三元復(fù)合驅(qū)轉(zhuǎn)油站加熱爐火管開(kāi)裂原因分析

何樹(shù)全

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712)

隨著我國(guó)油田相繼進(jìn)入三次采油階段，以氫氧化鈉、石油磺酸鈉、聚丙烯酰胺為驅(qū)替物的三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)，作為提高原油采收率和增加原油產(chǎn)量的一項(xiàng)重要措施，越來(lái)越受到人們的重視［1］。

然而，與傳統(tǒng)水驅(qū)相比，這種新型采油技術(shù)加劇了對(duì)脫水轉(zhuǎn)油站火筒式加熱爐的破壞［2］。以某站為例，該站于2012 年10 月18 日正式投產(chǎn)運(yùn)行，2013 年3 月三元液上返后，站內(nèi)5 臺(tái)二合一火筒式加熱爐相繼出現(xiàn)故障，7 個(gè)月內(nèi)共出現(xiàn)9次故障，故障率為每年2.7 次/臺(tái)，其中火管開(kāi)裂失效6 次，占故障率的67%，尤其是2013 年10 月14 日至當(dāng)年11 月6 日，在不足1 個(gè)月時(shí)間內(nèi)，3臺(tái)加熱爐火管接連發(fā)生開(kāi)裂泄漏，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。

在對(duì)站內(nèi)5 臺(tái)加熱爐細(xì)致調(diào)查的基礎(chǔ)上，下面針對(duì)開(kāi)裂失效現(xiàn)象最嚴(yán)重的3 號(hào)加熱爐火管開(kāi)展失效分析。通過(guò)對(duì)加熱爐工藝及設(shè)備概況、工藝條件、輸送介質(zhì)、事故發(fā)生過(guò)程等要素進(jìn)行全方位的調(diào)查，獲取與加熱爐火管失效的相關(guān)信息，為失效原因分析提供必要的線索;通過(guò)對(duì)材質(zhì)、腐蝕產(chǎn)物、裂紋及斷口的分析，進(jìn)一步明確了加熱爐火管開(kāi)裂失效的原因，并提出了改進(jìn)措施。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

1.1 加熱爐工藝及設(shè)備概況

某廠轉(zhuǎn)油脫水站站內(nèi)共有5 臺(tái)火筒式加熱爐，于2012 年10 月18 日正式投產(chǎn)運(yùn)行。加熱爐技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 火筒式加熱爐技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of fire cartridge heater

加熱爐火管直徑0.8 m，由鋼板卷制焊接而成，全長(zhǎng)9.74 m，分前、中、后三段，材質(zhì)為Q245R和15CrMoR。其中管前段2.30 m 及后段5.64 m，材質(zhì)為Q245R，壁厚12 mm;中段1.80 m，材質(zhì)為15CrMoR，壁厚14 mm。火管前段鋪設(shè)了耐火磚襯層(見(jiàn)圖1)。

圖1 加熱爐火管內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Inner structure of fire tube of fire cartridge heater

每臺(tái)加熱爐有2 根火管，設(shè)有6 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，具體位置如圖2 所示。測(cè)溫結(jié)果表明(見(jiàn)表2)，加熱爐火嘴火焰高溫處主要集中于耐火磚段，而這段又受耐火磚保護(hù)，熱量沒(méi)有傳遞出去，所有熱量都累積到耐火磚后緣外火管壁傳遞，因此，脫離耐火磚保護(hù)的火管中段前端溫度最高。

圖2 加熱爐結(jié)構(gòu)及火管壁測(cè)溫點(diǎn)位置示意Fig.2 Inner structure of fire cartridge heater and position of temprature-testing points on the wall of fire tube

表2 火管溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2013-11-19)Table 2 Temperature measuring data of fire tube(2013-11-19)

1.2 加熱爐介質(zhì)環(huán)境調(diào)查

加熱爐管程燃料為站內(nèi)自產(chǎn)濕氣，殼程被加熱介質(zhì)為強(qiáng)堿三元驅(qū)油井采出液。根據(jù)采出液?jiǎn)稳杖臃治鰯?shù)據(jù)(見(jiàn)表3)及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)，目前油井采出液已見(jiàn)三元介質(zhì)，pH 值為9.02，并且堿度不斷提高［3］。

表3 油井采出液成分Table 3 Composition analysis on oil well produced water mg/L

1.3 加熱爐失效情況調(diào)查

對(duì)損壞最嚴(yán)重的3 號(hào)爐火管，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和取樣。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，火管內(nèi)壁可見(jiàn)黑色分層脫落物，厚度約為0.1～0.8 cm(見(jiàn)圖4);管壁減薄嚴(yán)重，最薄處僅有1 mm 左右;在焊縫附近，火管沿環(huán)向開(kāi)裂(見(jiàn)圖5)。

圖4 內(nèi)壁黑色分層脫離物Fig.4 Black matter layered from inner wall

就結(jié)垢情況向清垢人員進(jìn)行了調(diào)查?；鸸芡獗诠笇臃譃閮?nèi)外兩層，外層為16～17 cm 附著物，較黏軟;內(nèi)層為1～3 cm 白色垢，質(zhì)地堅(jiān)硬，以火管中段測(cè)溫點(diǎn)附近最厚(也即中段焊縫附近)，厚度約3 cm。現(xiàn)場(chǎng)檢查清垢后的火管外表面發(fā)現(xiàn)，金屬基體未見(jiàn)明顯腐蝕。

圖5 焊縫附近環(huán)向開(kāi)裂Fig.5 Circumferential cracking around weld

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示:(1)火管失效部位主要集中在材質(zhì)為15CrMoR 的中段，其中以焊縫附近尤其嚴(yán)重，火管失效表現(xiàn)為壁厚減薄和沿環(huán)向開(kāi)裂;(2)三元液上返后，聚合物裹挾的泥沙等容易在火管外壁粘結(jié)淤積，且隨著介質(zhì)堿度加大，為加速火管外壁結(jié)垢提供了條件;(3)失效火管內(nèi)壁可見(jiàn)黑色分層脫落物，厚度0.1～0.8 cm，是管壁減薄的主要原因;(4)火管外壁從外到里有約16～17 cm 黏軟附著物及1～3 cm 堅(jiān)硬垢層，嚴(yán)重影響了火管傳熱效果，導(dǎo)致火管溫度升高。

2 失效分析

2.1 材質(zhì)分析

2.1.1 管材材質(zhì)分析

設(shè)計(jì)文件顯示，失效火管材質(zhì)為15CrMoR耐熱鋼。選取遠(yuǎn)離缺陷部位的火管材質(zhì)樣品，采用能譜(EDS)分析，測(cè)定了所截取管段的化學(xué)成分，并與標(biāo)準(zhǔn)GB713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》規(guī)定的15CrMoR 鋼元素組成進(jìn)行了對(duì)照。結(jié)果表明，材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)表4)。

表4 15CrMoR 成分測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比Table 4 Comparative analysis of test result and the standard chemical w，%

通過(guò)電子顯微鏡觀察管材的金相組織結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6)，結(jié)果證實(shí)，管材金相組織為珠光體+鐵素體(其中黑色為珠光體，白色為鐵素體)，滿足15CrMoR鋼熱處理工藝要求，說(shuō)明材料加工工藝正常。

圖6 15CrMoR 鋼金相組織(珠光體+鐵素體)Fig.6 Microstructure of 15CrMoR steel(pearlite+ferrite)

2.1.2 焊縫熱影響區(qū)材質(zhì)分析

對(duì)失效部位的焊縫熱影響區(qū)材質(zhì)開(kāi)展了金相組織觀察，發(fā)現(xiàn)在同樣放大倍數(shù)下(500 倍)，焊縫熱影響區(qū)的組織粗大(見(jiàn)圖7)。同時(shí)，明顯可見(jiàn)晶界裂紋(見(jiàn)圖8)。

從金相組織觀察來(lái)看，由于焊縫熱影響區(qū)金相組織粗大，同時(shí)存在殘余應(yīng)力，當(dāng)火管高溫運(yùn)行，殘余應(yīng)力釋放，位錯(cuò)和缺陷集中的晶界產(chǎn)生開(kāi)裂，造成火管最先在焊縫附近開(kāi)裂。

圖7 正常管材晶粒與焊縫熱影響區(qū)晶粒比較×500Fig.7 Grain in normal tube compared with in weld heat-affected zone

圖8 焊縫熱影響區(qū)晶界開(kāi)裂情況×2000Fig.8 Grain boundary cracking in weld heat-affected zone

2.2 腐蝕產(chǎn)物分析

通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀察火管內(nèi)壁分層脫落物，其外觀形貌呈冰糖狀(見(jiàn)圖9)，EDS 分析顯示，火管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物以Fe，O 和C 為主。

2.3 開(kāi)裂處斷口分析

觀察火管開(kāi)裂處斷口的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物與基體存在明顯分層現(xiàn)象(見(jiàn)圖10)。揭示了高溫氧化由材料表層向縱深發(fā)展的過(guò)程。同時(shí)說(shuō)明，存在與斷口截面方向相一致的交變應(yīng)力作用于失效火管上。

2.4 失效原因分析

通過(guò)對(duì)失效部位材質(zhì)、腐蝕產(chǎn)物、裂紋及斷口的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，可以推斷，加熱爐火管開(kāi)裂失效原因是:火管外壁結(jié)垢，造成內(nèi)壁熱傳遞受阻，產(chǎn)生局部過(guò)熱，在高溫氧化條件下，火管材質(zhì)發(fā)生高溫腐蝕，造成管壁減薄;同時(shí)，高溫使得組織粗大的焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生再熱裂紋，最終導(dǎo)致火管焊縫熱影響區(qū)短期內(nèi)發(fā)生開(kāi)裂失效。

圖9 火管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物SEM 形貌Fig.9 SEM morphologies of corrosion product of inner wall of fire tube

圖10 斷口處分層現(xiàn)象微觀形貌Fig.10 SEM micro-morphologies of layer phenomenon

3 討論

綜合分析認(rèn)為，三元復(fù)合驅(qū)火筒式加熱爐火管開(kāi)裂失效受以下幾個(gè)方面作用的影響。

3.1 高溫腐蝕的影響

據(jù)資料顯示［4］，當(dāng)15CrMoR 使用溫度大于550 ℃，其熱強(qiáng)性能顯著降低，金相組織將發(fā)生珠光體球化、合金元素在固溶體和碳化物間的再分配，并且其熱強(qiáng)性能和力學(xué)性能隨著珠光體球化程度和固溶體合金元素貧化程度加大而逐漸降低，以致材質(zhì)漸趨劣化甚至失效。

所以，當(dāng)三元液上返后，火管外壁結(jié)垢嚴(yán)重，造成內(nèi)壁熱傳遞受阻，溫度升高，在有氧和高溫條件下，15CrMoR 發(fā)生了高溫腐蝕。

3.2 焊接工藝的影響

金相分析發(fā)現(xiàn)，焊縫熱影響區(qū)組織粗大，存在殘余應(yīng)力。主要是焊接工藝參數(shù)不當(dāng)或者焊接后未采取消應(yīng)力退火措施。當(dāng)火管高溫運(yùn)行時(shí)，熱影響區(qū)殘余應(yīng)力釋放，位錯(cuò)和缺陷集中的晶界開(kāi)裂，產(chǎn)生再熱裂紋。

4 防護(hù)措施

為保證加熱爐安全運(yùn)行，同時(shí)避免后期發(fā)生類似情況，基于以上失效原因分析，提出如下改進(jìn)措施:

(1)改進(jìn)清垢、清淤措施。針對(duì)目前站內(nèi)聚合物泥沙淤積、堿液成垢情況，建議調(diào)整清垢、清淤周期或改進(jìn)防垢、防淤措施，避免火管外壁大量淤積三元聚合物泥沙及沉積堿垢。

(2)改善焊接工藝。為防止再熱裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)該改善焊接工藝，嚴(yán)格控制母材和焊材的合金成分，將合金元素的含量嚴(yán)格控制到最低程度;選用高溫塑性優(yōu)于母材的焊接材料;采取焊前預(yù)熱，焊后保溫緩冷措施;采用較小熱輸入的焊接工藝，減小焊接熱影響區(qū)寬度，細(xì)化金相組織。

［1］王為，郭鶴桐，高建平，等.20#鋼在三元復(fù)合驅(qū)溶液中的腐蝕行為［J］.中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，1998，18(3):203-207.

［2］何煥杰，程杰成.國(guó)內(nèi)油田三次采油聚合物驅(qū)采出液處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油煉制與化工，2002，33(9):29-32.

［3］王玉普，程杰成.三元復(fù)合驅(qū)過(guò)程中的結(jié)垢特點(diǎn)和機(jī)采方式適應(yīng)性［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，27(2):22-27.

［4］左景伊，左禹.腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)［M］，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1995:259-260.