何茂林,董艷國(guó),張新友

(西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710000)

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臥式雙筒分離器下筒腐蝕及對(duì)策

何茂林,董艷國(guó),張新友

(西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710000)

中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶氣田分公司某采氣廠4臺(tái)臥式雙筒分離器下筒為儲(chǔ)液區(qū), 均采用碳素鋼腐蝕較為嚴(yán)重,腐蝕速率平均達(dá)1.7～2.3 mm/a，實(shí)際運(yùn)行壽命僅為設(shè)計(jì)約定壽命的五分之一.在Cl-,H2S和CO2的聯(lián)合作用以及pH值偏低的情況下，分離器的下筒采用碳鋼且內(nèi)壁不防腐的做法需要慎重。提出從涂層、襯里、犧牲陽(yáng)極、復(fù)合以及直接采用高合金等方面措施，并從設(shè)備制造、防腐施工、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行、定期檢驗(yàn)及建設(shè)成本等方面進(jìn)行了對(duì)比。從設(shè)計(jì)、材料、制造以及運(yùn)行綜合考慮，并加大現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，才能保證設(shè)備在壽命期內(nèi)安全運(yùn)行。

雙筒分離器 下筒 腐蝕 對(duì)策及措施

1 概 況

在中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶氣田分公司的天然氣集氣中，為了快速分離來(lái)自井下天然氣中的液相，流程設(shè)置了氣液分離環(huán)節(jié)，氣液分離是采用臥式雙筒分離器(結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1)，上筒為分離區(qū)，下筒為儲(chǔ)液區(qū)。該采氣廠于2012-2013年前后，在3個(gè)集氣站投產(chǎn)了這種結(jié)構(gòu)的分離器共4臺(tái)，2015年的定期檢查中發(fā)現(xiàn)這4臺(tái)分離器的下筒出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，其腐蝕速率平均達(dá)1.7～2.3 mm/a，設(shè)計(jì)約定的腐蝕裕量已全部腐蝕完，設(shè)備的安全狀況等級(jí)定為5級(jí)，實(shí)際運(yùn)行壽命僅為設(shè)計(jì)約定壽命的五分之一。原設(shè)計(jì)中H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，沒(méi)有礦化度影響；考慮存在濕H2S環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題，設(shè)計(jì)的上筒材料采用Q245R，下筒材料采用的20號(hào)鋼，規(guī)格為φ377 mm×16 mm；制造中控制了焊材的Mn和Ni含量，增加了消除殘余應(yīng)力熱處理，鋼板進(jìn)行了逐張超聲波檢測(cè)，鋼管進(jìn)行了100%超聲波檢測(cè)，并增加了-20 ℃的沖擊要求。所有這些做法對(duì)防止?jié)馠2S環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕應(yīng)該是有效的。從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片的腐蝕形貌看，不屬于硫化物應(yīng)力腐蝕范疇。

圖1 臥式雙筒分離器結(jié)構(gòu)

2 腐蝕現(xiàn)狀

該采氣廠4臺(tái)出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題的雙筒分離器分布情況：13集氣站2臺(tái)，18集氣站1臺(tái)，21集氣站1臺(tái)。專業(yè)檢測(cè)單位依據(jù)TSG R7001—2013 《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求，對(duì)4臺(tái)雙筒分離器進(jìn)行了檢驗(yàn)，并出具了《壓力容器定期檢查結(jié)論報(bào)告》。從報(bào)告得知，雙筒分離器的上筒沒(méi)有腐蝕，腐蝕集中在儲(chǔ)存液相的下筒，下筒的減薄率在24%～34%，腐蝕速率達(dá)到1.7～2.3 mm/a，安全狀況等級(jí)均被定為5級(jí)。3個(gè)集氣站的4臺(tái)設(shè)備下筒的腐蝕形貌基本類似，代表性的形貌見(jiàn)圖2。

圖2 集氣站腐蝕形貌

該廠對(duì)這3個(gè)站的有害介質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，有害介質(zhì)含量和pH值情況見(jiàn)表1。

表1 各站場(chǎng)有害介質(zhì)含量和pH值情況

3 腐蝕原因分析

從表1可以看出，3個(gè)集氣站的H2S較設(shè)計(jì)控制值低得多，CO2的含量較設(shè)計(jì)高得多，Cl-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)了4%[1]。三個(gè)站H2S和CO2存在不同程度變化，雖然水相中出現(xiàn)了Cl-，但腐蝕結(jié)果和壁厚的減薄程度基本是一致，說(shuō)明這些量的變化不是影響腐蝕破壞的主要原因，它們應(yīng)該有一個(gè)腐蝕門檻值，在這個(gè)值以內(nèi)有影響，超出這個(gè)值影響不大。從腐蝕坑的形貌看，是全面腐蝕的局部表現(xiàn)，而這種局部腐蝕是由于材料本身冶煉引起的不均勻性所致，這是碳素鋼點(diǎn)腐蝕的典型特征[2]。

由于H2S和CO2溶入采出水中，失效模式應(yīng)為Cl-,H2S和CO2的聯(lián)合腐蝕失效。

顯然，在Cl-，H2S以及CO2的聯(lián)合作用下，加之pH值偏低，分離器的下筒采用碳素鋼且內(nèi)壁不設(shè)防護(hù)的做法需要慎重。

4 解決措施

按照SY/T0599—2006 《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的金屬材料要求》和HG/T20581—2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》要求，在濕H2S和CO2環(huán)境中，主要限制材料的屈服極限和硬度，一般選用中低強(qiáng)度材料，控制好碳當(dāng)量以及主材和焊材的Mn,Ni含量，并依據(jù)SSC酸性環(huán)境的嚴(yán)重程度從工藝的角度增加必要的熱處理. 對(duì)于低合金鋼和碳素鋼 Cl-產(chǎn)生局部腐蝕，當(dāng)液相中Cl-質(zhì)量濃度超過(guò)5 000 mg/L時(shí)，20號(hào)鋼的腐蝕速率達(dá)1.85 mm/a[3]。

以上三個(gè)集氣站4臺(tái)分離器的下筒均處于Cl-，H2S和CO2的聯(lián)合腐蝕環(huán)境，其腐蝕后果較單一Cl-為主導(dǎo)的應(yīng)力腐蝕-腐蝕，不是硫化物和二氧化碳引起的腐蝕。

Cl-引起的應(yīng)力腐蝕，目前最有效的做法是采用耐點(diǎn)蝕能力的高合金鋼，而高合金的耐點(diǎn)蝕指標(biāo)的體現(xiàn)，主要由化學(xué)元素Cr，Mo和N[4]組成。具有這些元素的高合金鋼以雙相鋼和奧氏體不銹鋼的組織形態(tài)出現(xiàn)，高合金中Mo元素是主要抗點(diǎn)蝕的元素，當(dāng)Mo元素大于2，且耐點(diǎn)蝕指數(shù)大于23時(shí)，就具有一定的抵抗Cl-能力；當(dāng)耐點(diǎn)蝕指數(shù)大于39時(shí)，可以完全阻斷Cl-的點(diǎn)蝕。

通過(guò)分析，對(duì)雙筒分離器下筒提出以下對(duì)策和措施。

(1)碳素鋼+內(nèi)涂層。涂料采用環(huán)氧玻璃纖維，要求下筒內(nèi)壁除銹潔度達(dá)Sa2.5級(jí)，涂料與金屬應(yīng)結(jié)合牢固。但因下筒的直徑較小和長(zhǎng)度原因，較難實(shí)現(xiàn)。(2)碳素鋼+內(nèi)襯PVC。下筒左側(cè)封頭改為平封頭。PVC內(nèi)襯管的厚度不小于3 mm，PVC材料采用耐酸性配方。但接管與下筒連接處附近無(wú)法處理，實(shí)施有難度。(3)碳素鋼+犧牲陽(yáng)極?？紤]陽(yáng)極塊可能與H2S和CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，宜采用外加電流配以陽(yáng)極棒方式，在雙筒分離器下筒開(kāi)設(shè)陽(yáng)極棒接口，采用法蘭連接。陽(yáng)極棒消耗完了，可以方便更換。但在設(shè)備壽命期內(nèi)需加大跟蹤監(jiān)測(cè)，最好每年開(kāi)罐檢測(cè)。(4)基材+金屬?gòu)?fù)材。基材采用20號(hào)鋼，金屬?gòu)?fù)材采用含Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%以上的高合金。因存在基層、過(guò)渡層和復(fù)層焊接，焊接要求高，應(yīng)加強(qiáng)過(guò)程檢驗(yàn)。焊接過(guò)程中可能還存在碳轉(zhuǎn)移，影響設(shè)備壽命，控制難度高。(5)全部采用高合金。下筒及連接接管都采用高合金，可以簡(jiǎn)化制造，保證壽命要求，但需要考慮壽命和成本之間的關(guān)系。通過(guò)耐點(diǎn)蝕指數(shù)，在奧氏體和雙相鋼之間考慮，選擇順序(由差到好)如下：

①奧氏體不銹鋼材料建議選擇順序：S31603(022Cr17Ni14Mo2) 耐點(diǎn)蝕指數(shù)23.6；S31703(022Cr19Ni13Mo3) 耐點(diǎn)蝕指數(shù)28.9；S39042(或015Cr21Ni26Mo5Cu2) 耐點(diǎn)蝕指數(shù)為37.5。②雙相鋼材料建議選擇順序：S21953(022Cr19Ni5Mo3N) 耐點(diǎn)蝕指數(shù)為30.26；S22253(022Cr22Ni5Mo3N) 耐點(diǎn)蝕指數(shù)為34.14；S22053(或022Cr23Ni5Mo3N)耐點(diǎn)蝕指數(shù)為35.62。

針對(duì)雙筒分離器下筒，提出了包括涂料、襯里、犧牲陽(yáng)極、復(fù)合以及直接采用高合金等措施，實(shí)際采用中，應(yīng)從設(shè)備壽命、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)管理等多方面對(duì)比擇優(yōu)。采用高合金的措施實(shí)現(xiàn)度和壽命保證應(yīng)該是最好的，但成本可能是最高的。

對(duì)于H2S,CO2和Cl-聯(lián)合腐蝕的情況，還應(yīng)采取以下措施：降低設(shè)計(jì)應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)不連續(xù)；優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免容器內(nèi)部存在死角、進(jìn)出口存在沖刷和機(jī)械沉積物淤積，設(shè)備內(nèi)壁應(yīng)避免異種鋼的焊接，以減緩局部腐蝕速率；材料的碳當(dāng)量和冷裂紋指數(shù)是碳鋼和低合金鋼須控制的重要指標(biāo)，應(yīng)要求碳當(dāng)量小于0.43、冷裂紋指數(shù)小于0.25，控制金屬化學(xué)成分、組織和硬度；提高制造水平，盡量消除錯(cuò)邊量、咬邊等缺陷，降低焊接接頭殘余應(yīng)力；增加去應(yīng)力熱處理，應(yīng)限制焊縫硬度小于220HB，不能熱處理的應(yīng)限制硬度小于185HB；嚴(yán)禁強(qiáng)力組裝。改善腐蝕環(huán)境，運(yùn)行中加入緩蝕中和劑。同時(shí)按照TSG R7001—2013 《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》進(jìn)行每年開(kāi)罐檢查。

5 結(jié) 論

(1) 在Cl-,H2S以及CO2的聯(lián)合作用下，由于pH值偏低，分離器的下筒采用碳素鋼且內(nèi)壁不設(shè)防護(hù)的做法需要慎重。

(2) 雙筒分離器下筒，采用涂層、襯里、犧牲陽(yáng)極、復(fù)合還是直接采用高合金，需要綜合設(shè)備壽命、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)管理等多方面對(duì)比擇優(yōu)，采取合理的方法。

(3) 只有從設(shè)計(jì)、材料、制造以及運(yùn)行綜合考慮，并加大現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，才能保證設(shè)備在壽命期內(nèi)安全運(yùn)行。

[1] 蘇俊華，張學(xué)元，王風(fēng)平.高礦化度介質(zhì)中二氧化碳腐蝕金屬的規(guī)律[J].材料保護(hù)，1998,31(11):21-23.

[2] 黃健中，左禹.材料的腐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003:72-81.

[3] 馬欣.金屬在含氯離子水介質(zhì)中的腐蝕行為[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2005，22(5)：5-9.

[4] 盧日時(shí),李剛.316、317不銹鋼耐氯離子腐蝕能力淺析[J].機(jī)械工程師，2013(6):246-248.

(編輯 王菁輝)

Corrosion of Horizontal Double-drum Separator and Countermeasures

HeMaolin,DongYanguo,ZhangXinyou

(Xi’anChangqingTechnologyEngineeringCo.,Ltd.,Xi’an710000,China)

The under drums of 4 horizontal double-drum separators in a gas plant of Changqing Gas Field are the drums for liquid storage. These drums which are fabricated with carbon steel suffered from serious corrosion, and the average corrosion rate was 1.7～2.3 mm/yr. The operating life is only 1/5 of design. Under the combination effect of Cl-, H2S, CO2and at the condition of lower pH, it is not a good practice to use carbon steel for the under drum and provide no corrosion protection. Corrosion protection measures like application of coating, lining and high alloy material have been proposed and compared in respect of equipment fabrication, corrosion construction, site operation, scheduled inspection and construction costs, etc. Design, material, fabrication, operation and site testing must be fully considered to ensure the safe operation of equipment in its service life.

double-drum separator, under drum, corrosion, countermeasure

2016-04-06；修改稿收到日期：2016-05-03。

何茂林(1958-)，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，從事油田設(shè)備開(kāi)發(fā)工作。E-mail:hml01@126.com