海洋油气平台管道异种金属法兰连接电偶腐蚀控制措施探讨

单世超，胡晓明，刘吉飞，程久欢，郝孟江

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

海洋油气平台管道异种金属法兰连接电偶腐蚀控制措施探讨

单世超，胡晓明，刘吉飞，程久欢，郝孟江

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

海洋油气平台管道异种金属法兰连接时，因输送导电及腐蚀性流体会产生电偶腐蚀，严重时导致法兰接头失效，造成泄漏等安全事故。依据规范ISO 21457，比较了几种减少电偶腐蚀危害控制措施的优缺点及对海洋油气平台上部组块管道的适用性。结合项目实际应用情况，重点讨论了绝缘垫片组件和碳钢法兰密封面堆焊耐蚀合金两种适用的措施，并对这两种方案进行了综合性能对比。碳钢法兰密封面堆焊耐蚀合金相较绝缘垫片组件因其低成本、制造简单、易安装等特点宜作为控制管道异种金属法兰连接电偶腐蚀的首选。在具体项目中应制订详细的堆焊技术要求，采用合理的堆焊工艺以保证法兰密封面堆焊的质量。

海洋油气平台；异种金属法兰连接；电偶腐蚀；绝缘垫片组件；堆焊

1 异种金属连接电偶腐蚀

电偶腐蚀（亦称接触腐蚀或双金属腐蚀），是指异种金属在同一介质中接触，由于腐蚀电位不同，使电位较低的金属溶解速度增加，造成接触处的局部腐蚀，而电位较高的金属，溶解速度反而减慢[1]。电偶腐蚀广泛存在于船舶、石油化工等工业中，同样存在于海洋油气平台异种金属管道的连接中。

海洋油气平台不同工艺处理模块会根据腐蚀环境及材料经济评价选择不同的管道金属材料，常用金属材料主要包括碳钢、不锈钢、双相不锈钢，对于含H2S油气田还会用到镍基合金材料。管道之间必然会出现异种材料连接即管道材料变级，如不锈钢与碳钢连接、不锈钢与双相不锈钢连接等，此时宜采用法兰连接，通常避免异种金属直接焊接。异种金属接头焊接后，组织变化复杂，易形成粗大晶粒等缺陷，接头力学性能、高温性能和腐蚀性能等低于母材并存在复杂的应力分布[2]。当输送导电介质时，由于异种金属腐蚀电位差的存在，使异种金属法兰连接具备了电偶腐蚀的条件，还会加剧其他腐蚀如缝隙腐蚀、点蚀等。由于电偶腐蚀在法兰密封面处产生的危害最为严重，在各种腐蚀的综合作用下最终会导致法兰密封面失效泄漏。

海洋油气平台管道异种金属法兰连接，通常会按照如下原则考虑控制电偶腐蚀：

（1）输送导电腐蚀性介质需要考虑电偶腐蚀，如湿气、闭排、生产水等。

（2）由于异种材料间腐蚀电位差越大腐蚀越严重，主要考虑控制碳钢与耐蚀合金之间的电偶腐蚀如碳钢与不锈钢、双相不锈钢、镍基合金等。一般不考虑耐蚀合金间的电偶腐蚀。

（3）小阴极大阳极法兰连接不考虑电偶腐蚀。如碳钢管道上温度、液位计等不锈钢部件的连接。

2 电偶腐蚀控制措施

异种金属材料连接存在电偶腐蚀风险，必须采取一定的措施进行防护控制，避免安全事故的发生。规范ISO 21457第8.7节[3]，给出了一些电偶腐蚀控制措施，其优缺点对比见表1。

对比分析ISO 21457规范中推荐的电偶腐蚀控制措施，同时考虑到海洋油气平台管道安装紧凑、空间有限等特点：措施1承压能力有限，安装空间受限；措施2无法控制法兰密封面的腐蚀，仍存在法兰接头失效可能；措施3需要精确计算阳极重量，安装空间受限，维修、更换较困难；措施5涂层有可能脱落，寿命短，无法有效保护法兰密封面；鉴于以上4种措施不适用于海洋油气平台上部组块管道，而措施4和措施6不占用空间，施工相对便捷，对于管道异种金属法兰连接更为可行。

3 电绝缘

3.1 绝缘接头

绝缘接头（见图1）通常用于长输管道绝缘隔离有阴极保护的管段。海洋油气平台有时也会采用绝缘接头，将海底管道与上部组块进行隔离。考虑到绝缘接头对制造检验的要求严格、施工要求较高、空间要求等因素不适合在海洋油气平台上部组块管道大量应用。

图1 绝缘接头

3.2 绝缘垫片组件

3.2.1 绝缘垫片组件的组成

绝缘垫片组件的组成如图2所示，包括绝缘垫片、绝缘套筒、绝缘垫圈和金属垫圈。

图2 绝缘垫片组件

根据《海上固定平台安全规则》7.8.2.4节要求[6]“油管和海水消防管系上的管系附件的垫片应由不燃材料制成。”因此海洋油气平台工艺管道绝缘垫片应满足耐火要求，要通过API6FB耐火型式试验。一般常用的防火绝缘垫片由玻璃纤维增强树脂层压材料+金属芯板+非金属主密封+防火密封组成。不同绝缘垫片制造商都有自己的定型产品，根据使用工况及厂家推荐进行选型即可。

3.2.2 绝缘垫片组件的应用

绝缘垫片可以有效隔离电绝缘异种金属管道，尽管通过管支架、甲板、接地线等仍存在导电连通，无法完全避免电偶腐蚀的产生，但是可以有效控制电偶腐蚀对于管道——尤其是法兰接头密封面的影响。

绝缘垫片适用于平面、突面和环连接面的标准法兰，在ASME B16.5 Class 2500及以下压力等级的法兰上应用业绩较多，较为成熟。但是考虑到绝缘垫片为平面型式，对于超高压工况（如API6A69 MPa法兰接头）、循环震动工况、低温工况下的法兰接头的应用应向制造商咨询。

海洋石油平台采用绝缘垫片组件控制电偶腐蚀的应用较为普遍，在中国东海及南海海域气田应用最多，应用效果良好。海洋油气平台常用的防火型绝缘垫片组件，通常选用符合美国电气制造者协会（NEMA）要求的G10级玻璃纤维增强环氧树脂（GRE）绝缘材料。绝缘垫片的使用成本一直是项目的关注的焦点，以东海某项目中心处理平台为例，共用绝缘垫片组件60余套，合同价格200余万。较高的材料成本显著增加了项目的建造投资。

4 碳钢法兰密封面堆焊耐蚀合金

4.1 控制电偶腐蚀原理

文献[7]研究显示：在异种材料接头连接处腐蚀速率最高，距离连接处越远腐蚀速率越低。异种金属法兰两密封面通过垫片直接接触最易受到电偶腐蚀的影响，随着管道的延伸电偶腐蚀对整条管道的影响越来越弱。因此对于管道控制电偶腐蚀危害的重点是保护法兰接头的密封面。

通过对碳钢法兰密封面堆焊耐蚀合金，法兰密封面得到有效保护，电偶腐蚀转移到整条管道内部，配合缓蚀剂的注入及管道本身的腐蚀裕量能够有效控制电偶腐蚀，避免电偶腐蚀造成法兰接头失效的问题产生。

4.2 技术要求

碳钢法兰密封面堆焊应选择与配对耐蚀合金法兰材料一致或更高的焊材，常用堆焊材料包括不锈钢、双相不锈钢、镍基合金等，具体牌号根据ASME BPVC第II卷C篇[8]选取。

碳钢法兰密封面堆焊位置由法兰密封面形式确定，针对海洋油气平台常用的ASME B16.5突面RF和环连接RTJ法兰密封面特点，堆焊位置如图3所示。堆焊后的法兰外形尺寸应仍为标准法兰。

图3 法兰密封面堆焊位置

规范API 5LD[9]规定，复合钢管的耐蚀合金层厚度应不小于2.5 mm。为控制堆焊工作层金属的稀释率，保证法兰密封面堆焊层材质的化学组成及耐蚀性能，要求加工完成后法兰密封面的耐蚀合金层厚度至少为3 mm[10]。

ASME B16.5 Class 150和Class 300压力等级的突面法兰为海洋油气平台常用法兰，其凸台高度为2 mm，而所有压力等级的环连接面法兰的凸台高度为环槽深度，堆焊时须机加工到凸台厚度以下，才能保证堆焊后仍保持标准法兰尺寸，这样就消耗掉了法兰最小厚度，进而影响法兰整体强度。因此对于以上情况，堆焊材料应高于或与耐蚀合金法兰保持一致。例如当Class 300的ASTM A105碳钢法兰与ASTM A182 F51双相不锈钢法兰连接时，堆焊材料如选择不锈钢会造成堆焊层强度低于基材，有可能造成法兰温压等级不能满足工艺要求。

在碳钢法兰密封面堆焊耐蚀合金需要进行焊接工艺评定，制订合理的焊接工艺规程。首先选择堆焊方法，如钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等；然后制订堆焊程序，包括堆焊层数及层厚；再选择堆焊材料、过渡层材料和表层材料；最后对堆焊层表面进行检验包括无损检测，通常为渗透检验或者超声检验、金相试验、机械性能试验、化学组分测定等。通过合理的焊接及产品的检验确保堆焊层的完整、耐蚀性能可靠。

结合以上讨论分析，为保证堆焊法兰强度和耐蚀性能的可靠性，给出了海洋油气平台对碳钢法兰堆焊耐蚀合金材料建议表（见表2）。如对于Class 150碳钢突面法兰与A182 F316L不锈钢法兰连接时，堆焊材料可选择ER316L、ER2209或者ERNiCrMo-3，但是考虑到ER316L材料的经济性宜作为首选。而对于同一个项目同时存在几种耐蚀合金管道材料，为了避免现场混用，可规定一种堆焊材料，宜选用较高级别的材料，如即有不锈钢也有镍基合金，可以选择统一堆焊ERNiCrMo-3。

表2 海洋油气平台对碳钢法兰堆焊耐蚀合金材料采用建议

4.3 堆焊法兰的应用

堆焊法兰应用时应注意以下几点问题：

（1）密封垫片材质应为耐蚀合金，合理选择垫片的材质，保证堆焊层的硬度高于垫片硬度，从而确保整个法兰接头的完整性。

（2）异种金属法兰接头连接应选择与耐蚀合金法兰配套的紧固件。

（3）对于较为关键的异种金属连接位置，可将堆焊层延伸至法兰内部，加强控制电偶腐蚀对碳钢法兰的危害。

在缅甸海域某气田海洋平台，部分湿气管道存在Class 600碳钢突面法兰与双相不锈钢连接。采用碳钢法兰堆焊316L不锈钢，法兰接头连接采用316L金属缠绕垫密封垫片和ASTM A453 Gr 660B（特氟龙涂装）紧固件控制电偶腐蚀，从2016年4月份平台投产至今，使用效果良好。

5 两种控制措施综合性能对比分析

防火型绝缘垫片组件控制电偶腐蚀措施与碳钢法兰密封面堆焊耐蚀合金控制电偶腐蚀措施的综合性能对比见表3。

表3 两种措施综合性能对比

通过表3综合性能对比，碳钢法兰密封面堆焊耐蚀合金相较绝缘垫片组件加工制造简单、成本相对较低、便于施工且能取得令人满意的控制电偶腐蚀效果，前者综合性要优于后者。碳钢密封面堆焊耐蚀合金控制措施更适用于海洋油气平台建设项目。

6 结束语

海洋油气平台异种金属法兰连接可采用绝缘垫片组件和密封面堆焊耐蚀合金法兰两种措施控制电偶腐蚀，经过实际工程应用均能取得令人满意的效果。通常情况下密封面堆焊法兰因其加工制造相对简单、易获取、成本相对较低、便于施工宜作为首选。

绝缘垫片均为制造商定型产品，根据实际需求进行选型设计即可。而对于堆焊法兰无对应标准和规范参考，具体项目中应制定详细的技术要求，采用合理的堆焊工艺以保证法兰密封面堆焊的质量。

[1]赵麦群，雷阿丽.金属的腐蚀与防护[M].北京：国防工业出版社，2002：98.

[2]黄本生，黄龙鹏，李慧.异种金属焊接研究现状及发展趋势[J].材料导报，2011，25（12）：118-121.

[3]ISO 21457-2010，Petroleum，petrochemical and natural gas industries—Materials selection and corrosion control for oil and gas production systems[S].

[4]周宏.管道内牺牲阳极补口装置的研究应用[J].化学工程与装备，2016（8）：146-147.

[5]张经磊.海水管道内壁阴极保护——牺牲阳极保护法[J].海洋科学，1984（5）：60-61.

[6]中华人民共和国国家经济贸易委员会.关于印发《海上固定平台安全规则》的通知：国经贸安全[2000]944号[A].

[7]R RANCIS.Galvanic corrosion of high alloy stainless steels in sea water[J].British Corrosion Journal，1994，29（1）：53-57.

[8]ASMEBPVC.II.C-2015，Specificationforweldingrods，electrodes，and filler metals[S].

[9]API5LD-2015，CRAclad or lined steelpipe[S].

[10]王成文，吴志生，田文珍，等.碳钢法兰密封面堆焊镍基合金耐蚀层的试验研究[J].金属加工-热加工，2009（22）：40-43.

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

单世超（1983-），男，河北泊头人，工程师，2009年毕业于天津大学，硕士，主要从事海洋油气平台管道设计研究工作。

2017-01-04；

2017-01-13

Email：shansc@mail.cooec.com.cn