景的特点，结合连铸铜覆钢的技术特点，参考国内外对铜覆钢研究与应用的成果，制定有针对性的铜覆钢材料技术要求，强化对材料施工寿命和施工可靠性、便利性方面的技术要求；以期为设计和采购工作提供依据和指导，进一步规范石化行业对铜覆钢接地材料的选用、保证接地系统长期稳定服役、电气设备及人员安全，具有重要意义。标准制定工作的主要过程1调研及立项阶段2021年4月CSTM技术标准委员会通过对项目内容和专业范围的筛选，最终确定由北京市金合益科技发展有限公司牵头负责《石油化工工程接地用连铸铜覆钢技术条件》团体标准起草工作。2021年5月12日，技术归口单位CSTM技术委员会进行企业调研，并开展国内外标准资料的搜集工作，收集国内生产企业及应用企业对接地用铜覆钢材料的应用情况和需求，以及对本标准制定的意见和建议。完成标准初稿后，2021年6月10日，进行第一次专家研讨会讨论初稿；2021年7-9月，与通过电话会议、函调等方式，与石油化工行业专家进行多轮沟通讨论。在综合多方面专家意见的基础上，2021年9月13日，召开了石油化工领域用铜覆钢产品团体标准立项前答辩会议。2021年10月，进行两次《石油化工工程接地用连铸铜覆钢技术条件》团体标准草案讨论会。2021年11月由CSTM技术委员主持召开了立项审查会，参会专家对标准起草单位提供的项目建议书、标准草案、拟定工作组成员进行认真细致的审查，一致同意立项。2试验验证阶段2021年8月开始，标准牵头单位按照试验方案要求对试验样品进行全面的试验验证工作。到2021年10月主要起草单位针对本标准关注的几项技术指标完成了统一样品试验验证工作。4标准征求意见稿、编制说明编写及征求意见阶段和提出送审稿阶段5标准送审稿函审阶段、函审意见处理及提出报批稿阶段及委员表决阶段标准的主要依据和编制原则本标准主要是以现有铜覆钢材料标准为基础，根据近年来国内尤其是石油化工行业铜覆钢的应用经验，结合连铸铜覆钢厂家的技术积累，依照CSTM标准的编制要求进行编写。在编制过程中，工作组参考了国内外大量铜覆钢材料及应用的标准，这些对于本标准制定有很大的辅助作用，同时国内相关生产企业和用户企业均对本标准制定提供了宝贵意见和帮助。经讨论形成了国内企业及用户比较认可的技术条件和检验方法。《石油化工工程接地用连铸铜覆钢技术条件》团体标准编制原则符合我国有关法律、法规，标准格式的编写符合GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构与编写规则》等有关规定。标准制定工作主要技术内容的确定1.项目设置的确定现有铜覆钢材料标准从基本参数、机械性能、电气性能、综合服役性能几大方面考察材料性能。具体指标包括：原材料、尺寸及允差、表面质量、铜层厚度、拉伸强度、弯折性能、结合性能、电阻率及相对导电率，工频大电流耐受、电气与腐蚀性能（循环试验）。以此为基础，综合石油化工行业的应用场景和需求特点、连铸铜覆钢的技术特点和应用经验，本团体标准从铜层厚度、铜钢结合性、材料塑性（供货长度）、现场快速检测等方面提出了新的技术要求或检测方法。2.初步拟定(1)铜层厚度本团体标准首先认定接地系统应以全寿命免维护为原则，以尽可能降低因接地材料腐蚀而导致接地系统失效，从而带来接地故障事故的风险隐患。此前设计标准及材料标准中，均参考国外标准，对铜覆钢的最小覆铜层厚度定为0.25mm，甚至部分标准将其定为0.07mm。而实际应用中发现，在中及强腐蚀土壤地区，0.25mm的铜层厚度不足以满足全寿命周期服役的要求。铜层过薄时，轻微剐蹭就有可能漏钢。一旦漏钢，铜钢之间的电化学腐蚀反应会加速钢芯腐蚀，极大的危害接地系统的安全。而石油化工行业对接地材料的耐腐蚀性要求更高。这是由于：第一，石油化工行业厂区土壤易沉积有机化合物，增强土壤的腐蚀性。第二，近年来大型炼化一体化项目，常常建设在沿海地区，多为盐碱土壤，腐蚀性较强。铜覆钢的铜层主要承担两项功能。第一是耐受腐蚀，因此需保证在系统设计的使用寿命内能够耐受住土壤腐蚀，不至漏钢；这就要求根据土壤对铜层的腐蚀程度（年均腐蚀速率）和设计系统寿命设计铜层厚度。第二是为材料提供电气性能，一般以相对于阴极铜导电率的百分比表示铜覆钢的导电性能。在进行接地系统设计时，设计师需要选定初始导电率进行系统设计和材料选型。这就要求铜覆钢在服役多年、经受土壤腐蚀损失部分表面质量（厚度）后，仍能达到初始导电率。除此之外，铜覆钢在施工过程中难免剐蹭，因此还需设计一定的裕度，以保证施工可靠性。综上，铜覆钢的铜层厚度应等于耐受腐蚀的铜层、提供电气性能的铜层以及合理裕度的总和。单纯对铜覆钢的最小铜层厚度做出要求，不足以为设计实践提供清晰的指导，甚至可能对标准的使用单位产生误导，认为0.25mm的铜层厚度足以满足所有应用场景的需求。因此，本团体标准并根据上面的论述提出了铜覆钢选型设计的原则，即石油化工工程接地用连铸铜覆钢应满足地面工程的设计使用年限要求，设计寿命周期内不应更换；增加了对铜层厚度要求的论述。（2）结合性能铜钢之间的结合性能是铜覆钢材料技术性能的最基本要求，也是铜覆钢能够长期稳定服役的基本保障。如果界面结合强度低，一方面会使铜覆钢的基本电气物理性能下降；另一方面还可能在加工成型、搬运、敷设等过程中发生铜层局部的脱离。一旦铜钢发生分离，由于电化学反应，铜层将加速钢芯腐蚀，严重影响材料性能。因此需充分考虑施工和实际服役过程中可能发生的各种情况均不会导致两种材料的分离，对材料的结合性能加以严格要求和检测。现有标准对结合性能的要求并不严格，仅通过切削试验和扭转试验进行考察。而根据中国市场的应用实践来看，部分包覆工艺的劣质铜覆钢材料因结合力极差，以低价冲击市场，对正常市场秩序造成了极大的干扰。因此对铜覆钢材料的铜钢结合性能应更加予以强调和强化考察。铜钢结合性能可以通过多种方式进行考察，除了现有标准中的切削试验和扭转试验，弯折试验、拉伸试验均能够反映材料的结合力。因此本团体标准通过提高弯折试验的次数要求提升了对材料结合性能的要求。需要说明的是，提高弯折试验的次数要求也提升了对材料塑性的要求。（3）材料塑性石油化工项目的一大特点是项目占地面积大、接地网敷设面积大，这就希望接地材料单根供长度尽可能长（传统接地材料镀锌扁钢和铜排均为6米一根），使得连接点尽可能少。这不仅能够大大便利施工，降低施工时间和成本，更能够减少连接点带来的施工隐患。在施工应用过程中，能够直观感受到同等截面积的连铸铜覆钢较电镀铜覆钢更“软”，能够更容易的调直和弯折，并且能够实现大长度供货，即柔性更好。柔性是对材料的力学性能的一种描述，与刚性相对，是材料响应变形的能力。外力一定时，变形越大则其柔性越大；变形一定时，所加外力越小则其柔性越大。材料的柔性好，则其硬度相对较低，塑性、韧性更好。硬度、塑性、弯折性能均可体现材料的柔性。1）硬度金属材料的硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。它是衡量材料软硬的指标，能够直观体现不同工艺下铜覆钢材料的力学性能差异。实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。2）反复弯曲试验反复弯曲试验是一种重要的测定金属材料承受弯曲塑性变形能力的试验。材料的化学成分、热处理工艺等决定材料自身组织性能的因素都对反复弯曲试验结果有着直接的影响。DL/T1312已经设计了反复弯曲试验，考察材料承受弯曲塑性变形能力，以及铜钢结合能力。其试验方法是将材料弯折30°20次、90度3次，试验后观察试样状态。总体而言，技术要求不高。3）伸长率塑性是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不致破坏的能力。通常钢材塑性指标包含延伸率δ和断口收缩率ψ。可以参考钢材塑性指标对铜覆钢材料的塑性进行考察。两项指标的区别在于，伸长率是定性材料能够承受多大塑性变形能力和加工硬化程度的指标，而断面收缩率主要反映集中塑性变形的大小。因此，伸长率更适合反映本项目要求的“材料柔性”这项指标。（4）大电流耐受能力能够耐受大电流的冲击而不出现熔断或其它影响材料性能的损伤，是接地材料稳定服役的基本要求。现有铜覆钢材料标准中，要求材料在经受大电流试验后材料不出现裂纹、裂缝、融化等缺陷。实际试验和应用中发现，部分铜覆钢在经受电流冲击后，铜层出现鼓泡，这显示铜钢出现了分离，存在极大的电化学腐蚀的风险。因此，该项技术要求应相应作出调整。（5）现场快速检验电流耐受能力对于铜覆钢的质量至关重要。由于大电流发生设备体积大、价值高，这项试验只能在试验室进行。然而，由于铜覆钢市场鱼龙混杂，劣质产品以低价冲击市场的情况常常发生；在施工现场对产品快速检测判断质量就至关重要。以简易试验方法模拟大电流耐受试验，在施工验收现场快速鉴定铜覆钢材料质量，对于规范铜覆钢材料的应用，确保合格材料进入施工环节有重要意义。3.试验和参数确定（1）反复弯折试验选取直径16mm和18mm的连铸铜覆钢圆线按DL/T1312的试验方法，分别进行90度和180度反复弯折试验，直至试样断裂，记录断裂前弯折次数。见表1。由试验结果可见，连铸铜覆钢试样能够耐受的弯折次数远高于现行标准要求（30度弯折20次，90度弯折3次）。而现场施工中，常常需要对铜覆钢材料进行折弯处理。充分考虑到水平接地体施工及返工需要，本标准将对水平接地体及接地导线的弯折试验的次数提高至180度3次及90度10次，垂直接地体弯折90度10次。表1：反复弯折试验结果试验项目规格(D×L)mm试验结果90度反复弯折Φ16×1200mm2423Φ18×1200mm2124180度反复弯折Φ16×1200mm1314Φ18×1200mm1312（2）拉伸试验连铸铜覆钢的生产工序中可以使用热处理方式来降低材料内部应力，优化材料塑性，因此其塑性优于电镀工艺得到的铜覆钢产品。为了验证这一设想，工作组选取直径16mm的连铸铜覆钢圆线和电镀铜覆钢圆线试样按GB/T228的试验方法进行拉伸试验。各选取3根试样，试验结果取平均值，见表2。表2：拉伸试验结果试样抗拉强度Mpa伸长率%断口收缩率%连铸铜覆钢335.2438.6455.23电镀铜覆钢436.1910