長輸油氣管道法蘭防腐蝕研究

王美芳

（深圳中質(zhì)安股份有限公司，廣東 深圳 518107）

0 前言

長距離油氣輸送管道的穩(wěn)定性和安全性對于整體經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全起到了至關(guān)重要的作用，同時也嚴(yán)重影響著油氣輸送的運行效果[1]。關(guān)于油氣管道的腐蝕機(jī)理和防護(hù)技術(shù)已被古今中外諸多學(xué)者廣泛研究，但是，關(guān)于管道中法蘭的腐蝕特性和防護(hù)技術(shù)研究鮮有報道。在長距離油氣輸送管道系統(tǒng)中，法蘭部分的安全性實際上與管道部分的安全性是同樣重要的。盡管輸送的介質(zhì)有所不同，但是法蘭連接處泄漏將直接改變整個管網(wǎng)的穩(wěn)定性，造成巨大的安全隱患，有時會對環(huán)境造成災(zāi)難性的破壞。法蘭部位的防腐蝕措施相對于管道來說，實際上更加困難[2]。一方面，在對法蘭進(jìn)行防腐蝕措施時難免會破壞法蘭原本的機(jī)械加工應(yīng)力平衡，使其出現(xiàn)細(xì)微的縫隙，當(dāng)其與大氣接觸時會出現(xiàn)較快腐蝕；另一方面，由于法蘭部位特殊的幾何形狀以及法蘭盤與螺栓出現(xiàn)的異種金屬連接，一定程度上會導(dǎo)致出現(xiàn)電偶腐蝕現(xiàn)象[3]。最重要的是由于施工誤差和輸送量不同，管網(wǎng)內(nèi)必然存在著各種循環(huán)應(yīng)力，對法蘭形成沖刷腐蝕，這必定會加快法蘭的腐蝕，進(jìn)而影響管網(wǎng)的安全性。Nahal[4]等人的研究表明，管網(wǎng)中法蘭等存在不規(guī)則平面的區(qū)域，其可靠性受腐蝕的影響明顯大于管網(wǎng)其他區(qū)域，對管網(wǎng)中各區(qū)域循環(huán)應(yīng)力大小的比較，得出法蘭處所受的循環(huán)應(yīng)力最大，對管網(wǎng)造成的破壞概率也最大。

考慮到長距離油氣輸送管道復(fù)雜多變的地域環(huán)境，可按腐蝕途徑的不同，將影響法蘭腐蝕的因素劃分為外部腐蝕因素與內(nèi)部腐蝕因素，各因素總結(jié)見表1 。

表1 法蘭腐蝕的影響因素

1 法蘭腐蝕分析

1.1 外環(huán)境引起的腐蝕

引起法蘭產(chǎn)生腐蝕的外環(huán)境因素，是法蘭間隙與外環(huán)境中可能引起腐蝕的介質(zhì)之間存在相互作用，在沒有采取外部防護(hù)措施時，法蘭外表面及相應(yīng)部件直接暴露在水和大氣環(huán)境中，會迅速發(fā)生腐蝕。當(dāng)晝夜溫差變化較大時，在法蘭間隙處會存在冷凝水的集聚，會在法蘭表面產(chǎn)生陽極和陰極引起電子的傳遞，進(jìn)而引發(fā)電化學(xué)腐蝕。含氧量、含水量與溫度等因素皆可以對法蘭在大氣中腐蝕的程度產(chǎn)生影響。此外，人為因素也是產(chǎn)生腐蝕的原因之一，如對法蘭進(jìn)行跨接時可能引起的螺栓松動所造成法蘭應(yīng)力失衡，進(jìn)而引發(fā)介質(zhì)泄露引起腐蝕；由于施工過程中沒有按照安全技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，缺少必要的保護(hù)層或者被起重設(shè)備等損傷管道和閥門的外表面，一旦沒有進(jìn)行及時維修保養(yǎng)，而進(jìn)行了直接施工，就會埋下隱患，加速管道和閥門的腐蝕速度。

1.2 電化學(xué)腐蝕

長距離油氣輸送管道所輸送的介質(zhì)中，無論是液體還是氣體，常常含有各種腐蝕性物質(zhì)，如硫化氫、二氧化硫等。特別是含有硫化氫的酸性介質(zhì)，在與水化合后會形成酸，加速法蘭及管道的腐蝕速率。不同物質(zhì)的腐蝕產(chǎn)物及反應(yīng)式見表2。

電化學(xué)產(chǎn)生的原因主要是法蘭處存在縫隙結(jié)構(gòu)。實際施工時，會在法蘭處安裝墊片來彌補(bǔ)缺失的密封性，但即使是這樣，墊片與法蘭面壁依然會存在一定的間隙，這將會導(dǎo)致介質(zhì)的積存，使得法蘭平面發(fā)生電化學(xué)腐蝕。因為法蘭接縫處的密閉性質(zhì)，縫隙內(nèi)流體停滯，介質(zhì)內(nèi)的O2在經(jīng)過持續(xù)的消耗后，形成一種氧濃度差原電池，縫內(nèi)陽極、縫外陰極：縫內(nèi)Fe→Fe2++2e為陽極，縫外O2+2H2O+4e→4OH-為陰極，同時因為縫內(nèi)的Fe2+過剩，會吸引縫外Cl-等進(jìn)入，使內(nèi)外電荷達(dá)到平衡狀態(tài)[5]。此時縫隙中高濃度的氯化物產(chǎn)生水解，導(dǎo)致縫內(nèi)的介質(zhì)發(fā)生酸化，從而加速陽極的溶解。陽極溶解又會吸引更多的Cl-遷入，使得氯化物繼續(xù)水解，這又使得縫內(nèi)的介質(zhì)發(fā)生酸化，如此反復(fù)循環(huán)。

此外，當(dāng)輸送介質(zhì)為原油且輸送速度低于特定值時，原油會處于分流層狀態(tài)，尤其是在含法蘭等設(shè)備的管段中，會形成積存水。通常來說，有油水分層和存在積水的管段，發(fā)生腐蝕的概率會更大。管道輸送量越小，油水分層就越容易出現(xiàn)，這必定會使電化學(xué)腐蝕的速度加快。

1.3 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是由于管道輸送的介質(zhì)中含有的細(xì)小砂石等固體雜質(zhì)在輸送過程中沖刷管壁，削弱和破壞了管壁內(nèi)的防腐涂層，加快了管道內(nèi)壁的腐蝕，形成沖刷腐蝕[6]。在管道結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的地方，如法蘭等處，沖刷腐蝕形成的危害更大。

從實際輸送和腐蝕情況來看，我們不妨假設(shè)管道內(nèi)固體雜質(zhì)為砂石，那么，流速（m/s-1）如果加大，流到縫隙內(nèi)的砂石數(shù)量也會增多，對法蘭形成的沖擊也就越來越大，其腐蝕速率也就越來越大。當(dāng)流速增加到一定數(shù)值后，由于介質(zhì)的物理特性，將攜帶砂石快速流過法蘭縫隙，此時流速越大，能流入縫隙的砂石數(shù)量就越少，此時腐蝕速率也將減小。另一方面，當(dāng)砂石的質(zhì)量流量（kg/s-1）加大時，法蘭處的腐蝕速率也將上升。質(zhì)量流量超過謀特定值時，腐蝕速率趨于穩(wěn)定，不再隨質(zhì)量流量的加大而增加。這主要是由于質(zhì)量流量加大到某特定值后，砂石等固體雜質(zhì)與法蘭縫隙處的沖擊次數(shù)達(dá)到飽和，沒有再繼續(xù)上升的空間，也就不能使腐蝕速率持續(xù)增大。事實上，在輸送過程中，沖刷腐蝕總是與電化學(xué)腐蝕共同對管壁和法蘭產(chǎn)生破壞，增大腐蝕速率。

表2 不同物質(zhì)腐蝕產(chǎn)物及反應(yīng)式

1.4 電偶腐蝕

電偶腐蝕的產(chǎn)生，往往是因為法蘭或者管道的連接處使用了異種金屬進(jìn)行連接，并產(chǎn)生高低電位差時，發(fā)生的一種腐蝕現(xiàn)象。而在實際工程技術(shù)和施工中，異種金屬連接往往又是必不可少的施工步驟，如不銹鋼與碳鋼連接、不銹鋼與雙相不銹鋼連接等，這幾乎囊括了大部分的機(jī)器以及金屬構(gòu)件，所以電偶腐蝕是非常容易產(chǎn)生的。電偶腐蝕是在介質(zhì)中，當(dāng)2種金屬或合金相接觸（電導(dǎo)通）時，使異種金屬連接具備了電偶腐蝕的條件，低電位金屬腐蝕被加快，而高電位的金屬腐蝕被減慢甚至不發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象。在法蘭連接結(jié)構(gòu)中，電偶腐蝕一般發(fā)生在法蘭盤與螺栓之間，會加劇其他腐蝕如縫隙腐蝕、點蝕等。在各種因素的共同影響下，法蘭密封面最終將失效，發(fā)生泄漏事故。

1.5 管內(nèi)壓力加速腐蝕

在介質(zhì)輸送過程中，管道會對輸送的介質(zhì)施以一定的壓力使得介質(zhì)的運輸達(dá)到一定速度，但力的作用同時也使得管道內(nèi)表面產(chǎn)生應(yīng)力作用，這也是長距離油氣輸送管道的管壁和法蘭連接處遭受應(yīng)力腐蝕破壞的主要原因。那么在應(yīng)力與化學(xué)腐蝕以及電偶腐蝕等因素的綜合影響下，管道中法蘭連接處的腐蝕被加快，造成法蘭因力的作用腐蝕開裂，引起法蘭發(fā)生泄漏事故。

2 法蘭防腐對策措施

2.1 法蘭材料的優(yōu)化

法蘭的防腐最簡單的途徑是通過材料的選擇和應(yīng)用去規(guī)避一些已知的可能發(fā)生的腐蝕。原材料的品種和特性決定了法蘭的耐腐蝕性能，法蘭材料的耐腐蝕性大小關(guān)系到法蘭使用年限、使用環(huán)境和產(chǎn)生腐蝕的概率。長距離油氣輸送管道常用的法蘭材料是碳素鋼（20#、A105、Q235A等）、合金鋼（12Cr1MoV、16MnR、15CrMo）等。在實際應(yīng)用過程中，行業(yè)需要根據(jù)輸送介質(zhì)和環(huán)境條件的不同，理性選擇法蘭材料，甚至可以制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過強(qiáng)制要求來避免出現(xiàn)已知的腐蝕現(xiàn)象，但同時也應(yīng)該既要滿足輸送作業(yè)的需要，又要盡可能地降低成本。

2.2 敷設(shè)保護(hù)層法

對于外部因素引起的法蘭腐蝕，在法蘭外部做防腐涂層施工，是長輸油氣管道法蘭部位常見的防腐措施。涂層可以將法蘭外表面與外界的腐蝕介質(zhì)相分離，減緩或者阻止法蘭外表面與外界腐蝕介質(zhì)之間的相互作用，是一種法蘭外表面防腐處理的有效手段。在現(xiàn)有的涂層分類中，主要包括無機(jī)涂層和有機(jī)涂層兩大類。其中環(huán)氧涂料、石油和瀝青涂層、聚氨酯涂料類涂層和聚烯烴類涂層屬于有機(jī)涂層，這類涂層以環(huán)氧涂層為代表，具有致密度高、層面光滑、粘結(jié)牢固等優(yōu)點，是法蘭防腐涂層中常用的涂層。而陶瓷涂層、搪瓷涂層、熱噴玻璃涂層等屬于無機(jī)涂層，這類涂層具有耐老化、耐高溫、耐腐蝕且耐磨等特點，但其成本較高，工藝也更復(fù)雜。但是涂層由于長期與外界接觸，在材料選擇和施工難度上要綜合考慮黏結(jié)性與機(jī)械強(qiáng)度，既要避免在其接觸外力時發(fā)生脫落，又要避免一旦發(fā)生脫落時維修的難易程度。

2.3 油氣中加入緩蝕劑

在眾多防腐措施中，緩蝕劑的加入是唯一不需要改動法蘭的措施。緩蝕劑的加入，能使輸送介質(zhì)在與法蘭和管壁內(nèi)表面形成一層防腐膜，減緩和阻止介質(zhì)與內(nèi)壁的接觸，從而減緩腐蝕。緩蝕劑目前分為無機(jī)緩蝕劑和有機(jī)緩蝕劑兩大類，在實際使用時，應(yīng)綜合考慮使用環(huán)境和輸送介質(zhì)的特性來選擇緩蝕劑。緩蝕劑操作比較簡便、效率高，但同時緩蝕劑容易隨輸送介質(zhì)的流動而流動，其用量、加注周期和加注方法應(yīng)嚴(yán)格把控，否則不但會影響防腐功能的發(fā)揮，也會影響輸送介質(zhì)的傳輸和流動。

2.4 縫隙處防腐處理

當(dāng)前，針對法蘭縫隙處的防腐處理技術(shù)多種多樣。一種相對較老的方案是使用不銹鋼等材質(zhì)，配合橡膠條來保護(hù)外罩和夾具，以封閉法蘭和法蘭面的間隙。但是，這種傳統(tǒng)的方案相對不太靈活，主要是由于需要存儲各種尺寸的外罩和夾具，以匹配各式各樣的法蘭。另一種現(xiàn)今相對常用和可靠的方案是使用礦脂膠帶、蠟紙或彈性聚合物的包扎帶等防腐膠帶。這些膠帶可以纏繞在法蘭外表面和縫隙，對法蘭進(jìn)行保護(hù)。由于這些防腐膠帶的密閉性和防水性較好，能對法蘭提供相對可靠的防腐保護(hù)。此外，還有黏彈體材料[7]、熱熔型塑料等材料，通過灌輸在法蘭縫隙及表面，也可以對法蘭面及縫隙起到良好防腐蝕作用。

2.5 異種金屬法蘭防腐蝕措施

法蘭部位常常存在一種金屬連接，存在電偶腐蝕風(fēng)險。對此，安裝絕緣墊片和對低電位金屬法蘭進(jìn)行堆焊處理，是2種有效的防電偶腐蝕的措施，也是規(guī)范ISO 21457第8.7節(jié)對電偶腐蝕給出的相對可行且施工便捷的兩種措施。

2.5.1 安裝絕緣墊片組件

絕緣墊片組件的零部件構(gòu)成如圖1所示。

在法蘭接觸面以及螺栓與法蘭接觸面上安裝絕緣墊片，可以有效地控制異種金屬給法蘭帶來的電偶腐蝕。它隔絕了異種金屬的直接接觸，使得整個法蘭組件最大程度地減少了電偶腐蝕。雖然是無可避免的，在接地線等位置依然存在異種金屬連接，但其引起的電偶腐蝕非常微小，是一種有效控制法蘭面電偶腐蝕的措施。

2.5.2 在法蘭密封面堆焊耐蝕合金

在法蘭密封面堆焊耐蝕合金，是以焊條電弧焊等焊接方法，在法蘭密封面堆焊耐蝕合金材料的防腐蝕技術(shù)。該措施可以使電偶腐蝕轉(zhuǎn)移到整條管道內(nèi)部。與緩蝕劑的注入聯(lián)合起來，能夠有效控制電偶腐蝕，使法蘭密封面得到有效保護(hù)，很大程度上可以避免異種金屬引起的電偶腐蝕。

圖1 絕緣墊片組件

2.6 人為因素

在眾多法蘭腐蝕因素中，人為因素是最可控的因素?？梢酝ㄟ^加強(qiáng)內(nèi)部管理，提高人員素質(zhì)、設(shè)備巡檢次數(shù)和檢維修質(zhì)量等，及時發(fā)現(xiàn)法蘭腐蝕狀況，做到處理及時、高質(zhì)量維護(hù)。如針對油氣管道中油水分離導(dǎo)致法蘭腐蝕這一現(xiàn)象，可以同過間歇性大流量輸送、優(yōu)化清管作業(yè)頻次等措施提高輸送介質(zhì)的品質(zhì)，提高清理法蘭縫隙中積存水的頻次等種種人為措施，以預(yù)防和減緩法蘭腐蝕的發(fā)生。

3 結(jié)語

在眾多的法蘭腐蝕影響因素中，內(nèi)部腐蝕是法蘭出現(xiàn)泄漏的最主要原因。由于內(nèi)部腐蝕是與法蘭表面粗糙度、法蘭材質(zhì)、輸送介質(zhì)和各化學(xué)參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)和影響的，所以對其腐蝕的確切機(jī)理和具體問題的理解以及未來防腐技術(shù)的開發(fā)仍然是非常具有挑戰(zhàn)性的課題。實踐證明，對管道和閥門經(jīng)常性的維護(hù)保養(yǎng)、加強(qiáng)管道日常管理等方式是一種簡便、高效的措施，可以大大提高油氣儲運管道的防腐蝕性能。長距離油氣輸送管道中法蘭的可靠性和穩(wěn)定性，是很長時間以來我們不能不重視的問題。研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)要研發(fā)和引進(jìn)更多有效的防腐保護(hù)系統(tǒng)，經(jīng)過不斷的創(chuàng)新發(fā)展，才可以保證長輸油氣管道的安全運行。