王美芳

（深圳中质安股份有限公司，广东 深圳 518107）

0 前言

长距离油气输送管道的稳定性和安全性对于整体经济建设和人民生命财产安全起到了至关重要的作用，同时也严重影响着油气输送的运行效果[1]。关于油气管道的腐蚀机理和防护技术已被古今中外诸多学者广泛研究，但是，关于管道中法兰的腐蚀特性和防护技术研究鲜有报道。在长距离油气输送管道系统中，法兰部分的安全性实际上与管道部分的安全性是同样重要的。尽管输送的介质有所不同，但是法兰连接处泄漏将直接改变整个管网的稳定性，造成巨大的安全隐患，有时会对环境造成灾难性的破坏。法兰部位的防腐蚀措施相对于管道来说，实际上更加困难[2]。一方面，在对法兰进行防腐蚀措施时难免会破坏法兰原本的机械加工应力平衡，使其出现细微的缝隙，当其与大气接触时会出现较快腐蚀；另一方面，由于法兰部位特殊的几何形状以及法兰盘与螺栓出现的异种金属连接，一定程度上会导致出现电偶腐蚀现象[3]。最重要的是由于施工误差和输送量不同，管网内必然存在着各种循环应力，对法兰形成冲刷腐蚀，这必定会加快法兰的腐蚀，进而影响管网的安全性。Nahal[4]等人的研究表明，管网中法兰等存在不规则平面的区域，其可靠性受腐蚀的影响明显大于管网其他区域，对管网中各区域循环应力大小的比较，得出法兰处所受的循环应力最大，对管网造成的破坏概率也最大。

考虑到长距离油气输送管道复杂多变的地域环境，可按腐蚀途径的不同，将影响法兰腐蚀的因素划分为外部腐蚀因素与内部腐蚀因素，各因素总结见表1 。

表1 法兰腐蚀的影响因素

1 法兰腐蚀分析

1.1 外环境引起的腐蚀

引起法兰产生腐蚀的外环境因素，是法兰间隙与外环境中可能引起腐蚀的介质之间存在相互作用，在没有采取外部防护措施时，法兰外表面及相应部件直接暴露在水和大气环境中，会迅速发生腐蚀。当昼夜温差变化较大时，在法兰间隙处会存在冷凝水的集聚，会在法兰表面产生阳极和阴极引起电子的传递，进而引发电化学腐蚀。含氧量、含水量与温度等因素皆可以对法兰在大气中腐蚀的程度产生影响。此外，人为因素也是产生腐蚀的原因之一，如对法兰进行跨接时可能引起的螺栓松动所造成法兰应力失衡，进而引发介质泄露引起腐蚀；由于施工过程中没有按照安全技术规范进行，缺少必要的保护层或者被起重设备等损伤管道和阀门的外表面，一旦没有进行及时维修保养，而进行了直接施工，就会埋下隐患，加速管道和阀门的腐蚀速度。

1.2 电化学腐蚀

长距离油气输送管道所输送的介质中，无论是液体还是气体，常常含有各种腐蚀性物质，如硫化氢、二氧化硫等。特别是含有硫化氢的酸性介质，在与水化合后会形成酸，加速法兰及管道的腐蚀速率。不同物质的腐蚀产物及反应式见表2。

电化学产生的原因主要是法兰处存在缝隙结构。实际施工时，会在法兰处安装垫片来弥补缺失的密封性，但即使是这样，垫片与法兰面壁依然会存在一定的间隙，这将会导致介质的积存，使得法兰平面发生电化学腐蚀。因为法兰接缝处的密闭性质，缝隙内流体停滞，介质内的O2在经过持续的消耗后，形成一种氧浓度差原电池，缝内阳极、缝外阴极：缝内Fe→Fe2++2e为阳极，缝外O2+2H2O+4e→4OH-为阴极，同时因为缝内的Fe2+过剩，会吸引缝外Cl-等进入，使内外电荷达到平衡状态[5]。此时缝隙中高浓度的氯化物产生水解，导致缝内的介质发生酸化，从而加速阳极的溶解。阳极溶解又会吸引更多的Cl-迁入，使得氯化物继续水解，这又使得缝内的介质发生酸化，如此反复循环。

此外，当输送介质为原油且输送速度低于特定值时，原油会处于分流层状态，尤其是在含法兰等设备的管段中，会形成积存水。通常来说，有油水分层和存在积水的管段，发生腐蚀的概率会更大。管道输送量越小，油水分层就越容易出现，这必定会使电化学腐蚀的速度加快。

1.3 冲刷腐蚀

冲刷腐蚀是由于管道输送的介质中含有的细小砂石等固体杂质在输送过程中冲刷管壁，削弱和破坏了管壁内的防腐涂层，加快了管道内壁的腐蚀，形成冲刷腐蚀[6]。在管道结构发生改变的地方，如法兰等处，冲刷腐蚀形成的危害更大。

从实际输送和腐蚀情况来看，我们不妨假设管道内固体杂质为砂石，那么，流速（m/s-1）如果加大，流到缝隙内的砂石数量也会增多，对法兰形成的冲击也就越来越大，其腐蚀速率也就越来越大。当流速增加到一定数值后，由于介质的物理特性，将携带砂石快速流过法兰缝隙，此时流速越大，能流入缝隙的砂石数量就越少，此时腐蚀速率也将减小。另一方面，当砂石的质量流量（kg/s-1）加大时，法兰处的腐蚀速率也将上升。质量流量超过谋特定值时，腐蚀速率趋于稳定，不再随质量流量的加大而增加。这主要是由于质量流量加大到某特定值后，砂石等固体杂质与法兰缝隙处的冲击次数达到饱和，没有再继续上升的空间，也就不能使腐蚀速率持续增大。事实上，在输送过程中，冲刷腐蚀总是与电化学腐蚀共同对管壁和法兰产生破坏，增大腐蚀速率。

表2 不同物质腐蚀产物及反应式

1.4 电偶腐蚀

电偶腐蚀的产生，往往是因为法兰或者管道的连接处使用了异种金属进行连接，并产生高低电位差时，发生的一种腐蚀现象。而在实际工程技术和施工中，异种金属连接往往又是必不可少的施工步骤，如不锈钢与碳钢连接、不锈钢与双相不锈钢连接等，这几乎囊括了大部分的机器以及金属构件，所以电偶腐蚀是非常容易产生的。电偶腐蚀是在介质中，当2种金属或合金相接触（电导通）时，使异种金属连接具备了电偶腐蚀的条件，低电位金属腐蚀被加快，而高电位的金属腐蚀被减慢甚至不发生腐蚀的现象。在法兰连接结构中，电偶腐蚀一般发生在法兰盘与螺栓之间，会加剧其他腐蚀如缝隙腐蚀、点蚀等。在各种因素的共同影响下，法兰密封面最终将失效，发生泄漏事故。

1.5 管内压力加速腐蚀

在介质输送过程中，管道会对输送的介质施以一定的压力使得介质的运输达到一定速度，但力的作用同时也使得管道内表面产生应力作用，这也是长距离油气输送管道的管壁和法兰连接处遭受应力腐蚀破坏的主要原因。那么在应力与化学腐蚀以及电偶腐蚀等因素的综合影响下，管道中法兰连接处的腐蚀被加快，造成法兰因力的作用腐蚀开裂，引起法兰发生泄漏事故。

2 法兰防腐对策措施

2.1 法兰材料的优化

法兰的防腐最简单的途径是通过材料的选择和应用去规避一些已知的可能发生的腐蚀。原材料的品种和特性决定了法兰的耐腐蚀性能，法兰材料的耐腐蚀性大小关系到法兰使用年限、使用环境和产生腐蚀的概率。长距离油气输送管道常用的法兰材料是碳素钢（20#、A105、Q235A等）、合金钢（12Cr1MoV、16MnR、15CrMo）等。在实际应用过程中，行业需要根据输送介质和环境条件的不同，理性选择法兰材料，甚至可以制定相关标准，通过强制要求来避免出现已知的腐蚀现象，但同时也应该既要满足输送作业的需要，又要尽可能地降低成本。

2.2 敷设保护层法

对于外部因素引起的法兰腐蚀，在法兰外部做防腐涂层施工，是长输油气管道法兰部位常见的防腐措施。涂层可以将法兰外表面与外界的腐蚀介质相分离，减缓或者阻止法兰外表面与外界腐蚀介质之间的相互作用，是一种法兰外表面防腐处理的有效手段。在现有的涂层分类中，主要包括无机涂层和有机涂层两大类。其中环氧涂料、石油和沥青涂层、聚氨酯涂料类涂层和聚烯烃类涂层属于有机涂层，这类涂层以环氧涂层为代表，具有致密度高、层面光滑、粘结牢固等优点，是法兰防腐涂层中常用的涂层。而陶瓷涂层、搪瓷涂层、热喷玻璃涂层等属于无机涂层，这类涂层具有耐老化、耐高温、耐腐蚀且耐磨等特点，但其成本较高，工艺也更复杂。但是涂层由于长期与外界接触，在材料选择和施工难度上要综合考虑黏结性与机械强度，既要避免在其接触外力时发生脱落，又要避免一旦发生脱落时维修的难易程度。

2.3 油气中加入缓蚀剂

在众多防腐措施中，缓蚀剂的加入是唯一不需要改动法兰的措施。缓蚀剂的加入，能使输送介质在与法兰和管壁内表面形成一层防腐膜，减缓和阻止介质与内壁的接触，从而减缓腐蚀。缓蚀剂目前分为无机缓蚀剂和有机缓蚀剂两大类，在实际使用时，应综合考虑使用环境和输送介质的特性来选择缓蚀剂。缓蚀剂操作比较简便、效率高，但同时缓蚀剂容易随输送介质的流动而流动，其用量、加注周期和加注方法应严格把控，否则不但会影响防腐功能的发挥，也会影响输送介质的传输和流动。

2.4 缝隙处防腐处理

当前，针对法兰缝隙处的防腐处理技术多种多样。一种相对较老的方案是使用不锈钢等材质，配合橡胶条来保护外罩和夹具，以封闭法兰和法兰面的间隙。但是，这种传统的方案相对不太灵活，主要是由于需要存储各种尺寸的外罩和夹具，以匹配各式各样的法兰。另一种现今相对常用和可靠的方案是使用矿脂胶带、蜡纸或弹性聚合物的包扎带等防腐胶带。这些胶带可以缠绕在法兰外表面和缝隙，对法兰进行保护。由于这些防腐胶带的密闭性和防水性较好，能对法兰提供相对可靠的防腐保护。此外，还有黏弹体材料[7]、热熔型塑料等材料，通过灌输在法兰缝隙及表面，也可以对法兰面及缝隙起到良好防腐蚀作用。

2.5 异种金属法兰防腐蚀措施

法兰部位常常存在一种金属连接，存在电偶腐蚀风险。对此，安装绝缘垫片和对低电位金属法兰进行堆焊处理，是2种有效的防电偶腐蚀的措施，也是规范ISO 21457第8.7节对电偶腐蚀给出的相对可行且施工便捷的两种措施。

2.5.1 安装绝缘垫片组件

绝缘垫片组件的零部件构成如图1所示。

在法兰接触面以及螺栓与法兰接触面上安装绝缘垫片，可以有效地控制异种金属给法兰带来的电偶腐蚀。它隔绝了异种金属的直接接触，使得整个法兰组件最大程度地减少了电偶腐蚀。虽然是无可避免的，在接地线等位置依然存在异种金属连接，但其引起的电偶腐蚀非常微小，是一种有效控制法兰面电偶腐蚀的措施。

2.5.2 在法兰密封面堆焊耐蚀合金

在法兰密封面堆焊耐蚀合金，是以焊条电弧焊等焊接方法，在法兰密封面堆焊耐蚀合金材料的防腐蚀技术。该措施可以使电偶腐蚀转移到整条管道内部。与缓蚀剂的注入联合起来，能够有效控制电偶腐蚀，使法兰密封面得到有效保护，很大程度上可以避免异种金属引起的电偶腐蚀。

图1 绝缘垫片组件

2.6 人为因素

在众多法兰腐蚀因素中，人为因素是最可控的因素。可以通过加强内部管理，提高人员素质、设备巡检次数和检维修质量等，及时发现法兰腐蚀状况，做到处理及时、高质量维护。如针对油气管道中油水分离导致法兰腐蚀这一现象，可以同过间歇性大流量输送、优化清管作业频次等措施提高输送介质的品质，提高清理法兰缝隙中积存水的频次等种种人为措施，以预防和减缓法兰腐蚀的发生。

3 结语

在众多的法兰腐蚀影响因素中，内部腐蚀是法兰出现泄漏的最主要原因。由于内部腐蚀是与法兰表面粗糙度、法兰材质、输送介质和各化学参数之间相互关联和影响的，所以对其腐蚀的确切机理和具体问题的理解以及未来防腐技术的开发仍然是非常具有挑战性的课题。实践证明，对管道和阀门经常性的维护保养、加强管道日常管理等方式是一种简便、高效的措施，可以大大提高油气储运管道的防腐蚀性能。长距离油气输送管道中法兰的可靠性和稳定性，是很长时间以来我们不能不重视的问题。研究机构和企业要研发和引进更多有效的防腐保护系统，经过不断的创新发展，才可以保证长输油气管道的安全运行。