法兰面密封方法
在海水和烃类应用中，螺栓法兰接头易受垫片失重和法兰面腐蚀的侵害,从而增加成本、丢失产能、产生安全和环境问题、计划外停机，降低设备可利用率。尽管人们普遍认识到减少缝隙和电偶腐蚀的重要性，但垫片材料的选择历来被市场忽视。本文将从法兰垫片腐蚀类型、当前垫片市场格局以及试验对比来为大家选出最合适的密封垫片材料，避免设备发生腐蚀、断裂、安全以及产生不必要费用等问题。
法兰面腐蚀
腐蚀
在一份有关腐蚀管理的文件中，英国能源研究所将腐蚀列为导致海上平台油气泄漏的第二大常见原因，并强调腐蚀是对螺栓法兰接头完整性和工厂效率的主要威胁。
此外，法兰面腐蚀在泄漏之前极难检测，导致宝贵资源的损失。对环境的影响和工厂人员的直接安全威胁也是一个主要问题。更换或补救工作通常意味着意外停机、额外成本和工厂效率降低。
在过去的二十年里，有几项研究对法兰接头的腐蚀进行了研究。调查的主要领域涉及法兰材料，而很少涉及垫片类型和材料。
尽管人们普遍认识到减少缝隙和电偶腐蚀的重要性，但垫片材料的选择历来被市场忽视。
本文考虑了传统海水和烃类应用中缠绕垫片密封材料的耐腐蚀性，并与一种新型密封垫片材料——Corriculite®进行了比较。
法兰垫片腐蚀类型
腐蚀机制
为了减轻垫片和法兰面腐蚀，需要对腐蚀机理有基本的了解。我们将法兰垫片界面的腐蚀过程描述为电化学反应。
在法兰连接中有不同的部件，这几乎总是会导致法兰连接的不同部件之间的电位差异。在电解液或极性溶剂的存在下，这些在不同电势的区域之间流动的电流会引起腐蚀。不同类型的腐蚀是由这些不同区域的电势产生的方式来定义的，然而，在实践中这些机制很少单独发生，法兰表面腐蚀通常是由多种因素共同作用的结果。
通常在上游油气作业（如海水）中发现的介质，结合温度、微生物、异种金属之间的接触以及电解质存在的情况下，可直接影响腐蚀过程的开始和随后的传播。
法兰垫片界面的腐蚀主要有两种类型，即缝隙腐蚀和电偶腐蚀。
当具有不同电极电位诱导能力的不同材料通过导电介质（电解质）接触 时，就会发生电偶腐蚀。这种性能通常与金属有关，但石墨是一种重要的非金属材料，在法兰连接中往往起阴极作用，导致法兰腐蚀。了解不同材料的腐蚀电位，有助于选择密封垫片，减少法兰密封垫片界面内外的腐蚀风险。
在油气行业的上游，一种常用的垫片类型是缠绕垫片（SWG）。缠绕垫片已经存在多年，是一种值得信赖的、经过验证的设计，用于实现高完整性密封。
然而，对电偶腐蚀机制和腐蚀过程的认知凸显了缠绕垫片应用的局限性， 特别是在没有正确考虑垫片材料选择的情况下。再加上对法兰接头高完整性和防火安全性的要求，使得垫片材
料的选择比预期的要更困难。缠绕垫片由金属和非金属材料组成。
金属部件约束非金属密封材料，赋予弹性和抗吹出能力，确保密封垫位置正确，防止过度压缩。非金属构件受压后符合法兰接触面，形成不透水屏障。通过仔细考虑缠绕垫片内部的金属部件，例如选择与法兰相同或相似的金属，可以减轻由不同金属引起的电偶腐蚀。
当前市场格局
关于非金属材料，传统的选择是柔性石墨或云母。柔性石墨因其耐化学性、耐温性、低成本和良好的密封性能而被广泛应用。缠绕垫片形式的另一个重要考虑是其防火安全的能力。
当在缠绕垫片中使用石墨时，主要考虑的是石墨的导电能力，因为，在一定的工作条件下，石墨在腐蚀引发和传播过程中起着重要作用。
研究表明，当石墨与形成电解溶液的工艺化学品（包括酸和海水）接触时，与非导电材料相比，腐蚀更具侵蚀性。
Standmyr 和Hagerup 已经报道了几个北海平台上6%Mo不锈钢法兰上的含石墨垫片的腐蚀问题，Tumbull指出，石墨在氯化海水中获得的电极，刺激酸化，加剧腐蚀。
云母已被用作腐蚀敏感应用中石墨的替代品。它具有高度的柔韧性、热稳定性、良好的耐化学性，重要的是导电性差，从而减缓了电偶腐蚀的发生和蔓延。云母的问题是难以形成紧密的密封。
近年来，法兰连接的密封性已成为一个热门话题，法兰连接的排放限制越来越严格，在标准测试条件下，云母无法达到标准所认可的法兰密封性等级。这是由于云母固有的，不变的层片状的结构。
对新材料组合的需求为垫片制造商开辟了新的市场机会。尽管这两种材料都具有对法兰应用非常有用的特性， 但它们不具备提供最佳性能的特性。
Corriculite® – 新的行业标准，为了满足消费者对具有强防腐特性的垫片的最新需求，Flexitallic公司进一步开发了其专有的基于 Thermiculite®的密封技术。该产品采用特殊的热化学膨化和高温膨化蛭石以及粘合剂的混合物，用于腐蚀敏感的上游密封应用。
与石墨不同，Corriculite®是一种有效的绝缘材料，不会在法兰连接中形成电偶腐蚀。与云母不同，膨化蛭石会形成结构紧密的气密层，能够满足并超过严格的排放要求。Corriculite®是防火的，符合行业认可的防火测试标准API 6FB。其温度应用范围覆盖了上游石油和天然气行业。
与使用工业标准石墨基垫片相比，作为腐蚀管理系统的一部分，在降低成本的同时，提高了工厂运行时间、安全性、接头可靠性。
四组试验
基准测试
通过一系列的基准测试，与石墨和云母的对比验证了Corriculite®缠绕垫片填料的性能。
防腐测试
盐水暴漏: 本试验方法旨在定性评估不同材料的实际应用防腐蚀性能。试验包括通过固定头螺栓夹紧一些环形材料样品。
防腐测试
将测试样品放置在相同尺寸的金属钢垫片之间，形成一个三组分的测试单元；然后使用未加工的聚四氟乙烯垫片对每个单元进行电气隔离，以**接头环境的隔离。测试了两种材料组合，一种使用镀锌碳钢部件，另一种使用316不锈钢部件。
一个控制组件，如前所述，但只使用原始聚四氟乙烯垫片，也进行了评估。
按照行业标准，将实验组件暴漏在人工海水溶液(ASTM D1141) 中，24小时内至少浸泡2个90分钟，中间附加一个90分钟的室温环境自然放置，持续三周。
结果表明，在上述实验方案下，石墨的腐蚀行为与Corriculite®和Thermiculite®有明显的差异。用石墨制作的碳钢和不锈钢试验箱都有明显腐蚀。
在Thermiculite®高温固力特和Corriculite®防腐固力特测试单元中均未发现腐蚀，这清楚的表明了在腐蚀性海水环境中，Corriculite®比石墨强得多的抗电偶腐蚀特性。
电化学分析: 除了盐水暴漏实验外，还对含海水法兰连接中的垫片进行了电化学评估。
将含有石墨填充的缠绕垫片法兰组件与含有Corriculite®填充的缠绕垫片法兰组件进行了比较。法兰组件中充满了人工海水，外加稳定升高的电压形成电化学电池。
腐蚀电位被记录下来，这使得两个垫片在加速条件下的比较成为可能。石墨垫片产生腐蚀的时间约为Corriculite®垫片的一半，进一步突出了Corriculite®与石墨的明显差异和优势。
密封测试
EN13555 密封测试: Amtec Temes 测试机是一个多功能密封垫片测试设备，它可以测试在一定表面应力，介质内压，温度等条件下垫片的泄漏率。利用该试验机，在40bar内压氦气介质环境温度试验条件下，对Corriculite®、石墨和云母填充型CGI缠绕垫片的密封性能进行了评价。
图1 密封测试
在每一种情况下，缠绕垫片的应力测试范围都在20—160MPa之间，在施加装配应力期间的特定点上，垫片被卸载回初始的20MPa初始应力。因此，测试揭示了密封垫片在装配和卸载条件下的泄漏行为。
图2 密封测试
图2清楚地显示了在装配和操作（卸载）条件下，Corriculite®的密封性能优于石墨和云母。云母的性能特别差，石墨的性能介于两者之间。
在整个应用应力范围内，Corriculite®至少比云母垫片紧10万倍，在较低应力下，两者之间的差值超过1千万倍。另一个值得注意的现象是，蛭石和云母的卸载曲线在垂直轴间距和梯度上存在差异。
如图2所示，Corriculite®卸载曲线平坦且间距更近，基本上合并为一条曲线， 表明垫片的泄漏行为对“在用”卸载不太敏感，即密封性能与所施加的垫片应力无关。
在应力波动的情况下，Corriculite®的密封性和保持密封性的能力更强。
水下试验
水下试验:对三种填充了蛭石、石墨和Corriculite®的缠绕垫片进行了水下密封试验。试验涉及将垫片组装在一个封闭法兰组件中，该组件带有固定体积的不锈钢焊颈法兰。然后，将试验组件加压至600 psi (41.4 bar)，即试验法兰等级的最大额定工作压力，并将其侵入人工海水室温水溶器中两周。在整个试验期间，定期记录装配压力。
图3 水下实验
如图3所示，与石墨垫片约17%的压力损失相比，Corriculite®的压力损失小于1%。云母垫片泄漏严重，仅在第一小时内，压力损失就在20%左右，于是放弃了云母试验。测试清楚地表明了云母层状结构相关弱点。
水下密封试验表明了随着时间流逝，Corriculite®的压力损失最小。
热循环测试
热循环试验是壳牌全球解决方案公司开发地一种行业认可的试验，用于评估热循环载荷下垫片的密封性能。它包括在由两个法兰组成的测试组件中放置一个垫片。法兰组件关闭，并使用液压张紧设备施加40 kpsi的螺栓应力。然后将测试组件加压至51 bar,以记录下一小时内的任何压降。
热循环测试
任何大于1 bar 的压降都表示试验失败。如果环境泄漏试验成功，则进行第二个高温阶段。这包括对测试组件降压并将其加热到选定的温度，在这种情况下为225°C。
一旦达到温度，将试验组件加压至42.5 bar，并使其稳定下来，然后在接下来的一小时内进行第二次压力衰减试验。然后让试验台冷却至室温，同时保持压力。该热循环和压力衰减试验会按照同样的过程再进行两次。
热循环测试
在环境相和随后的三个热循环中，最大允许压降为1 bar。在图4中，红线表示低于此限值时，Corriculite®的压力损失将超过1 bar，因此测试失败。绿线表示每次热循环的实际压力损失。
在本试验中，热循环次数延长至10次，显示了Corriculite®在更长时间以及更多次的热循环条件下的性能。
总结
在腐蚀敏感环境（如海水和碳氢化合物环境）中发现垫片法兰接头可能会出现腐蚀和退化的现象。这种腐蚀极难检测，能够影响密封的完整性，最终导致泄漏、危害安全、影响当地和更广泛的环境，并导致昂贵的计划外停机和维护。
很少有人关注垫片在此类腐蚀敏感应用中的作用。目前的材料选择，即石墨和云母，在电偶腐蚀引发传播的可能性方面， 或在满足日益严格的排放要求方面，存在严重不足。
Corriculite®是柔性密封产品系列中的最新创新产品，专门开发用于抑制和延迟电偶引起的法兰面腐蚀，同时提供高完整性密封，为主动管理螺栓法兰接头密封提供了一种经济有效的工具。