國外油田項目管道法蘭用緊固件材料探討

劉欣玉

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

對于油氣田地面工程項目，管道法蘭用緊固件使用普遍且廣泛，具有易于拆卸、密封性良好、可靠性高又方便維修的優點。隨著國外項目對于安全、環保要求的提高，對于管道法蘭處的密封要求也更加嚴格。對于管道系統來說，法蘭部位是較為薄弱的環節，緊固件連接失效會造成法蘭結構密封失效，發生泄漏事故。對于地面油氣田項目來說，泄漏的介質中有大量的有毒有害、易燃易爆成分，一旦發生緊固件連接失效，不僅會影響正常生產，造成經濟損失，同時會污染環境，影響人民身體健康，甚至會發生爆炸等安全事故，嚴重威脅人民生命安全。因此，選用合適的緊固件材料，對于解決法蘭結構密封失效問題，具有十分重要的實際應用意義。

本文主要通過探討國外油氣田地面工程項目，管道法蘭用緊固件慣用標準及材料，以及外防腐涂層方案，對緊固件的選用進行介紹；并以國外某油氣田地面工程項目為例，對管道法蘭用緊固件材料選用情況進行介紹。

1 管道法蘭用緊固件的要求

緊固件在安裝和項目運行過程中，會受到軸向拉應力、橫向剪切應力以及彎曲應力，進而引發螺栓過載斷裂或者疲勞斷裂。同時在與管道內介質相互作用過程中，緊固件還會處于腐蝕環境中，進而導致發生螺栓腐蝕斷裂或者延遲斷裂[1]。因此，緊固件材料的選用應能滿足以下要求：

（1）具有較好的材料性能和機械性能，有較好的材料質量；

（2）對于在高壓環境下使用的緊固件，要有較高的強度，較好的塑性和韌性；

（3）對于使用在腐蝕環境下的緊固件，要能滿足耐蝕性要求，以避免應力腐蝕破壞；

（4）對于使用在外加載荷條件下的緊固件，要能抵抗疲勞和沖擊應力，以避免過載或疲勞破壞；

（5）對于使用在低溫環境下的緊固件，不得低于材料最低設計溫度，以避免脆性破壞；

（6）對于緊固件的外防腐涂層，要有較高的耐腐蝕性能，較好的結合強度，不得高于涂層的使用溫度。

2 管道法蘭用緊固件的設計標準

2.1 緊固件型式

對于國外油氣田地面工程項目，緊固件的設計標準一般采用ASME B18.31.2標準的全螺紋螺柱和ASME B18.2.2標準的重型六角螺母，適用于連接ASME B16.5和ASME B16.47標準的法蘭。全螺紋螺柱具有較高的抗拉強度和扭轉強度，可以承受較大的載荷；同時安裝方便，可調節長度較長，安裝時不需考慮方向和位置限制。重型六角螺母可以提供更好的緊固性能，確保密封效果。螺紋應符合ASME B1.1標準，直徑小于或等于1英寸的螺柱和螺母上的螺紋應為粗螺紋（UNC）系列，直徑較大的螺柱應采用統一的8牙螺紋（8UN）2A級，螺母應具有2B級螺紋。

2.2 材料標準

常用的螺栓材料標準有ASTM A193/A193M和ASTM A320/A320M。ASME B16.5標準中對螺栓強度進行了分級，分為高強度、中強度和低強度螺栓。其中，許用應力值不低于A193-B7級應力值的材料被視為高強度螺栓，可適用于任何法蘭接頭；中強度螺栓也可用于任何法蘭接頭，但需滿足在預期操作條件下的法蘭接頭密封能力；最小規定屈服強度不大于206Mpa的材料被認為是低強度螺栓，僅能用于CL150和CL300的法蘭接頭，并且應用工況在-29～200℃范圍內。

常用的螺母材料標準為ASTM A194/A194M，與A193、A320等專用的緊固件配套使用，ASME的選配原則是保證螺母驗證應力高于配套螺栓抗拉強度，同時采用重型六角螺母提高螺母的驗證載荷[2]。國外油氣田地面工程項目常用的螺栓材料和配套螺母材料如表1所示，一般不使用低強度螺栓。

表1 緊固件常用標準牌號一覽表

對于使用在酸性環境的合金鋼緊固件材料，還要遵循NACE MR0175/ISO 15156-2020附錄A中A.2.2.4的要求。緊固件的熱處理、機械性能、加工等，滿足附錄A中A.2.1的要求，可以接受的緊固件材料如表2所示。

表2 酸性環境可接受合金鋼緊固件標準牌號一覽表

2.3 外防腐涂層

國外油氣田地面工程項目常用的緊固件外防腐涂層類型有：熱浸鍍鋅和Xylan涂層。對于不銹鋼緊固件來說，一般不進行涂層處理。

熱浸鍍鋅涂層應符合標準A S T M F 2 3 2 9/F2329M-2015，該標準適用于碳鋼和合金鋼螺栓、螺釘、墊圈、螺母，針對螺紋緊固件熱浸鋅鍍層的特殊技術要求，以及涂層厚度和外觀、防氫脆試驗和附著力測試等要求。熱浸鍍鋅利用氯化銨的媒介作用，使鋅附著于緊固件表面，涂層具有適用溫度高，涂層附著力強且壽命長的優點。

Xylan涂層應符合標準ASTM F1428-92(R 2017)，該標準涵蓋了耐腐蝕涂層的基本要求，耐腐蝕涂層由無機鋁顆粒填充底涂層和有機或無機面涂層組成。Xylan涂層具有優異的耐腐蝕性能，特別適合潮濕、高鹽度的環境，最高耐溫可以達到260℃，最低耐溫可以達到-195℃。

在制備涂層之前，緊固件要進行酸洗，酸洗過程會加速氫的形成和擴散，進而引發氫脆。因此在去除銹蝕和氧化皮時，盡量采用噴砂拋丸的方法，特別對于高強度緊固件，嚴格控制酸液濃度和酸洗時間，同時在涂層前進行加熱烘烤，必要時在涂層后進行去氫處理，以減少發生氫脆的風險。

3 管道法蘭用緊固件材料的設計選用

對于油氣田地面工程項目，在緊固件材料的設計過程中要考慮以下因素：

（1）原油和天然氣的成分，H2S、CO2、Cl-和H2O含量的多少；

（2）酸性環境（PH2S≥0.3kPa）下使用的緊固件應遵循NACE MR 0175/ISO15156-2020標準的要求；

（3）滿足工況的設計溫度和壓力要求；

（4）熱浸鍍鋅涂層緊固件不得與不銹鋼法蘭結合使用，以避免電偶腐蝕。

3.1 設計溫度

對于油氣田地面工程項目的流體介質，低溫火炬系統的設計溫度最低能達到-100℃左右，油、氣、水系統的設計溫度在-29℃～200℃之間，導熱油系統的設計溫度最高能達到320℃。因此，緊固件材料選擇要能滿足不同的設計溫度區間。

根據ASME B31.3-2022標準Table A-2M，可以推斷出緊固件的使用溫度范圍。A193-B7最高使用溫度不能超過550℃，當不進行沖擊試驗時，最低使用溫度不得低于-48℃。當設計溫度低于-48℃時，應選用A320-L7，其使用溫度范圍為-101℃至375℃。當設計溫度低于-101℃時應選用A320-B8M，其使用溫度范圍為-198℃～550℃。

3.2 酸性環境

按照NACE MR0175/ISO 15156-2020標準規定，以下情況可定義為酸性環境：

（1）工藝介質中氣相與水相中H2S的絕對分壓大于0.3kPa（0.05 psi）；

（2）水相中硫化物總含量50 ppmw。

對于合金鋼螺栓，可采用A193-B7M和A320-L7M。按照ASME B31.3-2022標準Table A-2M，可以看出A193-B7M與A193-B7的使用溫度范圍一致，A320-L7M的使用溫度范圍為-73～550℃。為了滿足酸性環境的使用要求，防止螺栓發生硫化物應力腐蝕開裂，通過調整化學成分和熱處理方案，控制A193-B7M及A320-L7M的硬度低于235HBW或99HRB。

3.3 電偶腐蝕

異種金屬在有電解質溶液存在的條件下直接接觸就會發生電偶腐蝕。為了防止法蘭和緊固件之間發生電偶腐蝕，要注意以下情況：

（1）不銹鋼法蘭可采用不銹鋼緊固件或者Xylan涂層緊固件，采用熱浸鍍鋅涂層緊固件會發生電偶腐蝕；

（2）異種材質法蘭連接時，要采用法蘭絕緣套件，以避免法蘭之間以及法蘭與緊固件之間的電偶腐蝕。法蘭絕緣套件包含絕緣墊片、法蘭與螺母之間的絕緣墊圈和螺栓的絕緣套管。

雖然我國有《勞動法》法定工作時間的8小時的保護，但是在用工管理的過程中，我國新生代農民工有七到八成以上的人日工作時間超過8小時，并且加班成為常態。即使在這樣長的工作時間和不太好的環境下，其薪酬水平也不是太高，很多時候維持在較低的水平狀態，據調查，有80%左右的新生代農民工月收入多年來維持在2000～3000元，有些地方的農民工收入水平甚至低于國家規定的城鎮單位在崗職工的月平均工資水平。

3.4 涂層選用

根據熱浸鍍鋅和Xylan涂層的特性，若管道設計溫度低于260℃，采用Xylan涂層；若管道設計溫度高于260℃，采用熱浸鍍鋅涂層。

3.5 檢測和試驗

緊固件應按照項目要求和使用情況，進行外觀檢測、尺寸檢測、化學成分分析、拉伸試驗、硬度檢測、涂層檢測、鹽霧試驗以及無損檢測，低溫工況下按照ASTM A320進行沖擊試驗。

緊固件的無損檢測為可參照如下要求：所有碳鋼和合金鋼緊固件應按照ASME BPVC第V部分進行100%磁粉檢驗；所有不銹鋼緊固件應按照ASME BPVC第V部分進行100%滲透檢驗。

4 應用實例

國外某油氣田地面工程項目包含原油處理系統、氣體壓縮系統、氣體處理系統、水處理系統和公用工程系統。工藝介質中含有原油、采出水和酸性氣，其中含有H2S、CO2和大量的Cl-。在管道法蘭用緊固件材料的設計過程中，按照是否安裝于酸性環境進行分類選取。

對于酸性環境，管道設計溫度大于29oC時，螺栓/螺母材質選用A193-B7M/A194-2HM；管道設計溫度介于-48oC和-29oC之間時，螺栓/螺母材質選用A320-L7M/A194-7M；管道設計溫度介于-73oC和-48oC之間時，螺栓/螺母材質選用A320-L7M/A194-7ML；管道設計溫度介于-196oC和-73oC之間時，螺栓/螺母材質選用A320-B8M/A194-8M；同時所有的緊固件材質滿足標準NACE MR 0175/ISO15156-2020的要求。

對于非酸性環境，管道設計溫度大于29oC時，螺栓/螺母材質選用A193-B7/A194-2H；管道設計溫度介于-48oC和-29oC之間時，螺栓/螺母材質選用A320-L7/A194-7；管道設計溫度介于-101oC和-48oC之間時，螺栓/螺母材質選用A320-L7/A194-7L；管道設計溫度介于-196oC和-101oC之間時，螺栓/螺母材質選用A320-B8M/A194-8M。

對于酸性和非酸性環境，管道設計溫度低于260oC時，選用Xylan涂層緊固件；當管道設計溫度超過Xylan涂層的使用限制時，使用熱浸鍍鋅緊固件；對于不銹鋼材質的法蘭連接，應使用不銹鋼材質或者Xylan涂層緊固件。

5 結語

（1）通過探討緊固件在使用過程中可能發生的風險事故，對管道法蘭用緊固件材料以及外防腐方案設計提出了要求；

（2）從緊固件型式、材料標準、外防腐涂層三方面出發，對國外油氣田地面工程項目管道法蘭用緊固件的慣用設計標準和相關要求進行了詳細介紹和分析；

（3）結合國外油氣田地面工程項目，對緊固件材料設計過程中需要考慮的因素進行了歸納和總結，主要包含管道設計溫度、是否安裝于酸性環境、電偶腐蝕的影響、涂層適用溫度以及緊固件的檢測和試驗；

（4）以國外油氣田地面工程項目為例，對管道法蘭用緊固件材料的選用情況進行了介紹。螺栓/螺母材質按照是否安裝于酸性環境進行分類選取，外防腐涂層按照管道設計溫度以及法蘭材質分別進行選取。