濕H2S環(huán)境下某氣田高壓壓縮機(jī)橇選材設(shè)計(jì)

張?zhí)?孟嘉巖,常城,張旭,陳希

(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300452;2.中國石油(中國)有限公司天津分公司,天津 300450)

腐蝕會(huì)給海洋平臺(tái)的生產(chǎn)與運(yùn)行均造成巨大的損失;據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國每年由腐蝕導(dǎo)致的損失達(dá)5 000億元,這還不包括礦山、冶金、造紙等行業(yè)以及合資、民營企業(yè)的腐蝕損失。愈加苛刻的環(huán)境也促使相關(guān)人員謹(jǐn)慎選材,合理選材[1-2]。

往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)橇作為海洋石油平臺(tái)天然氣處理的核心設(shè)備同樣被應(yīng)用于某氣田的增壓平臺(tái)上,壓縮機(jī)橇主要包括壓縮機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、脈動(dòng)抑制裝置和其他輔助設(shè)備。在壓縮機(jī)橇中,因?yàn)闅怏w壓力、溫度在每個(gè)階段均會(huì)發(fā)生一定程度的變化,這種變化對于材料的力學(xué)性能、防腐性能及耗材成本均具有不同的要求,因此壓縮機(jī)橇的選材也要更加細(xì)致,尤其當(dāng)氣體中含H2S和二氧化碳CO2時(shí),無論是含量還是壓力均對選材造成了一定的困難,同時(shí)也是影響海洋工程設(shè)計(jì)效率及材料采辦的重要因素之一[3-4]。

通過ECE5.5軟件模擬某氣田新建的平臺(tái)上壓縮機(jī)的實(shí)際工況條件計(jì)算碳鋼腐蝕速率,綜合考慮了防腐、磅級壓力及成本問題,從腐蝕機(jī)理到選材的原則和方案給出了一定的選材結(jié)果,為海上氣田平臺(tái)壓縮機(jī)橇的腐蝕防護(hù)和設(shè)計(jì)選材提供借鑒。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、車間制造水平施工難易程度及壓力變化等方面,通過對比優(yōu)化方案。

1 研究方法

由于天然氣的壓縮過程中溫度和壓力變化范圍較大,會(huì)造成管道內(nèi)流態(tài)的變化,從而對整個(gè)管道的腐蝕速率產(chǎn)生很大的影響。因此,研究不同流態(tài)下管道的內(nèi)腐蝕預(yù)測模型將會(huì)非常的有必要,這對工程實(shí)際應(yīng)用將具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

基于DeWaard模型建立的ECE模型,考慮了H2S和有機(jī)酸對腐蝕速率的影響。該模型基于水化學(xué)和流體中的碳酸氫含量求解pH值,且合理地考慮了HCO3-對pH值的影響。同時(shí)該模型考慮了含水率和流速的影響,該模型能很好地計(jì)算出CO2+H2S環(huán)境中管線的腐蝕速率,有助于更加合理地選材。采取ECE模型模擬管線腐蝕速率。

2 選材依據(jù)與原則

對于H2S腐蝕[3-4],最大的危險(xiǎn)不在于失重腐蝕,而是管線的抗應(yīng)力腐蝕能力和滲氫引發(fā)的氫致開裂,因此在選材時(shí)要考慮材料的抗開裂性能。對于CO2腐蝕[5-7],則更重要的是考慮其均勻失重腐蝕。

對含H2S天然氣壓縮機(jī)橇內(nèi)壓力容器和管線,美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)NACE MR 0175/ISO 15156 《石油和天然氣工業(yè)—用于H2S環(huán)境的材料》標(biāo)準(zhǔn)給出了一定的選材參考。整體來講,ISO 15156標(biāo)準(zhǔn)第二部分指出,用于SSC1區(qū)的管線鋼,最低屈服強(qiáng)度可達(dá)550 MPa,焊縫硬度不宜大于300 HV;用于SSC2區(qū)的管線鋼,最低屈服強(qiáng)度達(dá)450 MPa可以接受,焊縫硬度不大于280 HV;用于SSC3區(qū)的管線鋼,焊縫強(qiáng)度不應(yīng)大于22 HRC。碳鋼和低合金鋼可以有效地抗SSC斷裂,其中規(guī)定鋼材的硬度極限為22 HRC或者250 HV;ISO 15156標(biāo)準(zhǔn)第二部分耐蝕合金和其他合金部分中的描述,鎳基合金系列、鈷基合金和鈦合金系列等有著良好抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、電化學(xué)腐蝕以及元素硫腐蝕的性能,大多數(shù)合金在該氣田壓縮機(jī)橇內(nèi)最大操作溫度均可使用,其中以鎳基合金的應(yīng)用較為廣泛,價(jià)格相對其他兩種較便宜。ISO 21457《石油,石化和天然氣工業(yè).石油和天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)的材料選擇和腐蝕控制》標(biāo)準(zhǔn)給出了部分合金在海洋環(huán)境中使用的極限溫度,如表1所示。

表1 ISO 21457規(guī)定的海洋環(huán)境中使用裸露的抗腐蝕合金的極限溫度

根據(jù)NACE MR0175/ISO15156標(biāo)準(zhǔn)中壓力容器用抗開裂鋼板選材和GB/T 150壓力容器標(biāo)準(zhǔn)文件可以選用適合該氣田壓縮機(jī)橇內(nèi)的壓力容器選材,能夠使用的選材有碳鋼系列Q235B和Q235C,低合金鋼系列Q245R、Q345R和高合金鋼系列鋼板。其中Q235B和Q235C控制硫含量不高于0.01%,磷含量不高于0.035%,且應(yīng)對鋼板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)、冷彎實(shí)驗(yàn),用于容器鋼材的鋼板厚度不大于16 mm,用于受壓元件其厚度分別不大于30 mm和40 mm。Q245R、Q345R鋼板應(yīng)符合GB/T 713《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求,對于Q245R、Q345R鋼板應(yīng)沿寬度方向進(jìn)行硬度檢測,均不應(yīng)大于200 HBW,應(yīng)該對其進(jìn)行化學(xué)成分分析,符合表2所示。

表2 Q245R、Q345R化學(xué)成分

3 壓縮機(jī)橇腐蝕速率計(jì)算及選材方法

某氣田屬于H2S + CO2共存特性,依據(jù)行業(yè)規(guī)范[8]NACE MR0175/ISO15156,普通碳鋼管材發(fā)生開裂的H2S臨界分壓為0.3 kPa,而壓縮機(jī)橇管道因?yàn)闅怏w壓縮過程中溫度、壓力的變化,每部分管道所處的環(huán)境因素有所變化,而雙相鋼、碳鋼等材質(zhì)的經(jīng)濟(jì)成本相差較大,因此針對壓縮機(jī)橇管道選材,采取分段選材。首先根據(jù)選材需要,將三級壓縮機(jī)所有管道及設(shè)備進(jìn)行分段管理,如圖1所示;表3為壓縮機(jī)橇內(nèi)各段組分含量及溫度、壓力圖。

圖1 壓縮機(jī)橇分段圖

表3 該氣田壓縮機(jī)橇內(nèi)物熱平衡表

根據(jù)壓縮機(jī)橇內(nèi)各段組分含量及溫度、壓力圖,計(jì)算H2S、CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù),運(yùn)用ECE 5.5計(jì)算碳鋼的腐蝕速率,計(jì)算過程中的水含量為0.10 Sm3/d;受限于ECE 5.5軟件,輸入的最大壓力為41.4 MPaA,這可能導(dǎo)致計(jì)算出的腐蝕速率低于碳鋼在此環(huán)境下真實(shí)的腐蝕速率;同樣ECE 5.5中并未考慮少量H2S帶來的腐蝕抑制作用,因此可以借鑒其計(jì)算結(jié)果。軟件計(jì)算出的腐蝕速率如表3所示。

基于目前國際上成熟的H2S + CO2共存介質(zhì)工況下管線防腐選材評估標(biāo)準(zhǔn),對于某氣田壓縮機(jī)橇部分管道而言,CO2分壓遠(yuǎn)大于20 kPa,大部分管線H2S分壓小于0.3 kPa,顯然碳鋼、不銹鋼和雙相鋼均可滿足抗SCC開裂要求。316L在海洋環(huán)境中推薦使用的溫度不可超過60 ℃;超級雙相鋼會(huì)大大增加管線應(yīng)用成本;碳鋼則需要進(jìn)行局部腐蝕的預(yù)防與檢測。有研究表明[9],流花16-2油氣田屬于高溫高氯高CO2環(huán)境,極端操作溫度為110 ℃,大于該氣田壓縮機(jī)橇的最高溫度95 ℃。根據(jù)以往的油氣田實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[10],超級雙相鋼和碳鋼加內(nèi)防腐涂層可以有效抵制CO2腐蝕帶來的局部腐蝕及點(diǎn)蝕風(fēng)險(xiǎn)。

4 某氣田壓縮機(jī)橇選材

依據(jù)NACE MR0175/ISO15156,碳鋼、316L奧氏體不銹鋼、13Cr馬氏體不銹鋼,雙相鋼等合金鋼均可以滿足某氣田壓縮機(jī)橇管道的抗H2S腐蝕開裂要求,碳鋼在應(yīng)用時(shí)對所選碳鋼應(yīng)考慮SOHIC、SWC的可能性,并對焊縫進(jìn)行硬度測試,規(guī)定其不能超過22 HRC。另外根據(jù)設(shè)計(jì)壽命30年,結(jié)合軟件ECE5.5模擬工況條件計(jì)算出的腐蝕速率,計(jì)算出的碳鋼的腐蝕裕量如表3所示,從表中可以看出,大部分碳鋼管線的腐蝕裕量均不超過3 mm,下文選材所用碳鋼的腐蝕裕量均為3 mm。各個(gè)分段管線的相關(guān)可能的選材如下:

對于管線1到管線8,其H2S分壓均小于0.3 kPa,因此只需要考慮CO2腐蝕的影響,不必考慮開裂性能。對于管線1到管線4,即處于一級壓縮之前的管線,溫度低于60 ℃,因此主要考慮CO2的全面腐蝕,合理的腐蝕裕量及普通的防腐涂層的碳鋼則可以滿足要求,但是應(yīng)考慮碳鋼發(fā)生SOHIC、SWC的可能性;對于管線5,因一級壓縮導(dǎo)致其工況溫度高達(dá)95 ℃,發(fā)生局部腐蝕及點(diǎn)蝕的風(fēng)險(xiǎn)較大,需經(jīng)常對這段管線進(jìn)行合理的腐蝕監(jiān)測。碳鋼加內(nèi)防腐涂層可以有效預(yù)防局部腐蝕帶來的風(fēng)險(xiǎn),也可采用雙相鋼預(yù)防點(diǎn)蝕的發(fā)生。

對于管線9到管線12,其H2S分壓均大于0.3 kPa,需考慮H2S應(yīng)力腐蝕開裂。根據(jù)NACE MR0175/ISO15156,結(jié)合某氣田環(huán)境,推出其位于SCC 2區(qū)域。根據(jù)ISO 15156給出的選材標(biāo)準(zhǔn),碳鋼和合金鋼均可以滿足要求。但是對于此部分碳鋼,允許碳鋼最大的硬度值為250 HV或22 HRC,且對焊縫要進(jìn)行SCC評定試驗(yàn)。

對于管線13和管線14,盡管碳鋼的腐蝕速率較低,由于氣體壓縮后的高強(qiáng)壓及較大的流速,碳鋼的強(qiáng)度較大,則需要較厚的壁厚防止其開裂,太大的壁厚造成施工困難且焊接及安裝不易,因此對于本部分管線,采用雙相鋼可以防止其開裂。

對于壓縮機(jī)橇內(nèi)的1級,2級,3級洗滌罐,其操作溫度分別為39,45,45 ℃,壓力為最低為6～7.5 MPa,最高為27 MPa,推薦的設(shè)計(jì)壓力最高達(dá)30 MPa,盡管Q235B和Q235C在該溫度下的許用壓力足夠。GB 150.2標(biāo)準(zhǔn)材料部分和ISO 15156第二部分規(guī)定Q235B和Q235C作為容器外殼的設(shè)計(jì)壓力須分別小于等于1.6 MPa和2.5 MPa,因此Q235B和Q235C不適用于洗滌罐設(shè)計(jì)選材。因此對于洗滌罐,Q245R和Q345R鋼板則是比較合適的殼體選材。

針對高壓工藝氣體冷卻工況下?lián)Q熱器安全可靠運(yùn)行需求,同時(shí)考慮橇塊緊湊度,壓縮機(jī)級間冷卻器采用PCHE印刷板式換熱器,同時(shí)采用閉式循環(huán)淡水?？紤]到壓力較高且須考慮H2S腐蝕開裂及高分壓CO2,換熱器芯體材料采用可雙相不銹鋼,其它與所連接的管線材質(zhì)保持一樣即可。

5 田壓縮機(jī)橇選材方案對比

關(guān)于該氣田壓縮機(jī)橇內(nèi)管線防腐選材方案優(yōu)缺點(diǎn)如下:

方案1:碳鋼+腐蝕裕量:

根據(jù)NACE MR0175/ISO15156要求,結(jié)合車間常用管材,可以采用ASTM A106-B無縫鋼管加腐蝕裕量3 mm,其優(yōu)點(diǎn)在于碳鋼造價(jià)低廉,成本較低;可焊可焊性能較好,技術(shù)比較成熟;

但是其缺點(diǎn)要避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂,尤其是焊縫區(qū)域,且對S等有害元素要進(jìn)行嚴(yán)格限定,規(guī)定S含量不應(yīng)大于0.003%和0.01%,Ni元素含量小于1%,控制材料的硬度不超過HRC 22,還要進(jìn)行SSC、HIC試驗(yàn)評價(jià)。因?yàn)楹休^高分壓的CO2,溫度在80～100 ℃的管線,可能會(huì)引發(fā)較為嚴(yán)重的局部腐蝕造成穿孔現(xiàn)象;13、14管線因?yàn)槠鋲毫Φ燃壧?碳鋼則需要過大壁厚,難以生產(chǎn)制造。方案2:碳鋼+緩蝕劑內(nèi)防腐涂層:

和方案1一樣,可以采用ASTM A106-B無縫鋼管加腐蝕裕量3 mm和內(nèi)防腐涂層,可以大大節(jié)約成本,因?yàn)榫徫g劑涂層已在大量的輸氣管線中有所應(yīng)用,因此其抗開裂和抗腐蝕能力均會(huì)有所借鑒與提升;可以有所預(yù)防5、9管線可能出現(xiàn)的腐蝕穿孔現(xiàn)象。

缺點(diǎn)在于目前應(yīng)用較為成功的都是長輸管道,壓縮機(jī)橇內(nèi)管線交織錯(cuò)雜,焊縫較為密集,管線相比較短,因此內(nèi)防腐緩蝕劑涂層在工藝上難以實(shí)現(xiàn)且不能解決13、14管線壓力磅級等級過高造成的大壁厚管線生產(chǎn)問題。

方案3:奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼:

根據(jù)ISO 15156標(biāo)準(zhǔn)第三部分,結(jié)合車間常用管材,316L管線也可以滿足抗H2S腐蝕開裂要求,即使有Cl—存在,316L中的Mo元素在一定程度上耐點(diǎn)蝕,具有較強(qiáng)的耐蝕性;缺點(diǎn)在于相比碳鋼,316L造價(jià)較高,成本較高,且316L在海洋環(huán)境中使用的溫度極限在50～60 ℃,5、9、13、14管線不適用316L。而超級13Cr鋼材價(jià)格較高,且缺乏海洋油氣工業(yè)長期應(yīng)用,且采購較為困難,影響工期。

方案4:雙相不銹鋼:

根據(jù)NACE MR0175/ISO15156要求,22%鉻雙相(奧氏體/鐵素體)鋼2205,具有中等強(qiáng)度至高強(qiáng)度,可以滿足管線13、14的磅級壓力,并且具有良好的抗普通腐蝕、抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力,重量較輕,可焊性良好,可與碳鋼等異種焊接,很大程度地節(jié)省車間施工的人力、物力;但是造價(jià)非常高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳鋼。

關(guān)于某氣田壓縮機(jī)橇內(nèi)壓力容器選材方案優(yōu)缺點(diǎn)如下:

針對洗滌罐的選材Q245R和Q345R均能滿足其選材要求。選用Q345R的缺點(diǎn)在于因?yàn)槠銶n含量較高,使得其碳當(dāng)量相比Q245R較高,Q345R缺口的開裂敏感性較高,疲勞強(qiáng)度低,焊接時(shí)更容易產(chǎn)生裂紋,抗?jié)馠2S應(yīng)力腐蝕不如Q245R;優(yōu)點(diǎn)在于其強(qiáng)度更高,材料的需用壓力更大。選用Q245R的優(yōu)點(diǎn)在于其具有更好的抗?jié)馠2S應(yīng)力腐蝕的性能,且價(jià)格相比Q345R,其價(jià)格更低,經(jīng)濟(jì)型較高。

6 氣田壓縮機(jī)橇選材方案推薦

關(guān)于該氣田壓縮機(jī)橇內(nèi)選材方案主要如下:

通過以上材料、方案對比,結(jié)合車間施工具體水平,推薦該氣田高壓壓縮機(jī)橇內(nèi)管線的腐蝕材料選擇如表4所示。

表4 該氣田壓縮機(jī)橇內(nèi)管線推薦的選材方案

7 結(jié)論

對于濕H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)境中的選材,抗SSC性能成為最需考慮的要素。根據(jù)NACE MR0175/ISO15156,結(jié)合渤中環(huán)境,碳鋼、合金鋼及雙相鋼均可以抗開裂,考慮到經(jīng)濟(jì)成本,碳鋼加腐蝕裕量成為最佳選擇;考慮到壓力等級,可以在三級壓縮階段的管線采用DSS雙相不銹鋼。碳鋼的抗開裂性能基本取決于鋼材本身的特性與焊縫的性能。因此對于鋼材的預(yù)制與采購,需嚴(yán)格控制其化學(xué)成分、冶煉方法、焊縫殘余應(yīng)力消除及SCC試驗(yàn),降低材料的強(qiáng)度和硬度,具有良好的延展性,從而保證材料在進(jìn)行后續(xù)的抗SSC試驗(yàn)時(shí)符合相關(guān)的評定要求;同時(shí)在高溫高CO2環(huán)境下,要盡可能地監(jiān)測與預(yù)防局部腐蝕及點(diǎn)蝕帶來的風(fēng)險(xiǎn),如管線5和9。另外在選材時(shí)綜合考慮經(jīng)濟(jì)及壓力等級的影響,本文中對于13和14,盡管計(jì)算出的碳鋼具有較低的腐蝕速率,但是高的磅級壓力對材料強(qiáng)度則有很大的要求,大壁厚難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn),因此對于三級壓縮管線13和14,雙相鋼則成為本部分管線的最佳選擇。針對不同情況對管線采取了最為優(yōu)異的選材方案,節(jié)約了成本,符合了車間施工狀況,在選材方面具有較好的借鑒性。