海洋油氣平臺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

海洋油氣平臺管道異種金屬法蘭連接時，因輸送導電及腐蝕性流體會產生電偶腐蝕，嚴重時導致法蘭接頭失效，造成泄漏等安全事故。依據規范ISO 21457，比較了幾種減少電偶腐蝕危害控制措施的優缺點及對海洋油氣平臺上部組塊管道的適用性。結合項目實際應用情況，重點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，并對這兩種方案進行了綜合性能對比。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、制造簡單、易安裝等特點宜作為控制管道異種金屬法蘭連接電偶腐蝕的首選。在具體項目中應制訂詳細的堆焊技術要求，采用合理的堆焊工藝以保證法蘭密封面堆焊的質量。

海洋油氣平臺；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、石油化工等工業中，同樣存在于海洋油氣平臺異種金屬管道的連接中。

海洋油氣平臺不同工藝處理模塊會根據腐蝕環境及材料經濟評價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，對于含H2S油氣田還會用到鎳基合金材料。管道之間必然會出現異種材料連接即管道材料變級，如不銹鋼與碳鋼連接、不銹鋼與雙相不銹鋼連接等，此時宜采用法蘭連接，通常避免異種金屬直接焊接。異種金屬接頭焊接后，組織變化復雜，易形成粗大晶粒等缺陷，接頭力學性能、高溫性能和腐蝕性能等低于母材并存在復雜的應力分布[2]。當輸送導電介質時，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，還會加劇其他腐蝕如縫隙腐蝕、點蝕等。由于電偶腐蝕在法蘭密封面處產生的危害最為嚴重，在各種腐蝕的綜合作用下最終會導致法蘭密封面失效泄漏。

海洋油氣平臺管道異種金屬法蘭連接，通常會按照如下原則考慮控制電偶腐蝕：

（1）輸送導電腐蝕性介質需要考慮電偶腐蝕，如濕氣、閉排、生產水等。

（2）由于異種材料間腐蝕電位差越大腐蝕越嚴重，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險，必須采取一定的措施進行防護控制，避免安全事故的發生。規范ISO 21457第8.7節[3]，給出了一些電偶腐蝕控制措施，其優缺點對比見表1。

對比分析ISO 21457規范中推薦的電偶腐蝕控制措施，同時考慮到海洋油氣平臺管道安裝緊湊、空間有限等特點：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，無法有效保護法蘭密封面；鑒于以上4種措施不適用于海洋油氣平臺上部組塊管道，而措施4和措施6不占用空間，施工相對便捷，對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）通常用于長輸管道絕緣隔離有陰極保護的管段。海洋油氣平臺有時也會采用絕緣接頭，將海底管道與上部組塊進行隔離。考慮到絕緣接頭對制造檢驗的要求嚴格、施工要求較高、空間要求等因素不適合在海洋油氣平臺上部組塊管道大量應用。

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《海上固定平臺安全規則》7.8.2.4節要求[6]“油管和海水消防管系上的管系附件的墊片應由不燃材料制成。”因此海洋油氣平臺工藝管道絕緣墊片應滿足耐火要求，要通過API6FB耐火型式試驗。一般常用的防火絕緣墊片由玻璃纖維增強樹脂層壓材料+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品，根據使用工況及廠家推薦進行選型即可。

3.2.2 絕緣墊片組件的應用

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、接地線等仍存在導電連通，無法完全避免電偶腐蝕的產生，但是可以有效控制電偶腐蝕對于管道——尤其是法蘭接頭密封面的影響。

絕緣墊片適用于平面、突面和環連接面的標準法蘭，在ASME B16.5 Class 2500及以下壓力等級的法蘭上應用業績較多，較為成熟。但是考慮到絕緣墊片為平面型式，對于超高壓工況（如API6A69 MPa法蘭接頭）、循環震動工況、低溫工況下的法蘭接頭的應用應向制造商咨詢。

海洋石油平臺采用絕緣墊片組件控制電偶腐蝕的應用較為普遍，在中國東海及南海海域氣田應用最多，應用效果良好。海洋油氣平臺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會（NEMA）要求的G10級玻璃纖維增強環氧樹脂（GRE）絕緣材料。絕緣墊片的使用成本一直是項目的關注的焦點，以東海某項目中心處理平臺為例，共用絕緣墊片組件60余套，合同價格200余萬。較高的材料成本顯著增加了項目的建造投資。

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[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整條管道的影響越來越弱。因此對于管道控制電偶腐蝕危害的重點是保護法蘭接頭的密封面。

通過對碳鋼法蘭密封面堆焊耐蝕合金，法蘭密封面得到有效保護，電偶腐蝕轉移到整條管道內部，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生。

4.2 技術要求

碳鋼法蘭密封面堆焊應選擇與配對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，具體牌號根據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，針對海洋油氣平臺常用的ASME B16.5突面RF和環連接RTJ法蘭密封面特點，堆焊位置如圖3所示。堆焊后的法蘭外形尺寸應仍為標準法蘭。

圖3 法蘭密封面堆焊位置

規范API 5LD[9]規定，復合鋼管的耐蝕合金層厚度應不小于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的化學組成及耐蝕性能，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壓力等級的突面法蘭為海洋油氣平臺常用法蘭，其凸臺高度為2 mm，而所有壓力等級的環連接面法蘭的凸臺高度為環槽深度，堆焊時須機加工到凸臺厚度以下，才能保證堆焊后仍保持標準法蘭尺寸，這樣就消耗掉了法蘭最小厚度，進而影響法蘭整體強度。因此對于以上情況，堆焊材料應高于或與耐蝕合金法蘭保持一致。例如當Class 300的ASTM A105碳鋼法蘭與ASTM A182 F51雙相不銹鋼法蘭連接時，堆焊材料如選擇不銹鋼會造成堆焊層強度低于基材，有可能造成法蘭溫壓等級不能滿足工藝要求。

在碳鋼法蘭密封面堆焊耐蝕合金需要進行焊接工藝評定，制訂合理的焊接工藝規程。首先選擇堆焊方法，如鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊、等離子弧焊等；然后制訂堆焊程序，包括堆焊層數及層厚；再選擇堆焊材料、過渡層材料和表層材料；最后對堆焊層表面進行檢驗包括無損檢測，通常為滲透檢驗或者超聲檢驗、金相試驗、機械性能試驗、化學組分測定等。通過合理的焊接及產品的檢驗確保堆焊層的完整、耐蝕性能可靠。

結合以上討論分析，為保證堆焊法蘭強度和耐蝕性能的可靠性，給出了海洋油氣平臺對碳鋼法蘭堆焊耐蝕合金材料建議表（見表2）。如對于Class 150碳鋼突面法蘭與A182 F316L不銹鋼法蘭連接時，堆焊材料可選擇ER316L、ER2209或者ERNiCrMo-3，但是考慮到ER316L材料的經濟性宜作為首選。而對于同一個項目同時存在幾種耐蝕合金管道材料，為了避免現場混用，可規定一種堆焊材料，宜選用較高級別的材料，如即有不銹鋼也有鎳基合金，可以選擇統一堆焊ERNiCrMo-3。

表2 海洋油氣平臺對碳鋼法蘭堆焊耐蝕合金材料采用建議

4.3 堆焊法蘭的應用

堆焊法蘭應用時應注意以下幾點問題：

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

（2）異種金屬法蘭接頭連接應選擇與耐蝕合金法蘭配套的緊固件。

（3）對于較為關鍵的異種金屬連接位置，可將堆焊層延伸至法蘭內部，加強控制電偶腐蝕對碳鋼法蘭的危害。

在緬甸海域某氣田海洋平臺，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月份平臺投產至今，使用效果良好。

5 兩種控制措施綜合性能對比分析

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比見表3。

表3 兩種措施綜合性能對比

通過表3綜合性能對比，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單、成本相對較低、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建設項目。

6 結束語

海洋油氣平臺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，經過實際工程應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簡單、易獲取、成本相對較低、便于施工宜作為首選。

絕緣墊片均為制造商定型產品，根據實際需求進行選型設計即可。而對于堆焊法蘭無對應標準和規范參考，具體項目中應制定詳細的技術要求，采用合理的堆焊工藝以保證法蘭密封面堆焊的質量。

[1]趙麥群，雷阿麗.金屬的腐蝕與防護[M].北京：國防工業出版社，2002：98.

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[5]張經磊.海水管道內壁陰極保護——犧牲陽極保護法[J].海洋科學，1984（5）：60-61.

[6]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.關于印發《海上固定平臺安全規則》的通知：國經貿安全[2000]944號[A].

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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年畢業于天津大學，碩士，主要從事海洋油氣平臺管道設計研究工作。

2017-01-04；

2017-01-13

Email：shansc@mail.cooec.com.cn