金属管道法兰间接触电阻值的测试方法研究与应用

杨万国;杨雪松;刘腾

【摘 要】输送易燃易爆介质的金属管道的法兰或接头间的接触电阻值是管道测试的一项重要指标，当该电阻值超过0.03Ω时，必须在管道法兰或接头两侧进行电气跨接，以防止静电聚集。在实际施工过程中，该电阻值的测试应在工艺管网施工完毕后进行，但此时被测法兰或接头与周围管道、管件、设备及大地之间存在电气连接，使得该接触电阻值的测试具有不确定性。如果在待测法兰或接头两侧分别确定一个测试点A和B，同时就近在与该法兰或接头金属连接的管子或管件上确定第三个测试点C，并用电桥或微欧计分别测试A与B、A与C、B与C之间的直流电阻，通过计算公式可计算出准确的待测法兰或接头间的接触电阻值。通过多个现场的实际测试，“三点测试法”能够测试并计算出法兰或接头间接触电阻的精确数值。%ISR (indirect shock resistance) among flanges is a matter factor of metal pipes transporting explosive media for pipeline test, as there must be an electrical jumper between flanges when ISR goes beyond 0.03 Ω to prevent electrostatic aggregation. The test of ISR should be deployed after piping process has been done. However, as there are much elec-tronic connections among flanges, pipes, devices and the ground, this resistance usually cannot be precisely derived. In this thesis, we propose a triple points testing method, we first settle three test points A, B and C at the sides and the nearby of the flanges or the joint, then measure resistances among them by micro-ohmmeter, finally the ISR among flanges can be precisely calculated through a mathematic model. The method is proved

that it could calculate the accurate value of resistance among flanges or joints.

【期刊名称】《油气田地面工程》 【年(卷),期】2016(035)006 【总页数】5页(P44-47,53)

【关键词】易燃易爆介质;金属管道;法兰;接头;接触电阻值;三点测试法 【作 者】杨万国;杨雪松;刘腾

【作者单位】中国石油工程设计公司油建公司;中国科学院自动化所;中国石油工程设计公司油建公司 【正文语种】中 文

1中国石油工程设计公司油建公司 2中国科学院自动化所 3中国石油工程设计公司油建公司

易燃易爆介质在金属管道中流动时容易产生静电，室外管汇或装置还容易受大气过电压或电气系统的某种干扰而产生静电。静电聚集容易产生放电火花，从而引起火灾和爆炸。消除此类设施静电常用的方法就是将管汇或装置多处接地，并保持整个管汇或装置与接地装置的电气低阻抗导通。但管汇或装置一般由管子、管件、阀门、动静设备连接组成，法兰或接头又是常用的连接方式，如何保证法兰或接头间可靠地进行金属连接或跨接，并满足静电泄放要求显得十分重要。

用国家标准《工业金属管道工程施工规范（GB 50235—2010）》规定如下：设计有静电接地要求的管道，当每对法兰或其他接头间的电阻值超过0.03 Ω时，应设导线跨接。静电接地安装完毕后，应进行测试，电阻值超过规定时，应进行检查

与调整，并应填写“管道静电接地测试记录”，其格式宜符合本规范中表A.0.10的规定（质量保证或主控项目）。

但该规定在现场实践中存在一些问题和争议：

（1）目前已建的油气集输工程，表A.0.10中填写的数据均为不真实数据。原因是施工单位没有合适的手段去测试法兰或接头间的接触电阻值或测试成本过高。 （2）有一种意见认为，根据行业标准《油气田防静电接地设计规范（SY/T 0060—2010）》规定，当法兰连接螺栓不少于5根时，在非腐蚀环境下可不跨接，除此之外用截面积不小于6 mm2的软铜线（带）或符合设计文件要求的导体进行跨接。问题是，行业标准的应用具有局限性，且环境的腐蚀性评价存在不确定性；法兰或接头间接触电阻值求证缺乏严谨性。另外，工程实施过程中，在已安装完毕的法兰或接头上焊接接地线或接地螺丝也存在争议。

（3）部分从事工艺管道工程施工的工程技术人员提出，用万用表直接测试法兰或接头间的接触电阻值，成本低且简单易行。从计量学的角度出发，此方法也不可行。原因是0.03 Ω的电阻值属于低电阻（1×10-5～1 Ω）测量范畴，常规万用表测试小于1 Ω甚至10 Ω的电阻不能正确读数或误差很大，就像上百千克的磅秤去称几克的物品一样。

（4）用专业仪器如微欧计、双臂电桥等，直接测试法兰或接头间的接触电阻值即可。测试方法虽可行，但结果很不真实。原因是测试工作必须是在管汇或工艺系统完工的情况下进行，假如被测法兰或接头间的接触电阻值很大甚至是相互间电绝缘，但与被测法兰或接头并联的其他管路（旁通）电气导通良好，仪器测得的主要是旁通的电阻值。就好像一只0.03 Ω的电阻与一只100 MΩ电阻并联，其总电阻约等于0.029 99 Ω一样，这是电学定律决定了的。

（5）也有工艺管道专业的工程技术人员提出，只要测试了法兰或接头间的联合电阻值小于规定值，即便不是被测法兰或接头间的真实接触电阻值，也能保证泄放静

电。问题是，国家标准明确规定“每一条管线上的每一组法兰或其他接头间的电阻值超过0.03 Ω时，应设导线跨接”。

综上所述，寻找适合的测试方法，准确地测试金属管道或工艺装置连接法兰或接头间的接触电阻值是关键所在。

常见的管汇或工艺装置局部法兰连接示意图见图1，法兰间电阻值的等效电路图见图2。图1中法兰a、b、c接触电阻值等效为图2中的R1、R2、R3。取m、n、s三个测试点，并确保m与n之间R1是唯一电阻，即法兰两侧、m与n测试时点之间，法兰、连接法兰的管道与周围管道、器件、大地电气绝缘，用微欧计或电桥就可准确地测出m 与n、m与s、n与s之间的电阻值Rmn、Rms、Rns。即使R2、R3为复杂管汇的等效电阻，该等效电路也同样成立。 根据电工学相关定律 化简得 同理可求得

解（1）、（2）、（3）方程组［1］可得出

一个中型工艺管汇装置，各种规格法兰或接头成百上千，靠手工计算上述数据是一件冗繁的工作，且容易出错，需要一个简单实用的计算软件，只要填入Rmn、Rms、Rns三个数据，R1便自动生成，这将简化计算过程。

软件解决途径之一，采用市场上出售的廉价“超级公式计算器”软件；途径之二，是利用Excel软件公式编辑器进行计算公式编辑，并自动生成计算文档，应用很方便。

现场选用传统的微电阻测试仪器QJ44双臂电桥（测试范围0.000 01～11 Ω，精度等级为0.2级，分辨率0.5 μΩ）及仪器配套的长度为5 m的四线两线夹式测试导线组进行测试，并确定某天然气增压装置（图3）中的F1法兰（管道外径为DN159 mm）和某油气分离装置（图4、图5）中的F2、F3法兰（管道外径均为

DN133 mm）为测试对象，F1、F2、F3法兰间接触电阻值的测试计算结果见表1。 尽管在测试过程中很注重减少影响测试精度的人为因素，但从测试结果可看出，法兰间接触电阻值的计算值与实测值存在很大误差。同时，在测试过程中还发现，同一测试点，不触动夹持紧密的测试线夹，重复测量的误差不大，一旦移动或重新夹持测试线夹，则测试结果会发生明显变化，且变化没有规律。

通过相关文献［2］可知，对于小于0.1 Ω电阻值的测量，测试导线自身的电阻值应为0.005～0.01 Ω，且被测法兰两侧应采用四线制连接——电流极两线、电压极两线分别在同一部位的不同点与被测法兰连接。上述3组法兰的测试过程中，虽然电桥配套的测试导线为四线制，但测试端的线夹只有两个（电流极与电压极测试导线，在测试端成对共用一个线夹），等于在测试端变为两线制，且测试导线是长度为5 m、截面积为4 mm2的绝缘软铜线，其每条测试导线本身的电阻值大于0.01 Ω，这可能给低电阻值测量精确度和稳定性会带来不小的影响。另外，测试数据显示，法兰间接触电阻值均在微欧级，读数处于仪器测量范围的低端，仪器自身的随机误差、重复性误差、环境电磁干扰等其他非人为因素也不同程度地存在。 接下来，在预制厂内，同样用QJ44电桥对外径为DN mm碳钢管制作的一套分离器旁通管汇的法兰F4进行测试（图6）。为了人为增大测试电阻值，在被测F4法兰下方，与之同一条管线，长度约50 cm处的F5法兰的上侧当成m或n测试点，等于测试电阻值不仅是F4法兰间的接触电阻值，还包括50 cm管道本体的电阻值。在m、n、s测试点处，将电流极、电压极测试导线经专用夹具（可用螺丝调节夹持力的接地线夹）与测试点的螺母夹持连接（m、n、s测试点选定为法兰连接螺栓上的螺母，且m、n点为相邻螺栓的螺母）。同时，螺母、螺母与法兰的接触面处理到完全呈现金属光泽，电流极、电压极均采用符合要求的绝缘软铜线并完全四线制连接。经过对F4法兰的反复多次测试，整个测试期间，仪器读数的稳定性明显高于F1、F2、F3法兰的测试，但不论是重新夹持电流极的夹具或

是电压极夹具，其仪器读数都会发生或多或少的变化，只是变化范围明显减小（10 μΩ以内），测试结果见表2。

认真评估该测试过程，并分析表2的测试数据可知，虽然Rmn、Rms、Rns三组数据及R′1的重复测量误差在允许范围之内（相对0.03 Ω电阻值而言），且读数稳定，但是R′1值与R1值仍然存在较大差异。

经过反复分析与试验后认为，R′1值与R1值差值大的原因可能是，测试R′1值时必须把F4法兰所在的阀门上方的法兰断开（卸开），并确保两片法兰之间完全空气隔离（正常测试并不需要断开法兰，为了求证计算结果才如此去做）。因管道与法兰、阀门、管件之间存在组装应力，这样就会造成连接F4法兰的螺栓受力情况发生变化，继而影响法兰间的接触电阻值，恰好也证明，法兰间的接触电阻值与法兰大小、连接螺栓多少、螺栓受力情况及所采用的密封垫片材质密切相关。接下来，将F4法兰所在的阀门上方的法兰完全断开，再用2.5 mm2裸铜导线将断开后的两片法兰可靠短接起来，测试Rmn、Rms、Rns三组数据；再将短接线剪断测试R′1值，F4法兰间接触电阻值的测试计算结果见表3。

通过本次测试，用“三点测试法”测试和计算法兰或接头间接触电阻值的方法得到了充分验证。

（1）应选择测量范围和精度适合的测试仪器，如微欧计、电桥等。此类仪器品牌、型号、规格众多，相对而言，电池、可充电电池供电的数字微欧计或数字电桥操作简便，方便现场应用。测量范围可选择10 μΩ、0.000 1～20Ω、200 Ω或2 kΩ，精度等级0.1%～0.5%，最小分辨率≤1μΩ，并附带测试线、测试夹（探针）等附件。如钛淦品牌的R1L-E2A防爆（本质安全型）便携式数字微欧计，还可以在已投产的工艺装置区进行测试。该仪器测量范围0.000 1～20 Ω，量程0.002～20 Ω共5个档位，精度为0.2%red+ 2位，最小分辨率为1 μΩ，并附带HTP-101A手握把式弹性测试探针，还可选购HKC-100大开口测试线夹等附件。

（2）每一对待测法兰，m、n、s三个测试点必须是在固定不变的条件下完成Rmn、Rms、Rns三组数据的测试，且要合理确定m、n、s三个测试点的位置，使其测量读数尽量大于100 μΩ，这样仪器读数会更趋稳定，这一点很重要，特别是口径较大的法兰和管道。

（3）一侧或远端断开或绝缘的法兰，可直接用两点法测出法兰间的接触电阻值，即：R′1= R1= Rmn。

（4）如果m、n测试点不是在被测法兰上，而是在法兰两边的连接管道或相邻的法兰上，计算出的R1电阻值则由法兰及与之连接的管道本体的电阻值和法兰间的接触电阻值三部分组成，但只要R1≤0.03 Ω，则法兰间的接触电阻值一定＜0.03 Ω。因为对于口径较大的管道，其每米长度自身的电阻值相对就小，所以在被测法兰两侧各一定距离处测试造成的误差自然也很小，如d =60 mm×4 mm的碳钢管道，每米的电阻值约等于0.000 129 Ω，约占0.03 Ω（法兰间接触电阻值的限值）的0.43%。

（5）测试仪器配套的测试线夹（探针）与m、n、s测试点的接触要紧密、可靠、稳定，且不宜采用中间过渡导体。建议采用专门的组合测试探针进行测试。当然，也可以自制三套测试探针，测试过程中保持测试探针与m、n、s测试点接触紧密并固定不动，只在仪器的输入端子或旋钮处变换三组测试导线的接入顺序，完成三组数据的测试。

通过理论推导和现场实际验证，只要措施得当，用“三点测试法”测试、计算 金属管道法兰间接触电阻值的方法完全可行，且测试过程也相对简单易行，测试结果的准确度也很高。至于管道的防静电接地装置的安装和测试属于常规工作，且接地装置的数量和结构形式、规格、材质、埋深，由设计图纸明确，接地电阻一般由从事电气安装的施工单位或委托第三方进行测试并出具测试报告。有了每对法兰或接头的接触电阻值（超过0.03 Ω的法兰或接头，按设计和规范要求进行跨接并复

测或直接计算出跨接导线的电阻值，如长度20 cm、截面积6 mm2铜导线的直流电阻值约为0.57 mΩ）及电气专业的施工单位或第三方出具的接地电阻测试报告，表A.0.10所需全部数据，就能做到真实、准确、全面。 作者介绍

杨万国：高级工程师，注册自动化系统工程师，注册一级建造师，大学本科，1981年毕业于兰州石油学校自动化仪表专业，从事电气、仪表工程施工管理与技术工作，0990—6978411，*******************.cn，克拉玛依市克拉玛依区天山路77号，834000。 【相关文献】

［1］谟诚生.压力管道接地电阻和法兰间跨接电阻测试研究［J］.轻工科技，2014（4）：40-41. ［2］唐.双臂电桥测量低电阻中接线问题［J］.仪器仪表用户，2005，12（5）：105-106.