某海洋石油平臺生產(chǎn)分離器修理技術(shù)分析

儲德文 袁 陸少杰

（1.必維嘉航檢驗(yàn)技術(shù)（廣東）有限公司 上海 200001）

（2.中海石油（中國）有限公司上海分公司 上海 200001）

2020年11月,筆者單位對某海洋石油平臺的生產(chǎn)分離器進(jìn)行全面檢驗(yàn),在對其進(jìn)行內(nèi)部宏觀檢驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)該容器內(nèi)部存在多處損傷或缺陷,大致包括覆層損傷并與基層分離、內(nèi)部接管斷裂、內(nèi)部接管變形、溢流板脫落及基材表面損傷等。后使用單位委托某具備相應(yīng)設(shè)計(jì)及修理資質(zhì)的單位對該生產(chǎn)分離器進(jìn)行修理,筆者單位相關(guān)技術(shù)人員對修理過程進(jìn)行監(jiān)督見證,以保證施工過程符合方案要求,施工質(zhì)量滿足使用要求。

1 該壓力容器參數(shù)

該壓力容器制造于2014年,出廠前經(jīng)過監(jiān)檢且合格,詳細(xì)設(shè)計(jì)及制造參數(shù)見表1。

表1 生產(chǎn)分離器設(shè)計(jì)及制造參數(shù)

2 容器缺陷及產(chǎn)生原因

2.1 容器缺陷位置簡圖

現(xiàn)場根據(jù)各缺陷的具體位置情況,繪制出該容器的缺陷位置圖,如圖1所示。

圖1 容器簡圖及缺陷位置

2.2 N7接管的失效形式

從現(xiàn)場接管整體變形情況來看,優(yōu)先考慮N7接管直管段中部位置受到外力打擊作用,造成整個管段的變形,斷裂處的焊接接頭或因本身焊接質(zhì)量等問題,受力后斷裂。另從N7接管的支撐及溢流板背部的變形情況分析,溢流板上部與筒體分離后,溢流板向N7接管側(cè)傾斜,容器內(nèi)流體因使用過程中的升降壓,會對溢流板形成沖擊力,溢流板以N7接管末端管帽為支點(diǎn),向N7接管施加力,N7接管在支座約束力及該力的作用下,產(chǎn)生向下的力(N7接管制造時(shí)就存在向下彎曲的現(xiàn)象),導(dǎo)致N7管段向下變形,最終導(dǎo)致焊接接頭處開裂。

N7接管變徑段與小徑管對接接頭斷裂見圖2,N7接管變形見圖3。

圖2 N7接管斷裂圖

圖3 N7接管內(nèi)部變形情況

現(xiàn)場檢查N7接管外觀,發(fā)現(xiàn)外觀存在被壓癟的現(xiàn)象,從外壓失穩(wěn)角度考慮,根據(jù)GB/T 150—2011《壓力容器》[1]進(jìn)行計(jì)算,由SW6計(jì)算導(dǎo)出式（1）：

式中：

D0——N7接管的外直徑,mm；

δe——N7接管的有效厚度,mm；

σ0——應(yīng)力,取2[σ]t和兩者的較小值,MPa；

B——外壓應(yīng)力系數(shù),MPa；

p——許用外壓力,MPa。

根據(jù)D0/δe＜20,計(jì)算得出p≈16.6 MPa,大于該容器使用過程中的最高壓力（9.0 MPa）,故N7接管不存在失穩(wěn)情況。

2.3 溢流板脫落原因分析

溢流板與筒體覆層間為角焊縫,該焊縫位于筒體環(huán)縫的熱影響區(qū),易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力,另受拉應(yīng)力側(cè)的角焊縫焊接于環(huán)縫最后一道蓋面焊上,角焊縫高度不夠；溢流板與筒體間固定于4 mm的S31603覆層上,復(fù)層與基層間不能承受較大的拉應(yīng)力（TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定該復(fù)合界面的結(jié)合剪切強(qiáng)度不小于210 MPa[2]）作用,在長時(shí)間受到較大的流體沖擊時(shí),易造成基材與覆層間的分離；生產(chǎn)分離器進(jìn)口管線壓力p最高達(dá)到9 MPa,使用過程中存在容器內(nèi)部壓力為0 MPa和降低內(nèi)部壓力的情況,當(dāng)高速三相混合物進(jìn)入容器內(nèi)部時(shí),高速流體會對溢流板造成很大的沖擊力,從現(xiàn)場脫落的溢流板變形情況來看,溢流板是受到來自入口側(cè)的力而導(dǎo)致溢流板與筒體間連接焊縫撕裂,并造成連接的復(fù)層和基層脫離翹起。

溢流板脫落,溢流板與筒體連接處焊縫撕裂,見圖4,造成S31603覆層與基層母材分離、翹起,見圖5和圖6。

圖4 脫落后的溢流板

圖5 復(fù)層與基層剝離

圖6 內(nèi)部宏觀照片

當(dāng)容器內(nèi)部壓力為0 MPa時(shí),考慮流體流速情況有：入口管徑為152.4 mm（6"）,查詢得管線入口量為32×104m3/d（氣相）和66 m3/d（油）,現(xiàn)僅從氣相考慮,根據(jù)公式,計(jì)算知：

時(shí)間換算成s,可得v=203.47 m/s,可知進(jìn)口流速非常高,在高速混合物的作用下,溢流板受到很大的沖擊力,這應(yīng)是溢流板脫落,并與筒體分離的主要原因。

2.4 覆層翹起的基層表面存在多處損傷

從現(xiàn)場來看,考慮該處損傷為原始基材表面缺陷,是原始材料缺陷,非使用過程中形成的缺陷,是基層和復(fù)層復(fù)合前基材宏觀檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)的母材缺陷。

3 修理方案

3.1 修理方案要求

根據(jù)TSG 21—2016中第5.2條規(guī)定,修理方案應(yīng)取得原設(shè)計(jì)單位或者具備能力的設(shè)計(jì)單位書面同意。修理方案應(yīng)包含修理過程的全部要素的質(zhì)量控制,主要有焊接材料的選擇、焊接方法的選擇、缺陷消除的要求、預(yù)熱及熱處理要求、無損檢測要求、編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書依據(jù)的焊接工藝評定報(bào)告的覆蓋性、現(xiàn)場焊接人員資質(zhì)的覆蓋性等。

3.2 修理方案簡述

使用單位委托修理單位進(jìn)行修理,修理單位編制修理方案,并經(jīng)設(shè)計(jì)單位同意,現(xiàn)場依據(jù)TSG Z6002—2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》[3]中的規(guī)定對施焊人員資質(zhì)進(jìn)行審查,方案中項(xiàng)目與缺陷的對應(yīng)關(guān)系及相關(guān)的支持文件和人員資質(zhì)見表2。

表2 焊工及無損檢測人員資質(zhì)清單

3.3 修理方案的其他方面

通過對修理方案的審查,有如下信息：設(shè)計(jì)單位資質(zhì)為固定式壓力容器規(guī)則設(shè)計(jì),有效期至2024年12月26日。修理單位資質(zhì)為A1級壓力容器制造資質(zhì),有效期至2024年11月21日。修理過程中主要涉及的工具有焊機(jī)、保溫桶、焊條烘干箱、紅外線測溫儀、超聲檢測儀、電加熱帶、打磨機(jī)、不銹鋼焊條、碳鋼焊條、不銹鋼焊絲、磁選液、反差劑、滲透劑、耦合劑等。

3.4 焊接工藝評定的支持

修理方案中提供4份焊接工藝評定用以覆蓋本次焊接作業(yè)指導(dǎo)書的編制,依據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[4]及NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》[5]中相關(guān)規(guī)定要求,該4份焊接工藝評定,能滿足本次修理的焊接作業(yè)需求,見表3。

表3 用以覆蓋的焊接工藝評定清單

4 修理過程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的控制

1）覆層翹起部分的清理。為了將覆層和基層貼合率達(dá)不到要求的覆層部分徹底清除,修理單位采用超聲波直探頭從覆層翹起部分的邊緣進(jìn)行掃查,對于沒有回波或者衰減超過50%部分的覆層進(jìn)行打磨清理。

2）基層缺陷的清理。修理單位按照要求,通過打磨消除,形成的最大凹坑深度為5.0 mm,通過磁粉檢測確認(rèn)原缺陷徹底清除。

3）堆焊前的預(yù)熱。根據(jù)NB/T 47015—2011中規(guī)定,Q345R材質(zhì)在厚度大于25 mm時(shí),最低的預(yù)熱溫度為80 ℃,本次修理過程中,在對基層材料的補(bǔ)焊及基層材料表面的堆焊前,對基層材料進(jìn)行了預(yù)熱,預(yù)熱溫度為90 ℃左右。

4）焊材及焊接參數(shù)的控制?；鶎友a(bǔ)焊焊材使用CHE507R,焊接電流145 A（面層）；堆焊過渡層焊材使用CHS042R,焊接電流110 A；面層焊材使用CHS022R,焊接電流122 A；溢流板與筒體角焊縫焊材使用CHS022R,焊接電流125 A；N7接管對接接頭焊材使用CHG-316LR,焊接電流102 A。焊材使用及焊接參數(shù)滿足方案要求。

5）堆焊后的后熱處理。堆焊過程連續(xù)焊接,未中斷,堆焊完成后立即進(jìn)行后熱處理,后熱溫度250 ℃,保溫時(shí)間1 h。

6）堆焊層及不銹鋼層焊接接頭的滲透檢測。所有焊接完成后,修理單位對堆焊層表面、溢流板與筒體間角焊縫、N7接管對接接頭等進(jìn)行了滲透檢測,檢測結(jié)果未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

5 結(jié)論

1）缺陷修理過程的一般程序。工程中遇到類似的修理過程,可從原因分析、方案審查、過程實(shí)施及檢查要點(diǎn)、修理后的檢測等流程進(jìn)行壓力容器修理質(zhì)量控制工作。

2）修理方案內(nèi)容應(yīng)全面。修理過程的好壞直接影響修理后壓力容器的使用壽命,要求前期對缺陷產(chǎn)生原因的分析要到位,修理方案內(nèi)容應(yīng)考慮全面,覆蓋各個要素,并具有針對性。另外,方案應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)合理,各內(nèi)容應(yīng)具有相應(yīng)的支持性文件。

3）修理過程關(guān)鍵點(diǎn)要嚴(yán)格把控。關(guān)鍵點(diǎn)的修理質(zhì)量直接影響整個修理過程質(zhì)量,對修理方案中明確的關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn),要嚴(yán)格按照方案要求進(jìn)行質(zhì)量把控。

6 相關(guān)建議

1）優(yōu)化容器結(jié)構(gòu)、全面考慮容器內(nèi)的工況。從溢流板的變形情況來看,該容器的溢流板在使用過程中受到力的作用,導(dǎo)致溢流板向一側(cè)變形,但考慮溢流板兩側(cè)無密閉空間,應(yīng)無壓力差,故從設(shè)計(jì)角度應(yīng)考慮容器內(nèi)部的具體工況,改善設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；溢流板脫落造成油水分離困難,而造成脫落的原因應(yīng)考慮溢流板與筒體間的焊接接頭,該焊接接頭承受剪切能力差,應(yīng)考慮加強(qiáng)支撐或者溢流板焊接與基材等結(jié)構(gòu)。

2）使用過程中加強(qiáng)內(nèi)部定期檢驗(yàn)。本次修理完成后,建議使用單位在后續(xù)生產(chǎn)過程中,提前做好開罐檢驗(yàn)計(jì)劃,以便提前發(fā)現(xiàn)后續(xù)生產(chǎn)中可能產(chǎn)生的新缺陷或損傷；使用過程中應(yīng)加強(qiáng)對該容器本體及生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測,如發(fā)現(xiàn)本體有異常或產(chǎn)品不合格（如油水分離不合格、液位計(jì)指示異常）,應(yīng)停止使用并查明原因。