油氣田壓力容器裂紋形成原因與預(yù)防

白金亮

中國石油長慶油田分公司 技術(shù)監(jiān)測中心 （陜西 西安 710021）

油氣田壓力容器裂紋形成原因與預(yù)防

白金亮

中國石油長慶油田分公司 技術(shù)監(jiān)測中心 （陜西 西安 710021）

壓力容器發(fā)生的裂紋基本都是與焊縫平行，呈樹枝狀曲折的細(xì)縫，個別部位有細(xì)微分叉，有時呈“之”字形或“人”字形，用10倍放大鏡觀察，沒有金屬宏觀體積上的塑性變形。通過分析油氣田在用壓力容器應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的原因和機(jī)理，提出了應(yīng)力腐蝕裂紋的檢驗(yàn)方法和防止措施。

應(yīng)力腐蝕裂紋 檢驗(yàn)方法 防止措施

中國石油長慶油田分公司在用壓力容器超過5 000臺，分布于陜、甘、寧、蒙等各油氣生產(chǎn)區(qū)，大都屬于儲存容器、分離容器和換熱容器，主要用于油、氣、水等物質(zhì)的儲存、分離及換熱等作用，是油氣生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。因此，在用壓力容器必須進(jìn)行定期檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)可以及早發(fā)現(xiàn)缺陷，消除事故隱患，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。近些年，在對油氣田壓力容器定期檢驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)一些壓力容器出現(xiàn)表面開裂甚至穿透性裂紋，給安全生產(chǎn)和生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響和威脅。因此分析裂紋產(chǎn)生原因和機(jī)理是確保檢驗(yàn)質(zhì)量、編寫維修方案以及制訂預(yù)防措施的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1 開裂情況

1997年在對馬嶺煉油廠1#球罐開罐檢驗(yàn)時，在H3焊縫熔合區(qū)發(fā)現(xiàn)一條長1 100mm的內(nèi)表面裂紋，裂紋深度5mm。

1999年在對馬嶺煉油廠2#球罐開罐檢驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)H1焊縫熔合區(qū)有一條長2 400mm深達(dá)18mm（壁厚為24mm）的裂紋（圖1）。

2006年，第一采氣廠的第一凈化廠再生塔在使用時在H3焊縫上部出現(xiàn)穿透性開裂，裂紋長度1 000mm，介質(zhì)外泄，該裂紋起始于焊縫上部熔合線，并沿熔合線逐漸向母材延伸。

1998年8月慶陽化工集團(tuán)2#球罐上部焊接接頭發(fā)生穿透性裂紋而發(fā)生大量液化氣泄漏事故，因發(fā)現(xiàn)及時，處置得力，未引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。

2 裂紋類型及原因分析

2.1 裂紋宏觀特征

容器發(fā)生的裂紋基本都是與焊縫平行，呈樹枝狀曲折的細(xì)縫，個別部位有細(xì)微分叉，有時呈“之”字形或“人”字形，用10倍放大鏡觀察，沒有金屬宏觀體積上的塑性變形，因此，具有應(yīng)力腐蝕裂紋典型特征。

2.2 應(yīng)力水平分析

（1）由于壓力容器運(yùn)行中承受內(nèi)壓，罐壁因工作壓力而產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，且容器內(nèi)壁縱向拉應(yīng)力大于外表面，罐壁越厚越明顯。

（2）在對馬嶺煉油廠液化石油氣球罐檢驗(yàn)時，查閱了制造資料，發(fā)現(xiàn)1#罐裂紋產(chǎn)生部位在制造時曾經(jīng)進(jìn)行過返修，因此該部位焊接殘余應(yīng)力較為集中；2#罐在制造時，H1焊縫焊接工作是最后完成的，因此該部位拘束度較大，且H1焊縫處于球罐底部，受到液注靜壓力比其它環(huán)焊縫大，因此該處的應(yīng)力水平較高，另外球罐采用了帶裝法即先焊縱焊縫成帶，再焊環(huán)焊縫組裝，這樣環(huán)焊縫的拘束度高于縱焊縫拘束度，因此環(huán)焊縫產(chǎn)生裂紋的幾率大于縱焊縫。

（3）采氣廠常壓塔H3開裂部位，壁厚12mm，在檢驗(yàn)時，該部位錯邊量竟然達(dá)到5mm，我們知道，錯邊是容器在組焊時產(chǎn)生的，它的存在容易產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力,引起幾何應(yīng)力集中,應(yīng)力分布更為復(fù)雜。

2.3 盛裝介質(zhì)及腐蝕產(chǎn)物分析

馬嶺煉油廠和第二采油廠所使用的球罐材質(zhì)分別為16MnR和15MnVR，均屬于低合金鋼，主要用于承裝液化石油氣。由于球罐在使用中，沒有進(jìn)行脫硫，脫水工作也沒有嚴(yán)格按照操作程序執(zhí)行，球罐開罐后，罐底部積聚有大量臭雞蛋氣味污物，在罐的內(nèi)表面存在大量的點(diǎn)狀腐蝕坑，腐蝕坑周圍粘附有黑色腐蝕產(chǎn)物。

長慶油田隴東區(qū)塊民用液化石油氣鋼瓶所承裝液化石油氣都來自于上述2個單位的球形儲罐。1998年，長慶油田由于液化石油氣鋼瓶腐蝕嚴(yán)重（個別氣瓶底部已腐蝕穿孔）不得不將4.5萬只鋼瓶強(qiáng)行報廢，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。隨后將部分液化石油氣鋼瓶內(nèi)壁附著物送外化驗(yàn)分析，其分析結(jié)果見表 1[1]。

表1 液化石油氣鋼瓶內(nèi)壁附著物化學(xué)成分 %

從表1的化驗(yàn)結(jié)果可知，內(nèi)壁附著物的主要成分為Fe和S，可能是以FexSy的形式存在，我們知道，硫元素不可能產(chǎn)生于鋼瓶的材料，它肯定來源于液化石油氣，因此，可以得出液化石油氣中存在大量的H2S。據(jù)了解，馬嶺煉油廠雖有脫硫裝置，但一直未投入使用，液化石油氣H2S含量超過700mg/L。

采氣廠的第一、二凈化廠原料氣均為含硫天然氣,其成分組成如表2所示[2]。

表2 原料氣組成(干基)體積分?jǐn)?shù)

慶陽化工集團(tuán)公司生產(chǎn)液化石油氣時 （原油是由長慶油田供給），雖然進(jìn)行了簡單脫硫，但液化石油氣H2S含量仍高達(dá)500mg/L。

2.4 裂紋類型確定

從以上分析可知，發(fā)生開裂的壓力容器制造材料基本為低碳鋼或低合金鋼，開裂部位存在較高的應(yīng)力集中（主要為拉應(yīng)力），介質(zhì)中存在大量的含硫物質(zhì)，國內(nèi)有關(guān)資料介紹[3]，H2S在水中的濃度達(dá)100mg/L就有可能發(fā)生H2S應(yīng)力腐蝕，1980年中日煉油設(shè)備腐蝕與防護(hù)技術(shù)交流時，日方甚至提出應(yīng)控制H2S的含量為20～30mg/L。長慶油田發(fā)生開裂的壓力容器，其使用介質(zhì)H2S含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了上述要求，因此前述設(shè)備所產(chǎn)生的裂紋，可斷定為H2S應(yīng)力腐蝕裂紋，簡稱硫裂（SSCC）。

3 應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的機(jī)理

H2S應(yīng)力腐蝕破裂是受拉應(yīng)力材料和含有H2S腐蝕介質(zhì)共同作用而產(chǎn)生的脆性破壞，其破裂機(jī)理一般傾向于電化學(xué)與機(jī)械復(fù)合作用原理，由于介質(zhì)中含有大量的H2S和H2O并結(jié)合形成氫硫酸，電離出H+，呈弱酸性，與金屬反應(yīng)產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕。另外，氫離子得到電子后變?yōu)闅湓樱捎跉湓又睆捷^小，它將在金屬內(nèi)部擴(kuò)散并聚集于晶格缺陷、位錯和微裂紋等處，這樣增加了材料的脆斷性即氫脆，因此H2S應(yīng)力腐蝕破裂是材料、拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果。

4 檢驗(yàn)重點(diǎn)部位和有效檢驗(yàn)方法

在對具有應(yīng)力腐蝕傾向的壓力容器開展檢驗(yàn)之前，認(rèn)真查閱壓力容器使用、維修、改造記錄，了解使用情況和問題記載，制訂正確的檢驗(yàn)方案，確定檢驗(yàn)重點(diǎn)部位和有效檢驗(yàn)方法。

4.1 確定檢驗(yàn)重點(diǎn)部位

（1）應(yīng)力集中部位。所有焊縫及熱影響部位；制造過程中返修部位；產(chǎn)生振動部位；結(jié)構(gòu)突變?nèi)绫砻嬗袆潅?、碰傷等缺陷部位；結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位；使用中發(fā)生泄漏部位等。

（2）腐蝕部位。液面波動部位；容器的頂部和底部；液體沖刷部位；液體流動不暢的死區(qū)；有污垢堆積的部位；有坑蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、潰瘍腐蝕等各種腐蝕產(chǎn)生的部位。

4.2 確定有效檢驗(yàn)方法

（1）宏觀檢查。用肉眼或借助十倍放大鏡對容器內(nèi)部進(jìn)行全面檢查，特別是結(jié)構(gòu)突變等容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位。馬嶺煉油廠1#球罐所產(chǎn)生的裂紋就是通過宏觀檢查發(fā)現(xiàn)的。

（2）表面探傷。一般檢查應(yīng)力腐蝕裂紋用磁粉探傷的方法，如果發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷后，可以用其它檢測方法如超聲和射線等復(fù)驗(yàn)，以進(jìn)一步確認(rèn)。

（3）硬度檢查。對于容器內(nèi)表面可以進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，被檢測部位硬度值不應(yīng)超過正常值的30%，如果發(fā)現(xiàn)超常硬度值，應(yīng)使用其它檢驗(yàn)方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，以確定該處是否存在裂紋。

（4）金相檢驗(yàn)。對于易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋部位，可采用金相檢驗(yàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)組織中存在具有細(xì)長或呈樹木根須狀裂紋，沿晶或穿晶，可判斷為應(yīng)力腐蝕裂紋。

5 應(yīng)力腐蝕裂紋處理對策與防止措施

在壓力容器定期檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)判定為應(yīng)力腐蝕裂紋，必須認(rèn)真對待，制訂正確、合理、科學(xué)的對策措施，避免事故的發(fā)生。

5.1 處理對策

發(fā)現(xiàn)裂紋后，必須確定裂紋的深度和長度，裂紋可采用磨光機(jī)進(jìn)行打磨消除，如果打磨深度在壁厚余量范圍內(nèi)，可不進(jìn)行補(bǔ)焊，否則須制訂正確的修補(bǔ)方案和工藝進(jìn)行補(bǔ)焊，經(jīng)無損探傷合格后方可投入使用。

5.2 防止措施

（1）選擇抗SSCC材料作為受壓元件如 Q245 (20R)，Q345（16MnR）等，避免十字焊縫、焊縫布置不當(dāng)?shù)炔缓侠斫Y(jié)構(gòu)。

（2）嚴(yán)格制造工藝，采用合理的冷加工工藝、焊接工藝和熱處理工藝，盡可能減少殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。

（3）控制使用環(huán)境因素。①脫水是防止SSCC的一種有效方法。對油氣田現(xiàn)場而言，經(jīng)脫水干燥的H2S可視為無腐蝕性，因此，經(jīng)脫水使H2S天然氣露點(diǎn)低于系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，就不會導(dǎo)致SSCC。②脫硫是防止SSCC廣泛應(yīng)用的有效方法，脫出油氣中的H2S使其含量低于SY/T0599的規(guī)定。③控制pH值。由于提高含H2S油氣環(huán)境的pH值，可有效地降低環(huán)境的SSCC敏感性。因此，對有條件的系統(tǒng)，采取控制環(huán)境pH值可達(dá)到減緩或防止SSCC的目的，但必須保證生產(chǎn)環(huán)境始終處于控制的狀態(tài)下。④添加緩蝕劑。緩蝕劑可通過防止氫的形成來阻止SSCC,從而來減緩腐蝕。⑤采用陰極保護(hù)。采用外加電源或犧牲陽極的陰極保護(hù)，也是防止腐蝕裂紋的有效措施，如在內(nèi)表面焊縫區(qū)涂金屬Al或Cu，或采用Mg、Al等金屬和罐體金屬相連接,可避免受壓元件腐蝕。對于外加電源法使用時應(yīng)慎重，以免打火引起火災(zāi)。⑥嚴(yán)格按操作規(guī)程操作，應(yīng)盡量做到平穩(wěn)操作，避免頻繁升降壓力或改變裝載量，嚴(yán)禁超壓、超裝情況的出現(xiàn)，以減少尖銳的循環(huán)應(yīng)力和裝載應(yīng)力，防止腐蝕疲勞破壞。

（4）加強(qiáng)定期檢驗(yàn)，因?yàn)槎ㄆ跈z驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)容器在使用過程中產(chǎn)生的絕大多數(shù)缺陷，并得到及時處理和消除。

6 結(jié)束語

壓力容器的應(yīng)力腐蝕裂紋是石油天然氣開采加工及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域最危險的損傷之一，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的壓力容器往往在沒有預(yù)兆的情況下發(fā)生突然斷裂，不僅影響正常生產(chǎn)，同時還嚴(yán)重危及人民生命和國家財(cái)產(chǎn)的安全，必須引起使用單位和相關(guān)部門的高度重視。

[1]石仲謀，陳建華,劉保平,等.石油液化氣鋼瓶腐蝕穿孔失效分析[J].石油化工設(shè)備,1999,28（5）:19.

[2]王遇冬，王登海.對長慶氣田含硫天然氣脫硫工藝技術(shù)的幾點(diǎn)建議[J].石油與天然氣化工,2001(1).

[3]冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院.球形貯罐診斷與修復(fù)技術(shù)[M].北京:勞動人事出版社,1987.

Cracks produced in pressure vessels are basically parallel to the welding seam,taking on the tiny twist cracks like branching or treelike marks.Individual parts of them are slightly branching,with the shape of Chinese character"Zhi"or"Ren".Under the observation of ten diameters magnifier,there is no plastic deformation in metal macro-size.Through the analysis on the forming causes and mechanism of stress corrosion cracks in pressure vessels used in oil-gas fields,the detecting measures and precaution measures for stress corrosion cracks are put forward in this paper.

stress corrosion crack;detecting methods;precaution measures

白金亮（1969-），男，現(xiàn)主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測。

尉立崗

2011-08-26