埋地管道阴极保护工程法兰绝缘改造研究

朱昌伟

（众一伍德工程有限公司广东分公司，广东惠州 516086）

惠州大亚湾石化区某化工厂的循环水、消防水、生产水地下管道均为碳钢，管道外设有环氧煤沥青加冷缠带技术或环氧粉末涂层，由于涂层不完善，管道暴露于土壤腐蚀环境中，在使用几年后可能导致泄漏，这对装置的可靠性和安全运行构成重大威胁。根据地下管道的腐蚀机理，借鉴同类化工厂的经验，有必要在地下管道上设置阴极保护系统，防止地下管道发生土壤腐蚀，降低泄漏风险。在地下管道上安装阴极保护系统时，为了消除潜在的电流泄漏，需要在循环水、消防水、生产水地下管道和地上管道连接的法兰处进行绝缘改造。将法兰接头的配套螺栓降低一个技术规格并增加绝缘衬套，对阴极保护系统进行有效分区绝缘隔离。

1 阴极保护系统

通过对该工厂288处管道自然电位的现场测量，其中 169 处的自然电位位于-0.40～-0.65 V，占总测量数据的 58.7%，有 119 处的自然电位小于-0.65 V，占总测量数据的 41.3%，其中自然电位小于-0.55 V 的占总测量数据的 93%。管道的自然电位小于-0.55 V可能有以下原因。

1）此部分管道周围的土壤环境腐蚀性较强，钢材对地电位与土壤腐蚀性如表1所示。

表1 钢材对地电位与土壤腐蚀性

2）管道可能受到一定程度的牺牲阳极阴极保护。这种现象产生的主要原因是厂区内部采用镀锌扁钢的接地系统，镀锌扁钢与管道直接相连时，外部镀锌层会引起一定作用的锌合金牺牲阳极保护现场。

通过对该工厂埋地管道自然电位的普查结果分析，目前厂区内的埋地管道大部分处于自腐蚀的状态，部分管道可能受到了接地系统中镀锌扁钢的保护，同时厂内埋地管道采用的环氧煤沥青加冷缠带技术防腐层寿命较短，因此，对全厂埋地管网进行阴极保护补救是必要的，这就需要对全厂约1 200处管道出地面后的法兰进行绝缘改造。

2 绝缘法兰

出于对经济和环境保护的考虑，阻止管线运输中造成的泄漏变得比以往任何时候都更为迫切。绝缘法兰用于解决法兰密封和绝缘，控制因管线泄漏和腐蚀造成的损失，阻止杂散电流对管线腐蚀和损害，将阴极保护电流的范围和成本控制在主阴极保护系统需要保护的管道上，从而增强阴极保护的性能。绝缘法兰组包含一对钢法兰、绝缘垫片、绝缘衬套、缩径螺栓、绝缘垫圈、金属垫圈，其安装示意图见图1所示。绝缘法兰不但具有电化学保护工程所要求的电绝缘性能指标，而且要同时具备埋地钢制管道密封性能的要求。

图1 绝缘法兰安装示意

3 绝缘材料的选用

绝缘垫片采用高强度的环氧树脂板G10 或G11黏附在不锈钢板的两面，这样垫片不仅保持了不锈钢板的高强度，又实现了高绝缘性能。这种垫片使用一个特制的弹簧压紧的特氟龙密封条达到了可靠的密封性能，同时，垫片上的密封槽会深入到不锈钢板内，如此即可避免介质通过两种材质间隙泄漏的可能性，本工程中绝缘垫片、绝缘衬套、绝缘垫圈的材料标准选择NEMA LI-1，Grade 10，原材料及成品验收测试内容如表2所示。

4 普通法兰绝缘改造方案

普通法兰通过增加绝缘垫片、绝缘垫圈、绝缘衬套，从而实现法兰接头绝缘隔离。

4.1 更换绝缘垫片

将管道出地面后绝缘点处的普通垫片更换成绝缘垫片，需要注意以下两点。

（1）绝缘点现场没有法兰，需焊接新增一对法兰。

（2）绝缘点处是对夹蝶阀，需更换两个绝缘垫片。

4.2 增加绝缘垫圈

增加绝缘垫圈后，设计时需要加长螺栓长度，需要根据绝缘垫圈厂家的产品厚度，单独采购加长的螺栓。

4.3 降低标准螺栓的规格

原法兰螺栓孔径维持不变，将法兰配套的标准螺栓降低一个规格，也就是采用缩径螺栓，确保法兰孔和螺栓外径之间的间隙足够安装绝缘垫圈和绝缘衬套。

5 法兰连接缩径螺栓的强度复核

法兰通过螺栓在预紧状态下提供的拉紧力来压缩垫片，法兰密封面与垫片之间依靠拉紧力产生足够大的密封比压，从而保证法兰连接的密封性。只有当螺栓提供足够强度的预紧力，才能使绝缘垫片达到工作需要的密封比压，否则，法兰连接处就会出现泄漏，最小拉力载荷是保证螺栓不被拉断失效的最低要求[1，2]。本工程将CL150，WN 法兰的标准螺栓缩径一档进行绝缘改造后，法兰连接的最小螺栓载荷及缩径螺栓的最小拉力载荷是确保法兰连接不泄漏及安全运行的重要参数。螺栓缩径后是否能满足操作状态下所需的螺栓载荷，需要复核预紧状态下所有的最小螺栓初始载荷和所需的螺栓总面积，以及实际螺栓总面积，具体计算公式参见《管法兰连接计算方法 第1部分：基于强度和刚度的计算方法》（GB/T 17186.1—2015）。采用该方法分别对2.54～63.5 cm 的常用法兰标准螺栓和缩径螺栓设计荷载计算，结果见表3。

表3 标准螺栓和缩径螺栓设计荷载结果对比

通过对计算结果数据对比，可以看出将CL150，WN 法兰配套的标准螺栓缩径绝缘改造后，螺栓最小拉力载荷远大于根据法兰连接强度计算出的螺栓最小设计载荷，两者相差 6.44～8.50 倍，螺栓拉力荷载满足运行需求，本项目将CL150，WN 法兰配套的标准螺栓缩径绝缘改造技术方案理论上是可行的，但该改造方案使螺栓的最小拉力载荷降低了18%～38%，也就是说螺栓连接的安全系数降低了18%～38%。

6 绝缘性能测试标准

绝缘法兰质量优劣的关键指标是电化学保护所要求的电绝缘性能，绝缘法兰的电绝缘性能包括绝缘垫片、绝缘衬套、绝缘垫圈及安装后的绝缘电阻值。为保证安装质量，绝缘性能测试标准中绝缘法兰的绝缘性能应达到以下指标[3]。

1）采用低压绝缘电阻测试仪，测试螺栓对于两侧法兰的电阻值，绝缘电阻值应大于10 kΩ，测量方法如图2所示。

图2 绝缘电阻测量示意及标准

2）绝缘垫片、绝缘衬套、绝缘垫圈的设计使用寿命不低于4 a。

3）绝缘法兰的电绝缘强度试验60 s，在整个绝缘法兰测试过程中没有出现绝缘损坏，则认为合格。

7 结论及建议

1）将法兰连接的标准螺栓降低一个技术规格，并增加绝缘垫片、绝缘衬套、绝缘垫圈，将已建工厂的普通钢法兰改造成绝缘法兰，从而实现埋地管道阴极保护系统有效绝缘隔离的技术改造方案；

2）通过法兰连接强度理论计算法兰紧固螺栓的设计载荷，计算结果表明虽然缩径螺栓比标准螺栓安全系数降低了 18%～38%，但是改造后缩径螺栓的最小拉力载荷仍远大于螺栓的设计载荷，理论上验证了改造方案的可靠性；

3）对新建化工厂，在设计阶段对地下管道进行阴极保护设计时统一考虑，优化全厂埋地管道绝缘点的分布。