埋地管道陰極保護工程法蘭絕緣改造研究

朱昌偉

（眾一伍德工程有限公司廣東分公司，廣東惠州 516086）

惠州大亞灣石化區某化工廠的循環水、消防水、生產水地下管道均為碳鋼，管道外設有環氧煤瀝青加冷纏帶技術或環氧粉末涂層，由于涂層不完善，管道暴露于土壤腐蝕環境中，在使用幾年后可能導致泄漏，這對裝置的可靠性和安全運行構成重大威脅。根據地下管道的腐蝕機理，借鑒同類化工廠的經驗，有必要在地下管道上設置陰極保護系統，防止地下管道發生土壤腐蝕，降低泄漏風險。在地下管道上安裝陰極保護系統時，為了消除潛在的電流泄漏，需要在循環水、消防水、生產水地下管道和地上管道連接的法蘭處進行絕緣改造。將法蘭接頭的配套螺栓降低一個技術規格并增加絕緣襯套，對陰極保護系統進行有效分區絕緣隔離。

1 陰極保護系統

通過對該工廠288處管道自然電位的現場測量，其中 169 處的自然電位位于-0.40～-0.65 V，占總測量數據的 58.7%，有 119 處的自然電位小于-0.65 V，占總測量數據的 41.3%，其中自然電位小于-0.55 V 的占總測量數據的 93%。管道的自然電位小于-0.55 V可能有以下原因。

1）此部分管道周圍的土壤環境腐蝕性較強，鋼材對地電位與土壤腐蝕性如表1所示。

表1 鋼材對地電位與土壤腐蝕性

2）管道可能受到一定程度的犧牲陽極陰極保護。這種現象產生的主要原因是廠區內部采用鍍鋅扁鋼的接地系統，鍍鋅扁鋼與管道直接相連時，外部鍍鋅層會引起一定作用的鋅合金犧牲陽極保護現場。

通過對該工廠埋地管道自然電位的普查結果分析，目前廠區內的埋地管道大部分處于自腐蝕的狀態，部分管道可能受到了接地系統中鍍鋅扁鋼的保護，同時廠內埋地管道采用的環氧煤瀝青加冷纏帶技術防腐層壽命較短，因此，對全廠埋地管網進行陰極保護補救是必要的，這就需要對全廠約1 200處管道出地面后的法蘭進行絕緣改造。

2 絕緣法蘭

出于對經濟和環境保護的考慮，阻止管線運輸中造成的泄漏變得比以往任何時候都更為迫切。絕緣法蘭用于解決法蘭密封和絕緣，控制因管線泄漏和腐蝕造成的損失，阻止雜散電流對管線腐蝕和損害，將陰極保護電流的范圍和成本控制在主陰極保護系統需要保護的管道上，從而增強陰極保護的性能。絕緣法蘭組包含一對鋼法蘭、絕緣墊片、絕緣襯套、縮徑螺栓、絕緣墊圈、金屬墊圈，其安裝示意圖見圖1所示。絕緣法蘭不但具有電化學保護工程所要求的電絕緣性能指標，而且要同時具備埋地鋼制管道密封性能的要求。

圖1 絕緣法蘭安裝示意

3 絕緣材料的選用

絕緣墊片采用高強度的環氧樹脂板G10 或G11黏附在不銹鋼板的兩面，這樣墊片不僅保持了不銹鋼板的高強度，又實現了高絕緣性能。這種墊片使用一個特制的彈簧壓緊的特氟龍密封條達到了可靠的密封性能，同時，墊片上的密封槽會深入到不銹鋼板內，如此即可避免介質通過兩種材質間隙泄漏的可能性，本工程中絕緣墊片、絕緣襯套、絕緣墊圈的材料標準選擇NEMA LI-1，Grade 10，原材料及成品驗收測試內容如表2所示。

4 普通法蘭絕緣改造方案

普通法蘭通過增加絕緣墊片、絕緣墊圈、絕緣襯套，從而實現法蘭接頭絕緣隔離。

4.1 更換絕緣墊片

將管道出地面后絕緣點處的普通墊片更換成絕緣墊片，需要注意以下兩點。

（1）絕緣點現場沒有法蘭，需焊接新增一對法蘭。

（2）絕緣點處是對夾蝶閥，需更換兩個絕緣墊片。

4.2 增加絕緣墊圈

增加絕緣墊圈后，設計時需要加長螺栓長度，需要根據絕緣墊圈廠家的產品厚度，單獨采購加長的螺栓。

4.3 降低標準螺栓的規格

原法蘭螺栓孔徑維持不變，將法蘭配套的標準螺栓降低一個規格，也就是采用縮徑螺栓，確保法蘭孔和螺栓外徑之間的間隙足夠安裝絕緣墊圈和絕緣襯套。

5 法蘭連接縮徑螺栓的強度復核

法蘭通過螺栓在預緊狀態下提供的拉緊力來壓縮墊片，法蘭密封面與墊片之間依靠拉緊力產生足夠大的密封比壓，從而保證法蘭連接的密封性。只有當螺栓提供足夠強度的預緊力，才能使絕緣墊片達到工作需要的密封比壓，否則，法蘭連接處就會出現泄漏，最小拉力載荷是保證螺栓不被拉斷失效的最低要求[1，2]。本工程將CL150，WN 法蘭的標準螺栓縮徑一檔進行絕緣改造后，法蘭連接的最小螺栓載荷及縮徑螺栓的最小拉力載荷是確保法蘭連接不泄漏及安全運行的重要參數。螺栓縮徑后是否能滿足操作狀態下所需的螺栓載荷，需要復核預緊狀態下所有的最小螺栓初始載荷和所需的螺栓總面積，以及實際螺栓總面積，具體計算公式參見《管法蘭連接計算方法 第1部分：基于強度和剛度的計算方法》（GB/T 17186.1—2015）。采用該方法分別對2.54～63.5 cm 的常用法蘭標準螺栓和縮徑螺栓設計荷載計算，結果見表3。

表3 標準螺栓和縮徑螺栓設計荷載結果對比

通過對計算結果數據對比，可以看出將CL150，WN 法蘭配套的標準螺栓縮徑絕緣改造后，螺栓最小拉力載荷遠大于根據法蘭連接強度計算出的螺栓最小設計載荷，兩者相差 6.44～8.50 倍，螺栓拉力荷載滿足運行需求，本項目將CL150，WN 法蘭配套的標準螺栓縮徑絕緣改造技術方案理論上是可行的，但該改造方案使螺栓的最小拉力載荷降低了18%～38%，也就是說螺栓連接的安全系數降低了18%～38%。

6 絕緣性能測試標準

絕緣法蘭質量優劣的關鍵指標是電化學保護所要求的電絕緣性能，絕緣法蘭的電絕緣性能包括絕緣墊片、絕緣襯套、絕緣墊圈及安裝后的絕緣電阻值。為保證安裝質量，絕緣性能測試標準中絕緣法蘭的絕緣性能應達到以下指標[3]。

1）采用低壓絕緣電阻測試儀，測試螺栓對于兩側法蘭的電阻值，絕緣電阻值應大于10 kΩ，測量方法如圖2所示。

圖2 絕緣電阻測量示意及標準

2）絕緣墊片、絕緣襯套、絕緣墊圈的設計使用壽命不低于4 a。

3）絕緣法蘭的電絕緣強度試驗60 s，在整個絕緣法蘭測試過程中沒有出現絕緣損壞，則認為合格。

7 結論及建議

1）將法蘭連接的標準螺栓降低一個技術規格，并增加絕緣墊片、絕緣襯套、絕緣墊圈，將已建工廠的普通鋼法蘭改造成絕緣法蘭，從而實現埋地管道陰極保護系統有效絕緣隔離的技術改造方案；

2）通過法蘭連接強度理論計算法蘭緊固螺栓的設計載荷，計算結果表明雖然縮徑螺栓比標準螺栓安全系數降低了 18%～38%，但是改造后縮徑螺栓的最小拉力載荷仍遠大于螺栓的設計載荷，理論上驗證了改造方案的可靠性；

3）對新建化工廠，在設計階段對地下管道進行陰極保護設計時統一考慮，優化全廠埋地管道絕緣點的分布。