油田壓力容器裂紋形成原因與預防探析

朱彥彥

（大慶油田裝備制造集團容器制造分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

壓力容器在油田生產中發(fā)揮著十分重要的作用。主要用于存儲水、氣、油等介質，發(fā)揮換熱和分離等作用，分為換熱容器、分離容器和儲存容器等種類。壓力容器使用過程中，需要定期檢查，及時發(fā)現缺陷，通過有效檢查消除安全隱患，保障設備和生產線的安全運行。近年來，油田用壓力容器檢驗過程中發(fā)現較多的表面開裂現象，焊接部位出現放射性樹狀分布裂紋，嚴重時甚至出現穿透性裂紋，對生產效率和安全造成較大影響。為確保日常運轉的安全、高效，應制定完善的檢查制度，及時對壓力容器進行檢查、檢驗，查找潛在危險，制定預防和解決措施。此外，還應加大壓力容器的研究力度，從材料、特性等方面優(yōu)化抗裂紋能力，編寫維修方案，保證檢驗質量，以保障安全生產。

1 壓力容器裂紋成因

油田用壓力容器的裂紋成因主要分為因內外壓力差引起的裂紋、拉應力引起的裂紋、焊接維修導致的裂紋以及錯邊產生的裂紋。深入分析裂紋成因，從根源出發(fā)制定合理有效的預防措施，才能有效防止裂紋的形成。

1.1 內外壓力差產生的裂紋

在油氣生產過程中，壓力容器存儲的介質除了液態(tài)的油類以外，還包括氣態(tài)物質。存儲氣態(tài)物質的壓力容器會受到溫度影響而產生壓力，在環(huán)境溫度升高的情況下，氣體會出現膨脹而形成較大壓力，導致壓力容器的內壓超過外部壓力。壓力容器在長期內外壓差作用下可能會出現裂紋，形成較大的安全隱患。

1.2 拉應力產生的裂紋

油田壓力容器存儲的介質為液態(tài)物質或氣態(tài)物質的情況下，介質會對壓力容器內壁形成一定的壓力，內部表面會形成一定縱向作用力。此非橫向作用力作用在容器外部與內部通常呈現不均衡表現，存在一定的內外差異，差異值會隨著容器壁厚度的增加而加大，導致壓力容器形成外部裂紋。

1.3 應力腐蝕產生的裂紋

油田壓力容器介質內含H2S，從設備腐蝕和防腐技術方面考慮，需將其含量控制在（20～30）mg/L，而在實際生產過程中，介質H2S 含量遠超過這一數值，導致壓力容器出現裂紋，可判斷為H2S 應力腐蝕裂紋，也叫做硫裂。H2S 應力腐蝕裂紋主要是在H2S 腐蝕介質與受拉應力材料共同作用導致的脆性破壞，是一種機械和電化學復合作用造成的破壞，介質中H2S 遇到水后形成氫硫酸，隨著其中H+的電離，溶液表現為弱酸性，與壓力容器的金屬內壁反應而出現電化學腐蝕。此外，氫離子捕獲電子后成為氫原子，由于較小的直徑，可能在金屬內部擴散，在微裂紋、位錯和晶格缺陷等處聚集，使材料的脆斷性增加，H2S 應力腐蝕裂紋是腐蝕介質、拉應力、材料等多方共同作用的結果。

1.4 焊接維修導致的裂紋

油田使用的壓力容器通常為長期運行的生產設備，漫長的使用過程中會出現不同程度的損耗，甚至會發(fā)生損壞，油田企業(yè)出于成本的考慮，并不會直接更換而是采取焊接等維護、修理措施來保證壓力容器性能，延長使用壽命，但在焊接維修過程中容易產生裂紋。對相關壓力容器維修資料進行統計發(fā)現，在焊接維修的部位通常會因集中的殘余應力而導致裂紋和裂痕，這也是加大壓力容器裂紋生成風險的一個重要因素。在壓力容器的焊接維修中，一般會采取環(huán)焊接和縱焊接兩種焊接手法，不同的焊接手法會導致形成裂紋的可能性不同，也會有不同的裂紋程度，相關統計資料顯示，在壓力容器焊接維修中，相對于縱焊接，環(huán)焊接更容易出現裂紋。

1.5 錯邊現象產生的裂紋

導致壓力容器產生裂紋的因素復雜繁多。研究發(fā)現，在壓力容器生產制造過程中存在的錯邊現象很容易導致裂紋。因為壓力容器出現錯邊，加大了彎曲應力，使整體集合應力出現聚集，極大增加了壓力容器出現裂紋的可能性。

2 容易出現裂紋的部位和檢驗方法

解決壓力容器產生裂紋的問題，首先要分析容易出現裂紋的部位，再制定針對性的預防措施。應力集中部位是第一個應該關注的重點部位，如焊縫部位、明顯的焊接熱影響區(qū)；制造過程中出現相關問題并返修的部位；拼接部位；表面損壞或刮傷的部位；容器出現過泄漏的部位等。其次是關注容易發(fā)生腐蝕的部位，如壓力容器中容易留存污垢的坑、縫、孔等；介質不容易出現流動的部位；容器的底部和頂部等。

明確容易出現裂紋的部位后確定檢驗方法。常規(guī)的檢驗方法主要包括宏觀檢查、表面探傷、硬度檢查和金相檢查等方式。宏觀檢查時通過放大鏡或直接用肉眼檢查容器內部，重點檢查結構突變等可能出現應力集中的位置。表面探傷可采取磁粉探傷方式，發(fā)現裂紋后再改用射線或超聲方式復驗，再次確認。硬度檢查時，如果檢查部位的硬度高于正常值的30%，要采取其他檢查方法復驗。金相檢驗用于容易出現應力腐蝕的部位，如果組織中出現樹木根須狀或細長裂紋，則可能存在應力腐蝕裂紋。

3 預防裂紋形成的措施

3.1 及時處理發(fā)現的問題

在壓力容器檢查過程中，如果發(fā)現問題，首先了解裂紋的長度和深度，如果裂紋較為細小、輕微，可通過打磨機打磨的方式處理裂紋。如果裂紋深度較大，則需要根據實際情況制定針對性的修補措施，焊接工藝也應與設定的方案相匹配，經維修滿足正常使用需求后才能再次投入使用。

3.2 嚴控原材料和制造工藝

在壓力容器使用過程中，受壓元件是重要的影響因素，盡量不選用焊縫排布不合理和十字型焊接等結構方式。一般情況下，受壓元件首選材料應具有抗硫化物應力開裂（SCC）功能。在制造過程中，要從使用實際出發(fā)選定合理的制造方法，減少應力集中和殘余應力聚集的情況。焊接、冷處理、熱加工等制造工藝的選擇也要符合制造和使用需求。

3.3 控制壓力容器使用環(huán)境

油田壓力容器使用過程中，油氣環(huán)境中或多或少會存在硫化氫成分，在提升環(huán)境pH 值的情況下，油氣環(huán)節(jié)對SSC 的靈敏程度會大幅減少。在生產系統具有各類條件優(yōu)勢的情況下，保證生產環(huán)境可控的前提下，可通過對環(huán)境pH 值進行調節(jié)來預防和緩解SCC。第二，減少油氣中的硫化氫含量是減少裂紋的一個重要途徑，可向介質中添加緩蝕劑以減少硫元素的生產，以此減緩腐蝕速度。第三，可采取外部添加電源或陰極保護方案緩解腐蝕，如將鋁、銅等金屬物質涂抹在焊接部位。

4 結語

油田的日常生產，對壓力容器的數量和質量都提出了較高要求，壓力容器在腐蝕作用和壓力的影響下可能生成裂紋，會極大地縮短設備使用壽命。壓力容器出現裂紋可能會導致突發(fā)斷裂，影響生產效率，嚴重時還可能造成人身財產損失。因此需要相關從業(yè)人員和研究人員加大研究力度，制定合理的預防措施，保證壓力容器的安全、高效運行。