于邦廷

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 工程研究設(shè)計(jì)院，北京 100028)

0 引 言

海上氣田開發(fā)的天然氣需脫水后增壓外輸，天然氣在脫水和烴露點(diǎn)控制流程中的操作壓力高，且部分壓力容器設(shè)計(jì)溫度(-70～-50 ℃)低，在某些高壓低溫工況下需求的低溫板材厚度超過國標(biāo)推薦的使用范圍，使低溫壓力容器在材質(zhì)選擇和加工制造上面臨挑戰(zhàn)。造成該問題的主要原因是較高的設(shè)計(jì)壓力與低溫工況同時(shí)出現(xiàn)，導(dǎo)致低溫板材的設(shè)計(jì)板厚過大。同時(shí)由于常用的低溫材質(zhì)具有韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，低溫壓力容器還易出現(xiàn)脆性斷裂等嚴(yán)重后果。

為使壓力容器安全可靠，在設(shè)計(jì)中需關(guān)注低溫壓力容器的工藝設(shè)計(jì)，尤其需注意低溫材質(zhì)的脆性斷裂，避免低溫材質(zhì)在低于其韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度工況下的使用。針對海上平臺低溫壓力容器的應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合目前國內(nèi)低溫板材的加工制造工藝和壓力容器制造水平，分析高壓低溫壓力容器材質(zhì)的選用過程，提出適用于高壓低溫工況的壓力容器材質(zhì)選擇方法。

1 低溫壓力容器脆性斷裂

根據(jù)國內(nèi)壓力容器規(guī)范GB/T 150定義，將≤-20 ℃作為低溫界限，設(shè)計(jì)溫度在-20 ℃以下的壓力容器稱為低溫壓力容器[1]。低溫壓力容器常選用低溫鋼作為加工制造材質(zhì)，低溫鋼按晶體點(diǎn)陣類型一般可分為鐵素體低溫鋼和奧氏體低溫鋼兩大類[2]。

鐵素體低溫鋼具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)，存在明顯的韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度：當(dāng)材料的溫度高于韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料處于韌性狀態(tài)；當(dāng)材料的溫度低于韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料就會出現(xiàn)韌性的突然下降[2]，由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)為脆性狀態(tài)[3]。當(dāng)壓力容器在低于轉(zhuǎn)變溫度的條件下使用時(shí)，容器中若存在由缺陷、殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中等因素引起的較高局部應(yīng)力，容器就可能在沒有出現(xiàn)明顯塑性變形的情況下發(fā)生脆性破裂而釀成災(zāi)難性事故。因此，通常在鐵素體鋼中添加Mn、Ni等合金元素，以降低間隙雜質(zhì)、細(xì)化晶粒，使得鐵素體鋼的韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。奧氏體低溫鋼則沒有韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，其具有較高的低溫韌性，通常能夠耐受較低的溫度[3]。

2 海上氣田低溫壓力容器應(yīng)用挑戰(zhàn)

海上氣田經(jīng)常會用到一些高壓低溫壓力容器，根據(jù)以往項(xiàng)目的使用經(jīng)驗(yàn)，海上氣田常用的低溫壓力容器有烴控系統(tǒng)的低溫分離器、干氣壓縮機(jī)入口滌氣罐、高壓火炬分液灌、燃料氣滌氣罐。其中部分壓力容器的最低設(shè)計(jì)溫度達(dá)-97 ℃，最高設(shè)計(jì)壓力達(dá)120 bar(1 bar=0.1 MPa)，如表1所示。這類低溫壓力容器需要選用適應(yīng)低溫的材質(zhì)，避免材料的脆性斷裂。并且由于設(shè)計(jì)壓力高，需要的低溫板材厚度大，甚至超過GB/T 150推薦的使用壁厚，導(dǎo)致無法選到合適的材質(zhì)。針對氣田開發(fā)中遇到的此類挑戰(zhàn)，需要同時(shí)兼顧低溫和高壓的設(shè)計(jì)需求，選用合理的辦法解決此類問題。

表1 海上氣田典型低溫壓力容器設(shè)計(jì)溫度和壓力

3 低溫壓力容器的材質(zhì)選用及制造

3.1 主要低溫材質(zhì)

主要用于低溫壓力容器制造的鐵素體鋼有16MnDR、09MnNiDR、08Ni3DR等，奧氏體低溫鋼有304/304L/316/321等，這兩種材質(zhì)根據(jù)適應(yīng)的低溫差異而被應(yīng)用到不同的場合。根據(jù)GB/T 150規(guī)定，16MnDR鋼板在6～60 mm厚度范圍內(nèi)的使用溫度下限為-40 ℃，并且需進(jìn)行-40 ℃低溫沖擊試驗(yàn)以驗(yàn)證在該低溫下材質(zhì)的沖擊功，按照國標(biāo)要求其值不低于24 J。當(dāng)16MnDR鋼板在60～120 mm厚度范圍內(nèi)時(shí)，使用溫度下限為-30 ℃，需進(jìn)行-30 ℃低溫沖擊試驗(yàn)，其在該溫度下的沖擊功應(yīng)不低于20 J。推薦的09MnNiDR板材厚度范圍為6～120 mm，使用溫度下限為-70 ℃，需進(jìn)行-70 ℃低溫沖擊試驗(yàn)，其在該溫度下的沖擊功應(yīng)不低于20 J。推薦的08Ni3DR板材厚度范圍為6～100 mm，使用溫度下限為-100 ℃，需進(jìn)行-100 ℃低溫沖擊試驗(yàn)，其在該溫度下的沖擊功應(yīng)不低于24 J。當(dāng)奧氏體鋼材的使用溫度大于-196 ℃時(shí)，可免做沖擊試驗(yàn)。非液化流程的海洋油氣設(shè)備不會遇到如此低的溫度，無需考慮奧氏體的低溫沖擊試驗(yàn)。

可根據(jù)設(shè)計(jì)溫度和壓力初步選用適宜的材質(zhì)，經(jīng)壁厚計(jì)算后再校核鋼板厚度是否超出允許范圍，以確定初選材質(zhì)是否合適。在板材選用過程中，還需考慮壓力容器制造的難易程度和成本等各因素的影響。

3.2 加工制造要求

由于鋼板軋制方向的選擇、殘余應(yīng)力和熱處理狀態(tài)都會影響鋼材的低溫韌性，通常為加強(qiáng)材料，在冶煉時(shí)會加入Nb、V等微量元素，并要求進(jìn)行正火處理以減少軋制產(chǎn)生的缺陷。低溫用鋼的焊接關(guān)鍵在于避免焊縫金屬及熱影響區(qū)形成粗晶組織而導(dǎo)致低溫韌性降低[3-4]，因此，應(yīng)選擇合理的焊接工藝，嚴(yán)格要求焊接線的能量，避免焊透、裂紋、氣孔和咬邊等焊接缺陷。為減小焊接殘余應(yīng)力應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理，熱處理工藝應(yīng)與焊接工藝評定時(shí)的熱處理工藝相同。為檢測低溫容器的低溫韌性，還需制備焊接試驗(yàn)板材，采用一致的焊接工藝和條件，對焊接接頭進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，測試其低溫沖擊吸收功是否滿足要求。

4 南海某L氣田低溫壓力容器設(shè)計(jì)優(yōu)化

表2為南海某L氣田低溫分離器、干氣壓縮機(jī)入口滌氣罐、高壓火炬分液罐和燃料氣滌氣罐的工藝參數(shù)。由表2可知：該4類壓力容器的設(shè)計(jì)溫度均較低，需選用低溫板材。低溫分離器設(shè)計(jì)溫度為-51 ℃、設(shè)計(jì)壓力為12 150 kPa，根據(jù)溫度要求可選用09MnNiDR作為板材。干氣壓縮機(jī)入口滌氣罐的設(shè)計(jì)溫度為-36 ℃、設(shè)計(jì)壓力為18 750 kPa，由于其筒體直徑為2 m，若選用16MnDR材質(zhì)，需要的低溫板材厚度超過60 mm，而當(dāng)16MnDR板材厚度超過60 mm后其使用溫度下限只有-30 ℃，因此不能使用16MnDR，可改用09MnNiDR。高壓火炬分液罐的設(shè)計(jì)溫度為-96 ℃，可選用316L SS作為加工材質(zhì)。燃料氣滌氣罐的設(shè)計(jì)溫度為-37 ℃，從溫度適應(yīng)性上分析可選用16MnDR，但是由于該氣田濕氣中含有CO2，需要316L SS內(nèi)襯，因此其使用材質(zhì)為16MnDR+316L SS內(nèi)襯。表2中高壓火炬分液罐和燃料氣滌氣罐設(shè)計(jì)壓力較低，經(jīng)過初步計(jì)算，需要的低溫板材厚度較小，不存在大厚度低溫板材的應(yīng)用需求，因此僅對低溫分離器和入口滌氣罐進(jìn)行重點(diǎn)分析。

表2 南海某L氣田主要高壓低溫壓力容器工藝參數(shù)

4.1 問題背景

圖1為低溫壓力容器流程圖，烴控系統(tǒng)的進(jìn)氣卸壓閥(Blow Down Valve，BDV)泄放工況產(chǎn)生的低溫使干氣壓縮機(jī)入口滌氣罐和烴控系統(tǒng)的低溫分離器設(shè)計(jì)溫度較低，分別為-36 ℃和-51 ℃，且其設(shè)計(jì)壓力高、筒體直徑大，根據(jù)計(jì)算需要的低溫板材厚度大。具體壁厚如表3所示。

圖1 低溫壓力容器流程示例

存在問題如下：

(1) 如果干氣壓縮機(jī)入口滌氣罐材質(zhì)選擇09MnNiDR，則由于設(shè)計(jì)壓力高，需要的壁厚超出GB/T 150推薦的使用壁厚。

表3 兩類低溫壓力容器的計(jì)算壁厚 mm

(2) 雖然低溫分離器采用09MnNiDR的需求壁厚約113 mm，但是大厚度09MnNiDR板材對制造技術(shù)要求高，目前國內(nèi)能夠提供該種大厚度板材的鋼廠較少，壓力容器成型焊后熱處理、低溫沖擊試驗(yàn)難度大。

根據(jù)國內(nèi)壓力容器供應(yīng)商的制造經(jīng)驗(yàn)，大壁厚的低溫板材(09MnNiDR/08Ni3DR)封頭軋制、焊后熱處理、低溫沖擊試驗(yàn)等加工要求高，壓力容器制造廠家經(jīng)驗(yàn)不足，項(xiàng)目后續(xù)實(shí)施難度較大。因此，需要改善壓力容器的設(shè)計(jì)，采用其他方法盡可能降低容器的建造難度和風(fēng)險(xiǎn)。

針對此類問題和風(fēng)險(xiǎn)，提出以工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)壓力和最低設(shè)計(jì)溫度，采用美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)材料和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、降低設(shè)計(jì)壓力、降低筒體直徑、進(jìn)行設(shè)計(jì)溫度與壓力的組合選用等設(shè)計(jì)方法來降低板材厚度，并分析采用多層或鋼帶錯(cuò)繞筒體、整體鍛造等加工工藝對此類問題的適應(yīng)性。

4.2 解決方法

4.2.1 采用ASME材料和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

ASME對于低溫容器采用根據(jù)材料組別、厚度、應(yīng)力水平和材料熱處理狀態(tài)，通過計(jì)算確定材料允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度(Minimum Design Metal Temperature，MDMT)的方法。若容器的使用溫度低于允許的MDMT，則屬于低溫范圍，要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。這種方法建立在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用斷裂力學(xué)判據(jù)，針對每種材料的性能、厚度、熱處理狀態(tài)分別確定低溫限。這種方法與我國目前的標(biāo)準(zhǔn)有著明顯的區(qū)別[5-6]。如干氣壓縮機(jī)入口滌氣罐：采用PVElite計(jì)算的厚度為100 mm，在此條件下能夠免除沖擊試驗(yàn)的最低溫度為10 ℃，因此需進(jìn)行-36 ℃下的低溫沖擊試驗(yàn)，依然存在大壁厚壓力容器的制造風(fēng)險(xiǎn)問題。

4.2.2 改用多層或鋼帶錯(cuò)繞筒體

對于應(yīng)用于高壓的大壁厚壓力容器，可采用多層筒體或鋼帶錯(cuò)繞筒體[7]。采用這種工藝制造的壓力容器主要優(yōu)點(diǎn)如下：(1)各層均采用薄板，各層的鋼材強(qiáng)度、組織、性能均勻，厚板在厚度方向上有性能差異；(2)多層材料韌性佳，不易引起脆性破壞。然而不足是：(1)制造周期長，層板下料材料利用率低(60%)，制造大型容器時(shí)經(jīng)濟(jì)性差；(2)多層深厚環(huán)焊縫焊接難度大，無法用超聲檢測，只能用100%射線檢測；(3)加工難度大，國內(nèi)制造廠家較少。該類型的壓力容器制造方法在海上平臺沒有使用過，尚缺乏成功的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，且從加工制造成本高、可選資源較少等方面判斷，其不是海上高壓低溫壓力容器設(shè)計(jì)、制造的最優(yōu)方案。

4.2.3 整體鍛造

整體鍛造需要龐大的鍛造設(shè)備和熱處理設(shè)備，金屬耗材量大，大多用于超高壓容器，如核電站反應(yīng)堆壓力容器。整體鍛造對鍛造技術(shù)工藝要求高[8]，具備這種制造工藝的廠家少，市場可選的資源較少?？傮w上，材料、加工綜合費(fèi)用較高，不是最優(yōu)的解決措施。

4.2.4 降低設(shè)計(jì)壓力

根據(jù)表3，若低溫分離器和干氣壓縮機(jī)入口滌氣罐仍采用09MnNiDR作為板材，但同時(shí)降低設(shè)計(jì)壓力，根據(jù)計(jì)算可知其需要的板材厚度也會降低，具體如圖2和圖3所示。

圖2 低溫分離器設(shè)計(jì)壓力-壁厚敏感性

圖3 滌氣罐設(shè)計(jì)壓力-壁厚敏感性

由圖2可知，當(dāng)?shù)蜏胤蛛x器的設(shè)計(jì)壓力由12 150 kPa降至10 000 kPa時(shí)，需要的板材厚度則由113 mm降至93 mm，屬于可接受的板厚，對加工制造的挑戰(zhàn)降低，風(fēng)險(xiǎn)可控性增強(qiáng)。

由圖3可知，當(dāng)滌氣罐的設(shè)計(jì)壓力由18 750 kPa降至12 000 kPa時(shí)，需要的板材厚度則由130 mm降至86 mm，屬于可接受的板厚，對加工制造的挑戰(zhàn)降低，風(fēng)險(xiǎn)可控性增強(qiáng)。

由此可見，當(dāng)2個(gè)容器的設(shè)計(jì)壓力分別降低至10 000 kPa和12 000 kPa時(shí)，低溫壓力容器的選材問題便得以解決。

4.2.5 減小筒體直徑

當(dāng)減小壓力容器的筒體直徑時(shí)，不改變其他設(shè)計(jì)條件，所需要的板材厚度也可以減小。圖4和圖5分別為2個(gè)容器筒體直徑與計(jì)算壁厚的關(guān)系。由圖4可知：當(dāng)?shù)蜏胤蛛x器筒體直徑由2.6 m減小至2.0 m時(shí)，計(jì)算壁厚降至87 mm，在可接受的范圍內(nèi)。由圖5可知：當(dāng)滌氣罐筒體直徑由2.0 m減小至1.2 m時(shí)，計(jì)算壁厚降至85 mm，同樣在可接受的范圍內(nèi)，滿足壓力容器的建造要求。

圖4 低溫分離器筒體直徑由2.6 m降至2.0 m

圖5 滌氣罐筒體直徑由2.0 m降至1.2 m

4.2.6 設(shè)計(jì)溫度與壓力的組合選用

設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力存在著對應(yīng)關(guān)系，并一起作為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件。當(dāng)容器具有不同的操作工況時(shí)，應(yīng)以最苛刻的壓力-溫度組合確定容器的設(shè)計(jì)條件[9]。這種壓力和溫度的組合是指兩者應(yīng)同時(shí)存在，而不是將不同工況下的溫度和壓力進(jìn)行最不利的組合。例如將一種工況下的不利溫度與另一種工況下的不利壓力進(jìn)行組合，組合出來的工況實(shí)際上是不存在的。因此，對于某L氣田項(xiàng)目的兩類低溫壓力容器，還應(yīng)明確是否最低設(shè)計(jì)溫度與最高設(shè)計(jì)壓力同時(shí)出現(xiàn)，若不會同時(shí)出現(xiàn)，則這種不利條件的組合是不合理的。其不僅增加了壓力容器的制造難度，而且從工藝設(shè)計(jì)角度講也是不合理的。

如BDV泄放工況下低溫分離器，由于泄放時(shí)壓力降低較快，當(dāng)?shù)蜏禺a(chǎn)生時(shí)容器的操作壓力已經(jīng)降低，因此容器最高設(shè)計(jì)壓力與最低設(shè)計(jì)溫度同時(shí)存在的概率較低。若只考慮低溫分離器的最高設(shè)計(jì)壓力12 150 kPa與常溫組合，則常規(guī)的非低溫鋼材即可滿足要求。如選用13MnNiMoR，計(jì)算所需的板厚只有92 mm，比選用09MnNiDR時(shí)需求的壁厚明顯降低。因此針對設(shè)計(jì)壓力與溫度的合理組合可以優(yōu)化容器材質(zhì)選擇和容器質(zhì)量，這對壓力容器設(shè)計(jì)提出更精細(xì)化的要求，需要模擬在泄放過程中容器內(nèi)部壓力與溫度的變化趨勢，從而確定合適的壓力與溫度組合數(shù)據(jù)。這也為壓力容器的設(shè)計(jì)提出優(yōu)化的方向。

5 結(jié) 論

對于高壓低溫壓力容器的設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇成熟可靠的材質(zhì)，且需要考慮國內(nèi)壓力容器制造的實(shí)際能力，確保后續(xù)實(shí)施順利開展。低溫壓力容器的設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注最低設(shè)計(jì)溫度的取值，采用合理確定低溫與壓力工況的組合、降低設(shè)計(jì)壓力或降低筒體直徑等方法均能夠減小板材厚度，從而降低大壁厚壓力容器的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。