含硫氣田凈化廠原料氣過濾分離設備腐蝕主控因素研究①

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含硫氣田凈化廠原料氣過濾分離設備腐蝕主控因素研究①

吳貴陽1陳世明2毛 汀1席紅志2閆 靜1張 強1

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠

摘要含硫氣田天然氣凈化廠原料氣過濾分離設備為關鍵設備，其腐蝕失效情況也備受關注?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，使用一段時間后，分離設備底部積液位置出現(xiàn)腐蝕層，且分離設備存在較多鼓泡。通過開展金相分析、理化性能分析及腐蝕微觀分析，確定了設備失效原因，室內(nèi)模擬現(xiàn)場條件找出腐蝕失效主控因素。結(jié)果表明，在材料力學性能、化學成分滿足標準要求的前提下，材料本身存在較多夾雜是導致設備鼓泡失效的主要原因，隨著H2S與CO2分壓比的增加，腐蝕速率增大，氫鼓泡現(xiàn)象更加嚴重。

關鍵詞含硫氣田天然氣凈化過濾分離設備腐蝕失效分析

天然氣凈化廠原料氣過濾分離設備是銜接井站與天然氣凈化系統(tǒng)的關鍵設備，特別是處理高含硫天然氣的凈化廠時，其原料氣中含H2S、CO2、水等腐蝕性介質(zhì)，分離出的污物、凝析油及化學添加劑沉積于分離設備底部，使腐蝕環(huán)境復雜多樣，設備腐蝕嚴重[1-2]。針對這一現(xiàn)象，調(diào)研了川渝氣田天然氣凈化廠原料氣過濾分離設備的腐蝕狀況，有些分離設備投入運行僅短

1凈化廠原料氣過濾分離設備失效分析

針對現(xiàn)場環(huán)境介質(zhì)及失效情況進行初步分析，擬對原料氣過濾分離設備失效原因進行金相分析、理化性能分析及腐蝕產(chǎn)物分析，判斷其失效原因，分析結(jié)果如下。

1.1　金相分析

將設備鼓包處截取長100 mm，寬20 mm的試樣，將開裂裂紋處在金相顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。從裂紋紋理推斷，可能是晶界存在偏聚有害雜質(zhì)(如S、P、As、Te、Bi等)，出現(xiàn)氫致沿晶開裂。

1.2　理化性能分析

1.2.1化學成分分析

將失效設備割取一小塊試樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1。

由表1可知，失效設備化學成分分析符合GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求。

表1 化學成分分析結(jié)果Table 1 Results of chemical composition analysis ( w/%)

1.2.2力學性能測試

失效設備截取室溫拉伸試樣，試樣尺寸為GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中規(guī)定標準試樣，在室溫條件下對材料力學性能進行測定，測定結(jié)果如表2所示。

表2 材料力學性能測試結(jié)果Table2 Testresultsofmaterialmechanicsperformance項目抗拉強度Rm/(N·mm-2)屈服強度ReL/(N·mm-2)伸長率/%試樣43632238.4GB713-2014400~520≥245≥25

由表2可知，材料力學性能符合GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》。

1.2.3鋼中夾雜物分析

將失效設備截取金相試樣并進行切割加工，試樣經(jīng)鑲嵌拋光，在金相顯微鏡下觀察，觀察結(jié)果如圖3和表3所示。

根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗方法》對試樣的夾雜物進行評級，結(jié)果見表3。其中，夾雜物分類：A為硫化物類，B為氧化鋁類，C為硅酸鹽類，D為環(huán)狀氧化物類，DS為單顆粒球狀類。由表3可知，失效設備材料中夾雜較多，主要為B類與DS類夾雜。非金屬夾雜物的含量越高，發(fā)生氫致開裂所需氫濃度的限值越小，且MnS和氧化物夾雜不利于提高抗HIC(Hydrogen Induced Cracking，氫致開裂)能力[3]。

表3 夾雜物評級Table3 Inclusionrating夾雜物ABCDDS失效設備試樣級別-3--3

1.3　腐蝕產(chǎn)物分析

將兩個分廠失效設備試樣(1#& 2#)腐蝕產(chǎn)物進行XRD分析，結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4、圖5腐蝕產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物主要為FeS、Fe(1-x)S、Fe3S4等鐵的硫化物及少量鐵的氧化物。

1.4　原料氣過濾分離設備失效原因分析

綜合以上分析，原料過濾分離設備失效原因包括H2O-H2S-CO2和材料自身夾雜。在介質(zhì)中由分子態(tài)的H2S吸附于金屬表面，經(jīng)過化學吸附分解為原子氫，氫原子進入金屬，并聚集在拉應力部位或顯微缺陷部位(析出物、夾雜物、空洞、晶界)等，促進金屬脆化開裂，其主要形式為HIC。

2原料氣過濾分離設備腐蝕影響因素分析

經(jīng)分析，設備失效原因為材料自身夾雜在含H2S環(huán)境下的開裂鼓泡，為了明確材料鼓泡的影響因素，按照現(xiàn)場水質(zhì)配水，配水組成：Na3PO439.34 mg/L， CaCl2271.56 mg/L， NaCl 172.96 mg/L，KCl 9.089 mg/L，MgCl277.26 mg/L。在溫度為40 ℃、總壓為5.5 MPa、H2S與CO2分壓之和為0.67 MPa的條件下，考察不同H2S與CO2分壓對現(xiàn)場設備材質(zhì)Q245R的影響，結(jié)果見圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，隨著H2S分壓的增大，氣液相腐蝕速率先急劇增大而后緩慢增加，且當H2S與CO2分壓比大于1時，試片表面出現(xiàn)了氫鼓泡。

此外，對Q245R材料進行氫致開裂評定，評定條件為5%(w)的NaCl、0.5%(w)的CH3COOH、25 ℃、4天，評定結(jié)果如表4及圖8、圖9所示。

表4 氫致開裂結(jié)果Table4ResultsofHydrogenInducedCracking檢測項目裂紋長度率/%裂紋厚度率/%裂紋敏感率/%測量值3.73.330.04

由表4、圖8及圖9的結(jié)果可知，材料裂紋長度率、厚度率、敏感率符合裂紋敏感率≤2%，裂紋長度率≤15%，裂紋厚度率≤5%的標準。但局部已經(jīng)出現(xiàn)鼓泡，從試后金相照片也可看出，鼓泡處周圍局部夾雜含量較高。有學者統(tǒng)計分析表明，氫鼓泡在含Ti元素的夾雜處成核的概率最大，為38%；其次為含有Al元素的夾雜物，為30%，含Si元素的夾雜物占15%[4]?？梢酝茢鄽湓诓煌瑠A雜物富集的概率不同，出現(xiàn)鼓泡的概率也不相同。局部富含成核概率越大的元素，鼓泡概率越大，從而造成局部鼓泡現(xiàn)象。

3結(jié) 論

在酸性氣田中過濾分離設備常使用Q245R材質(zhì)，在制造加工工藝過程中，該材料雖然力學性能與化學成分滿足標準要求，但因局部雜質(zhì)的存在，成為HIC起裂源，導致酸性天然氣凈化廠原料氣過濾分離設備鼓泡失效。

Q245R材料的腐蝕性能隨著H2S分壓與CO2分壓比值的增加變得更為嚴重，且局部夾雜含量較高處更易出現(xiàn)氫鼓泡。

參 考 文 獻

[1] 何金龍, 胡天友, 彭修軍. 天然氣凈化廠脫硫系統(tǒng)防腐措施研究[J]. 石油與天然氣化工, 2006, 35(2): 110-113.

[2] 楊子海, 李靜, 劉剛, 等. 川中天然氣凈化處理裝置腐蝕因素及對策分析[J]. 石油與天然氣化工, 2005, 34(5): 389-392.

[3] 尹成先, 蘭新哲, 霍春勇, 等. 影響油氣輸送管線抗HIC因素探討[J]. 焊管, 2002, 25(5): 20-23.

[4] 任學沖, 褚武揚, 李金許, 等. 夾雜對氫鼓泡形成的影響[J]. 金屬學報, 2007, 43(7): 673-677.

Study on the main corrosion controlling factors of sour natural gas filtration

and separation equipments of the purification plant for sour gas field

Wu Guiyang1, Chen Shiming2, Mao Ting1, Xi Hongzhi2, Yan Jing1, Zhang Qiang1

(1.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,

Chengdu610213,China; 2.ChongqingNaturalGasPurificationPlantGeneral,PetroChinaSouthwest

Oil&GasfieldCompany,Chongqing401220,China)

Abstract:The filtration and separation equipments are the key equipments of natural gas purification plant for sour gas field, the corrosion failure of the equipments reveives much concern. Field survey results showed that the corrosion layer appeared at the fluid position of the bottom of equipments after a period of time, and there were more bubbles at the separation device. The failure factors were ensured by metallographic analysis, physical and chemical properties analysis and corrosion microscopic analysis, and then the main corrosion control factors were founded by laboratory simulation of field. The results showed that under the premise of the material mechanical properties and chemical composition meeting the requirements of the standard, the main factor for equipment failure of bubbling was impurities in the materials. As the H2S and CO2partial pressure ratio increasing, the corrosion rate increased, and the hydrogen bubble phenomenon became more serious.

Key words:sour gas field, natural gas purification, filtration and separation equipment, corrosion, failure analysis

收稿日期：2015-09-06；編輯：溫冬云

中圖分類號：TE986

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.004

作者簡介：①吳貴陽(1987-)，男，福建泉州人，工程師，畢業(yè)于中國石油大學(華東)，現(xiàn)就職于天然氣研究院，主要從事酸性氣田腐蝕與防護方面的科研工作。E-mail:wuguiyang@petrochina.com