海洋油氣平臺(tái)管道異種金屬法蘭連接電偶腐蝕控制措施探討

單世超，胡曉明，劉吉飛，程久歡，郝孟江

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

海洋油氣平臺(tái)管道異種金屬法蘭連接電偶腐蝕控制措施探討

單世超，胡曉明，劉吉飛，程久歡，郝孟江

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

海洋油氣平臺(tái)管道異種金屬法蘭連接時(shí)，因輸送導(dǎo)電及腐蝕性流體會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致法蘭接頭失效，造成泄漏等安全事故。依據(jù)規(guī)范ISO 21457，比較了幾種減少電偶腐蝕危害控制措施的優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)海洋油氣平臺(tái)上部組塊管道的適用性。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用情況，重點(diǎn)討論了絕緣墊片組件和碳鋼法蘭密封面堆焊耐蝕合金兩種適用的措施，并對(duì)這兩種方案進(jìn)行了綜合性能對(duì)比。碳鋼法蘭密封面堆焊耐蝕合金相較絕緣墊片組件因其低成本、制造簡(jiǎn)單、易安裝等特點(diǎn)宜作為控制管道異種金屬法蘭連接電偶腐蝕的首選。在具體項(xiàng)目中應(yīng)制訂詳細(xì)的堆焊技術(shù)要求，采用合理的堆焊工藝以保證法蘭密封面堆焊的質(zhì)量。

海洋油氣平臺(tái)；異種金屬法蘭連接；電偶腐蝕；絕緣墊片組件；堆焊

1 異種金屬連接電偶腐蝕

電偶腐蝕（亦稱接觸腐蝕或雙金屬腐蝕），是指異種金屬在同一介質(zhì)中接觸，由于腐蝕電位不同，使電位較低的金屬溶解速度增加，造成接觸處的局部腐蝕，而電位較高的金屬，溶解速度反而減慢[1]。電偶腐蝕廣泛存在于船舶、石油化工等工業(yè)中，同樣存在于海洋油氣平臺(tái)異種金屬管道的連接中。

海洋油氣平臺(tái)不同工藝處理模塊會(huì)根據(jù)腐蝕環(huán)境及材料經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)選擇不同的管道金屬材料，常用金屬材料主要包括碳鋼、不銹鋼、雙相不銹鋼，對(duì)于含H2S油氣田還會(huì)用到鎳基合金材料。管道之間必然會(huì)出現(xiàn)異種材料連接即管道材料變級(jí)，如不銹鋼與碳鋼連接、不銹鋼與雙相不銹鋼連接等，此時(shí)宜采用法蘭連接，通常避免異種金屬直接焊接。異種金屬接頭焊接后，組織變化復(fù)雜，易形成粗大晶粒等缺陷，接頭力學(xué)性能、高溫性能和腐蝕性能等低于母材并存在復(fù)雜的應(yīng)力分布[2]。當(dāng)輸送導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，由于異種金屬腐蝕電位差的存在，使異種金屬法蘭連接具備了電偶腐蝕的條件，還會(huì)加劇其他腐蝕如縫隙腐蝕、點(diǎn)蝕等。由于電偶腐蝕在法蘭密封面處產(chǎn)生的危害最為嚴(yán)重，在各種腐蝕的綜合作用下最終會(huì)導(dǎo)致法蘭密封面失效泄漏。

海洋油氣平臺(tái)管道異種金屬法蘭連接，通常會(huì)按照如下原則考慮控制電偶腐蝕：

（1）輸送導(dǎo)電腐蝕性介質(zhì)需要考慮電偶腐蝕，如濕氣、閉排、生產(chǎn)水等。

（2）由于異種材料間腐蝕電位差越大腐蝕越嚴(yán)重，主要考慮控制碳鋼與耐蝕合金之間的電偶腐蝕如碳鋼與不銹鋼、雙相不銹鋼、鎳基合金等。一般不考慮耐蝕合金間的電偶腐蝕。

（3）小陰極大陽極法蘭連接不考慮電偶腐蝕。如碳鋼管道上溫度、液位計(jì)等不銹鋼部件的連接。

2 電偶腐蝕控制措施

異種金屬材料連接存在電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，必須采取一定的措施進(jìn)行防護(hù)控制，避免安全事故的發(fā)生。規(guī)范ISO 21457第8.7節(jié)[3]，給出了一些電偶腐蝕控制措施，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

對(duì)比分析ISO 21457規(guī)范中推薦的電偶腐蝕控制措施，同時(shí)考慮到海洋油氣平臺(tái)管道安裝緊湊、空間有限等特點(diǎn)：措施1承壓能力有限，安裝空間受限；措施2無法控制法蘭密封面的腐蝕，仍存在法蘭接頭失效可能；措施3需要精確計(jì)算陽極重量，安裝空間受限，維修、更換較困難；措施5涂層有可能脫落，壽命短，無法有效保護(hù)法蘭密封面；鑒于以上4種措施不適用于海洋油氣平臺(tái)上部組塊管道，而措施4和措施6不占用空間，施工相對(duì)便捷，對(duì)于管道異種金屬法蘭連接更為可行。

3 電絕緣

3.1 絕緣接頭

絕緣接頭（見圖1）通常用于長(zhǎng)輸管道絕緣隔離有陰極保護(hù)的管段。海洋油氣平臺(tái)有時(shí)也會(huì)采用絕緣接頭，將海底管道與上部組塊進(jìn)行隔離?？紤]到絕緣接頭對(duì)制造檢驗(yàn)的要求嚴(yán)格、施工要求較高、空間要求等因素不適合在海洋油氣平臺(tái)上部組塊管道大量應(yīng)用。

圖1 絕緣接頭

3.2 絕緣墊片組件

3.2.1 絕緣墊片組件的組成

絕緣墊片組件的組成如圖2所示，包括絕緣墊片、絕緣套筒、絕緣墊圈和金屬墊圈。

圖2 絕緣墊片組件

根據(jù)《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》7.8.2.4節(jié)要求[6]“油管和海水消防管系上的管系附件的墊片應(yīng)由不燃材料制成。”因此海洋油氣平臺(tái)工藝管道絕緣墊片應(yīng)滿足耐火要求，要通過API6FB耐火型式試驗(yàn)。一般常用的防火絕緣墊片由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂層壓材料+金屬芯板+非金屬主密封+防火密封組成。不同絕緣墊片制造商都有自己的定型產(chǎn)品，根據(jù)使用工況及廠家推薦進(jìn)行選型即可。

3.2.2 絕緣墊片組件的應(yīng)用

絕緣墊片可以有效隔離電絕緣異種金屬管道，盡管通過管支架、甲板、接地線等仍存在導(dǎo)電連通，無法完全避免電偶腐蝕的產(chǎn)生，但是可以有效控制電偶腐蝕對(duì)于管道——尤其是法蘭接頭密封面的影響。

絕緣墊片適用于平面、突面和環(huán)連接面的標(biāo)準(zhǔn)法蘭，在ASME B16.5 Class 2500及以下壓力等級(jí)的法蘭上應(yīng)用業(yè)績(jī)較多，較為成熟。但是考慮到絕緣墊片為平面型式，對(duì)于超高壓工況（如API6A69 MPa法蘭接頭）、循環(huán)震動(dòng)工況、低溫工況下的法蘭接頭的應(yīng)用應(yīng)向制造商咨詢。

海洋石油平臺(tái)采用絕緣墊片組件控制電偶腐蝕的應(yīng)用較為普遍，在中國東海及南海海域氣田應(yīng)用最多，應(yīng)用效果良好。海洋油氣平臺(tái)常用的防火型絕緣墊片組件，通常選用符合美國電氣制造者協(xié)會(huì)（NEMA）要求的G10級(jí)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（GRE）絕緣材料。絕緣墊片的使用成本一直是項(xiàng)目的關(guān)注的焦點(diǎn)，以東海某項(xiàng)目中心處理平臺(tái)為例，共用絕緣墊片組件60余套，合同價(jià)格200余萬。較高的材料成本顯著增加了項(xiàng)目的建造投資。

4 碳鋼法蘭密封面堆焊耐蝕合金

4.1 控制電偶腐蝕原理

文獻(xiàn)[7]研究顯示：在異種材料接頭連接處腐蝕速率最高，距離連接處越遠(yuǎn)腐蝕速率越低。異種金屬法蘭兩密封面通過墊片直接接觸最易受到電偶腐蝕的影響，隨著管道的延伸電偶腐蝕對(duì)整條管道的影響越來越弱。因此對(duì)于管道控制電偶腐蝕危害的重點(diǎn)是保護(hù)法蘭接頭的密封面。

通過對(duì)碳鋼法蘭密封面堆焊耐蝕合金，法蘭密封面得到有效保護(hù)，電偶腐蝕轉(zhuǎn)移到整條管道內(nèi)部，配合緩蝕劑的注入及管道本身的腐蝕裕量能夠有效控制電偶腐蝕，避免電偶腐蝕造成法蘭接頭失效的問題產(chǎn)生。

4.2 技術(shù)要求

碳鋼法蘭密封面堆焊應(yīng)選擇與配對(duì)耐蝕合金法蘭材料一致或更高的焊材，常用堆焊材料包括不銹鋼、雙相不銹鋼、鎳基合金等，具體牌號(hào)根據(jù)ASME BPVC第II卷C篇[8]選取。

碳鋼法蘭密封面堆焊位置由法蘭密封面形式確定，針對(duì)海洋油氣平臺(tái)常用的ASME B16.5突面RF和環(huán)連接RTJ法蘭密封面特點(diǎn)，堆焊位置如圖3所示。堆焊后的法蘭外形尺寸應(yīng)仍為標(biāo)準(zhǔn)法蘭。

圖3 法蘭密封面堆焊位置

規(guī)范API 5LD[9]規(guī)定，復(fù)合鋼管的耐蝕合金層厚度應(yīng)不小于2.5 mm。為控制堆焊工作層金屬的稀釋率，保證法蘭密封面堆焊層材質(zhì)的化學(xué)組成及耐蝕性能，要求加工完成后法蘭密封面的耐蝕合金層厚度至少為3 mm[10]。

ASME B16.5 Class 150和Class 300壓力等級(jí)的突面法蘭為海洋油氣平臺(tái)常用法蘭，其凸臺(tái)高度為2 mm，而所有壓力等級(jí)的環(huán)連接面法蘭的凸臺(tái)高度為環(huán)槽深度，堆焊時(shí)須機(jī)加工到凸臺(tái)厚度以下，才能保證堆焊后仍保持標(biāo)準(zhǔn)法蘭尺寸，這樣就消耗掉了法蘭最小厚度，進(jìn)而影響法蘭整體強(qiáng)度。因此對(duì)于以上情況，堆焊材料應(yīng)高于或與耐蝕合金法蘭保持一致。例如當(dāng)Class 300的ASTM A105碳鋼法蘭與ASTM A182 F51雙相不銹鋼法蘭連接時(shí)，堆焊材料如選擇不銹鋼會(huì)造成堆焊層強(qiáng)度低于基材，有可能造成法蘭溫壓等級(jí)不能滿足工藝要求。

在碳鋼法蘭密封面堆焊耐蝕合金需要進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，制訂合理的焊接工藝規(guī)程。首先選擇堆焊方法，如鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊等；然后制訂堆焊程序，包括堆焊層數(shù)及層厚；再選擇堆焊材料、過渡層材料和表層材料；最后對(duì)堆焊層表面進(jìn)行檢驗(yàn)包括無損檢測(cè)，通常為滲透檢驗(yàn)或者超聲檢驗(yàn)、金相試驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)、化學(xué)組分測(cè)定等。通過合理的焊接及產(chǎn)品的檢驗(yàn)確保堆焊層的完整、耐蝕性能可靠。

結(jié)合以上討論分析，為保證堆焊法蘭強(qiáng)度和耐蝕性能的可靠性，給出了海洋油氣平臺(tái)對(duì)碳鋼法蘭堆焊耐蝕合金材料建議表（見表2）。如對(duì)于Class 150碳鋼突面法蘭與A182 F316L不銹鋼法蘭連接時(shí)，堆焊材料可選擇ER316L、ER2209或者ERNiCrMo-3，但是考慮到ER316L材料的經(jīng)濟(jì)性宜作為首選。而對(duì)于同一個(gè)項(xiàng)目同時(shí)存在幾種耐蝕合金管道材料，為了避免現(xiàn)場(chǎng)混用，可規(guī)定一種堆焊材料，宜選用較高級(jí)別的材料，如即有不銹鋼也有鎳基合金，可以選擇統(tǒng)一堆焊ERNiCrMo-3。

表2 海洋油氣平臺(tái)對(duì)碳鋼法蘭堆焊耐蝕合金材料采用建議

4.3 堆焊法蘭的應(yīng)用

堆焊法蘭應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)問題：

（1）密封墊片材質(zhì)應(yīng)為耐蝕合金，合理選擇墊片的材質(zhì)，保證堆焊層的硬度高于墊片硬度，從而確保整個(gè)法蘭接頭的完整性。

（2）異種金屬法蘭接頭連接應(yīng)選擇與耐蝕合金法蘭配套的緊固件。

（3）對(duì)于較為關(guān)鍵的異種金屬連接位置，可將堆焊層延伸至法蘭內(nèi)部，加強(qiáng)控制電偶腐蝕對(duì)碳鋼法蘭的危害。

在緬甸海域某氣田海洋平臺(tái)，部分濕氣管道存在Class 600碳鋼突面法蘭與雙相不銹鋼連接。采用碳鋼法蘭堆焊316L不銹鋼，法蘭接頭連接采用316L金屬纏繞墊密封墊片和ASTM A453 Gr 660B（特氟龍涂裝）緊固件控制電偶腐蝕，從2016年4月份平臺(tái)投產(chǎn)至今，使用效果良好。

5 兩種控制措施綜合性能對(duì)比分析

防火型絕緣墊片組件控制電偶腐蝕措施與碳鋼法蘭密封面堆焊耐蝕合金控制電偶腐蝕措施的綜合性能對(duì)比見表3。

表3 兩種措施綜合性能對(duì)比

通過表3綜合性能對(duì)比，碳鋼法蘭密封面堆焊耐蝕合金相較絕緣墊片組件加工制造簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低、便于施工且能取得令人滿意的控制電偶腐蝕效果，前者綜合性要優(yōu)于后者。碳鋼密封面堆焊耐蝕合金控制措施更適用于海洋油氣平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目。

6 結(jié)束語

海洋油氣平臺(tái)異種金屬法蘭連接可采用絕緣墊片組件和密封面堆焊耐蝕合金法蘭兩種措施控制電偶腐蝕，經(jīng)過實(shí)際工程應(yīng)用均能取得令人滿意的效果。通常情況下密封面堆焊法蘭因其加工制造相對(duì)簡(jiǎn)單、易獲取、成本相對(duì)較低、便于施工宜作為首選。

絕緣墊片均為制造商定型產(chǎn)品，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選型設(shè)計(jì)即可。而對(duì)于堆焊法蘭無對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范參考，具體項(xiàng)目中應(yīng)制定詳細(xì)的技術(shù)要求，采用合理的堆焊工藝以保證法蘭密封面堆焊的質(zhì)量。

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Discussion for controlmeasures ofgalvanic corrosion between dissimilar metal piping flanges ofoffshore oiland gas platforms

SHAN Shichao，HU Xiaoming，LIU Jifei，CHENG Jiuhuan，HAO Mengjiang
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

When conveying conductive and corrosive fluid by pipings of offshore oil and gas platforms，galvanic corrosion willoccur badly in the connection between dissimilar metalpiping flanges and flanges sealing could fail leading to safety accidents.This paper compares the characteristics of several control measures recommended by ISO 21457 to reduce the harm of the galvanic corrosion and the applicability of the measures for topside pipings of offshore oil and gas platforms.Based on practical project applications，two applicable measures，i.e，the insulation gasket kits and the carbon steel flange with bead welding sealing surface of anticorrosive alloy，are discussed and comprehensively compared.Usually，for its low cost，simply manufacture and easy installation，the carbon steel flange with bead welding sealing surface of anticorrosive alloy should be preferred to control the galvanic corrosion of dissimilar metal flanges connection，And in specific projects，the detailed bead welding technical requirements should be established，and reasonable bead welding process should be adopted to ensure the welding quality.

offshore oil and gas platforms；dissimilar metal flanges connection；galvanic corrosion；insulation gasket kits；bead welding

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.016

單世超（1983-），男，河北泊頭人，工程師，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)，碩士，主要從事海洋油氣平臺(tái)管道設(shè)計(jì)研究工作。

2017-01-04；

2017-01-13

Email：shansc@mail.cooec.com.cn