国外油田项目管道法兰用紧固件材料探讨

刘欣玉

（中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101）

0 引言

对于油气田地面工程项目，管道法兰用紧固件使用普遍且广泛，具有易于拆卸、密封性良好、可靠性高又方便维修的优点。随着国外项目对于安全、环保要求的提高，对于管道法兰处的密封要求也更加严格。对于管道系统来说，法兰部位是较为薄弱的环节，紧固件连接失效会造成法兰结构密封失效，发生泄漏事故。对于地面油气田项目来说，泄漏的介质中有大量的有毒有害、易燃易爆成分，一旦发生紧固件连接失效，不仅会影响正常生产，造成经济损失，同时会污染环境，影响人民身体健康，甚至会发生爆炸等安全事故，严重威胁人民生命安全。因此，选用合适的紧固件材料，对于解决法兰结构密封失效问题，具有十分重要的实际应用意义。

本文主要通过探讨国外油气田地面工程项目，管道法兰用紧固件惯用标准及材料，以及外防腐涂层方案，对紧固件的选用进行介绍；并以国外某油气田地面工程项目为例，对管道法兰用紧固件材料选用情况进行介绍。

1 管道法兰用紧固件的要求

紧固件在安装和项目运行过程中，会受到轴向拉应力、横向剪切应力以及弯曲应力，进而引发螺栓过载断裂或者疲劳断裂。同时在与管道内介质相互作用过程中，紧固件还会处于腐蚀环境中，进而导致发生螺栓腐蚀断裂或者延迟断裂[1]。因此，紧固件材料的选用应能满足以下要求：

（1）具有较好的材料性能和机械性能，有较好的材料质量；

（2）对于在高压环境下使用的紧固件，要有较高的强度，较好的塑性和韧性；

（3）对于使用在腐蚀环境下的紧固件，要能满足耐蚀性要求，以避免应力腐蚀破坏；

（4）对于使用在外加载荷条件下的紧固件，要能抵抗疲劳和冲击应力，以避免过载或疲劳破坏；

（5）对于使用在低温环境下的紧固件，不得低于材料最低设计温度，以避免脆性破坏；

（6）对于紧固件的外防腐涂层，要有较高的耐腐蚀性能，较好的结合强度，不得高于涂层的使用温度。

2 管道法兰用紧固件的设计标准

2.1 紧固件型式

对于国外油气田地面工程项目，紧固件的设计标准一般采用ASME B18.31.2标准的全螺纹螺柱和ASME B18.2.2标准的重型六角螺母，适用于连接ASME B16.5和ASME B16.47标准的法兰。全螺纹螺柱具有较高的抗拉强度和扭转强度，可以承受较大的载荷；同时安装方便，可调节长度较长，安装时不需考虑方向和位置限制。重型六角螺母可以提供更好的紧固性能，确保密封效果。螺纹应符合ASME B1.1标准，直径小于或等于1英寸的螺柱和螺母上的螺纹应为粗螺纹（UNC）系列，直径较大的螺柱应采用统一的8牙螺纹（8UN）2A级，螺母应具有2B级螺纹。

2.2 材料标准

常用的螺栓材料标准有ASTM A193/A193M和ASTM A320/A320M。ASME B16.5标准中对螺栓强度进行了分级，分为高强度、中强度和低强度螺栓。其中，许用应力值不低于A193-B7级应力值的材料被视为高强度螺栓，可适用于任何法兰接头；中强度螺栓也可用于任何法兰接头，但需满足在预期操作条件下的法兰接头密封能力；最小规定屈服强度不大于206Mpa的材料被认为是低强度螺栓，仅能用于CL150和CL300的法兰接头，并且应用工况在-29～200℃范围内。

常用的螺母材料标准为ASTM A194/A194M，与A193、A320等专用的紧固件配套使用，ASME的选配原则是保证螺母验证应力高于配套螺栓抗拉强度，同时采用重型六角螺母提高螺母的验证载荷[2]。国外油气田地面工程项目常用的螺栓材料和配套螺母材料如表1所示，一般不使用低强度螺栓。

表1 紧固件常用标准牌号一览表

对于使用在酸性环境的合金钢紧固件材料，还要遵循NACE MR0175/ISO 15156-2020附录A中A.2.2.4的要求。紧固件的热处理、机械性能、加工等，满足附录A中A.2.1的要求，可以接受的紧固件材料如表2所示。

表2 酸性环境可接受合金钢紧固件标准牌号一览表

2.3 外防腐涂层

国外油气田地面工程项目常用的紧固件外防腐涂层类型有：热浸镀锌和Xylan涂层。对于不锈钢紧固件来说，一般不进行涂层处理。

热浸镀锌涂层应符合标准A S T M F 2 3 2 9/F2329M-2015，该标准适用于碳钢和合金钢螺栓、螺钉、垫圈、螺母，针对螺纹紧固件热浸锌镀层的特殊技术要求，以及涂层厚度和外观、防氢脆试验和附着力测试等要求。热浸镀锌利用氯化铵的媒介作用，使锌附着于紧固件表面，涂层具有适用温度高，涂层附着力强且寿命长的优点。

Xylan涂层应符合标准ASTM F1428-92(R 2017)，该标准涵盖了耐腐蚀涂层的基本要求，耐腐蚀涂层由无机铝颗粒填充底涂层和有机或无机面涂层组成。Xylan涂层具有优异的耐腐蚀性能，特别适合潮湿、高盐度的环境，最高耐温可以达到260℃，最低耐温可以达到-195℃。

在制备涂层之前，紧固件要进行酸洗，酸洗过程会加速氢的形成和扩散，进而引发氢脆。因此在去除锈蚀和氧化皮时，尽量采用喷砂抛丸的方法，特别对于高强度紧固件，严格控制酸液浓度和酸洗时间，同时在涂层前进行加热烘烤，必要时在涂层后进行去氢处理，以减少发生氢脆的风险。

3 管道法兰用紧固件材料的设计选用

对于油气田地面工程项目，在紧固件材料的设计过程中要考虑以下因素：

（1）原油和天然气的成分，H2S、CO2、Cl-和H2O含量的多少；

（2）酸性环境（PH2S≥0.3kPa）下使用的紧固件应遵循NACE MR 0175/ISO15156-2020标准的要求；

（3）满足工况的设计温度和压力要求；

（4）热浸镀锌涂层紧固件不得与不锈钢法兰结合使用，以避免电偶腐蚀。

3.1 设计温度

对于油气田地面工程项目的流体介质，低温火炬系统的设计温度最低能达到-100℃左右，油、气、水系统的设计温度在-29℃～200℃之间，导热油系统的设计温度最高能达到320℃。因此，紧固件材料选择要能满足不同的设计温度区间。

根据ASME B31.3-2022标准Table A-2M，可以推断出紧固件的使用温度范围。A193-B7最高使用温度不能超过550℃，当不进行冲击试验时，最低使用温度不得低于-48℃。当设计温度低于-48℃时，应选用A320-L7，其使用温度范围为-101℃至375℃。当设计温度低于-101℃时应选用A320-B8M，其使用温度范围为-198℃～550℃。

3.2 酸性环境

按照NACE MR0175/ISO 15156-2020标准规定，以下情况可定义为酸性环境：

（1）工艺介质中气相与水相中H2S的绝对分压大于0.3kPa（0.05 psi）；

（2）水相中硫化物总含量50 ppmw。

对于合金钢螺栓，可采用A193-B7M和A320-L7M。按照ASME B31.3-2022标准Table A-2M，可以看出A193-B7M与A193-B7的使用温度范围一致，A320-L7M的使用温度范围为-73～550℃。为了满足酸性环境的使用要求，防止螺栓发生硫化物应力腐蚀开裂，通过调整化学成分和热处理方案，控制A193-B7M及A320-L7M的硬度低于235HBW或99HRB。

3.3 电偶腐蚀

异种金属在有电解质溶液存在的条件下直接接触就会发生电偶腐蚀。为了防止法兰和紧固件之间发生电偶腐蚀，要注意以下情况：

（1）不锈钢法兰可采用不锈钢紧固件或者Xylan涂层紧固件，采用热浸镀锌涂层紧固件会发生电偶腐蚀；

（2）异种材质法兰连接时，要采用法兰绝缘套件，以避免法兰之间以及法兰与紧固件之间的电偶腐蚀。法兰绝缘套件包含绝缘垫片、法兰与螺母之间的绝缘垫圈和螺栓的绝缘套管。

虽然我国有《劳动法》法定工作时间的8小时的保护，但是在用工管理的过程中，我国新生代农民工有七到八成以上的人日工作时间超过8小时，并且加班成为常态。即使在这样长的工作时间和不太好的环境下，其薪酬水平也不是太高，很多时候维持在较低的水平状态，据调查，有80%左右的新生代农民工月收入多年来维持在2000～3000元，有些地方的农民工收入水平甚至低于国家规定的城镇单位在岗职工的月平均工资水平。

3.4 涂层选用

根据热浸镀锌和Xylan涂层的特性，若管道设计温度低于260℃，采用Xylan涂层；若管道设计温度高于260℃，采用热浸镀锌涂层。

3.5 检测和试验

紧固件应按照项目要求和使用情况，进行外观检测、尺寸检测、化学成分分析、拉伸试验、硬度检测、涂层检测、盐雾试验以及无损检测，低温工况下按照ASTM A320进行冲击试验。

紧固件的无损检测为可参照如下要求：所有碳钢和合金钢紧固件应按照ASME BPVC第V部分进行100%磁粉检验；所有不锈钢紧固件应按照ASME BPVC第V部分进行100%渗透检验。

4 应用实例

国外某油气田地面工程项目包含原油处理系统、气体压缩系统、气体处理系统、水处理系统和公用工程系统。工艺介质中含有原油、采出水和酸性气，其中含有H2S、CO2和大量的Cl-。在管道法兰用紧固件材料的设计过程中，按照是否安装于酸性环境进行分类选取。

对于酸性环境，管道设计温度大于29oC时，螺栓/螺母材质选用A193-B7M/A194-2HM；管道设计温度介于-48oC和-29oC之间时，螺栓/螺母材质选用A320-L7M/A194-7M；管道设计温度介于-73oC和-48oC之间时，螺栓/螺母材质选用A320-L7M/A194-7ML；管道设计温度介于-196oC和-73oC之间时，螺栓/螺母材质选用A320-B8M/A194-8M；同时所有的紧固件材质满足标准NACE MR 0175/ISO15156-2020的要求。

对于非酸性环境，管道设计温度大于29oC时，螺栓/螺母材质选用A193-B7/A194-2H；管道设计温度介于-48oC和-29oC之间时，螺栓/螺母材质选用A320-L7/A194-7；管道设计温度介于-101oC和-48oC之间时，螺栓/螺母材质选用A320-L7/A194-7L；管道设计温度介于-196oC和-101oC之间时，螺栓/螺母材质选用A320-B8M/A194-8M。

对于酸性和非酸性环境，管道设计温度低于260oC时，选用Xylan涂层紧固件；当管道设计温度超过Xylan涂层的使用限制时，使用热浸镀锌紧固件；对于不锈钢材质的法兰连接，应使用不锈钢材质或者Xylan涂层紧固件。

5 结语

（1）通过探讨紧固件在使用过程中可能发生的风险事故，对管道法兰用紧固件材料以及外防腐方案设计提出了要求；

（2）从紧固件型式、材料标准、外防腐涂层三方面出发，对国外油气田地面工程项目管道法兰用紧固件的惯用设计标准和相关要求进行了详细介绍和分析；

（3）结合国外油气田地面工程项目，对紧固件材料设计过程中需要考虑的因素进行了归纳和总结，主要包含管道设计温度、是否安装于酸性环境、电偶腐蚀的影响、涂层适用温度以及紧固件的检测和试验；

（4）以国外油气田地面工程项目为例，对管道法兰用紧固件材料的选用情况进行了介绍。螺栓/螺母材质按照是否安装于酸性环境进行分类选取，外防腐涂层按照管道设计温度以及法兰材质分别进行选取。