臥式雙筒分離器下筒腐蝕及對策

何茂林,董艷國,張新友

(西安長慶科技工程有限責任公司,陜西 西安 710000)

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臥式雙筒分離器下筒腐蝕及對策

何茂林,董艷國,張新友

(西安長慶科技工程有限責任公司,陜西 西安 710000)

中國石油天然氣股份有限公司長慶氣田分公司某采氣廠4臺臥式雙筒分離器下筒為儲液區(qū), 均采用碳素鋼腐蝕較為嚴重,腐蝕速率平均達1.7～2.3 mm/a，實際運行壽命僅為設計約定壽命的五分之一.在Cl-,H2S和CO2的聯(lián)合作用以及pH值偏低的情況下，分離器的下筒采用碳鋼且內(nèi)壁不防腐的做法需要慎重。提出從涂層、襯里、犧牲陽極、復合以及直接采用高合金等方面措施，并從設備制造、防腐施工、現(xiàn)場運行、定期檢驗及建設成本等方面進行了對比。從設計、材料、制造以及運行綜合考慮，并加大現(xiàn)場檢測，才能保證設備在壽命期內(nèi)安全運行。

雙筒分離器 下筒 腐蝕 對策及措施

1 概 況

在中國石油天然氣股份有限公司長慶氣田分公司的天然氣集氣中，為了快速分離來自井下天然氣中的液相，流程設置了氣液分離環(huán)節(jié)，氣液分離是采用臥式雙筒分離器(結(jié)構(gòu)見圖1)，上筒為分離區(qū)，下筒為儲液區(qū)。該采氣廠于2012-2013年前后，在3個集氣站投產(chǎn)了這種結(jié)構(gòu)的分離器共4臺，2015年的定期檢查中發(fā)現(xiàn)這4臺分離器的下筒出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，其腐蝕速率平均達1.7～2.3 mm/a，設計約定的腐蝕裕量已全部腐蝕完，設備的安全狀況等級定為5級，實際運行壽命僅為設計約定壽命的五分之一。原設計中H2S質(zhì)量分數(shù)為1%，CO2質(zhì)量分數(shù)為2.5%，沒有礦化度影響；考慮存在濕H2S環(huán)境下的應力腐蝕問題，設計的上筒材料采用Q245R，下筒材料采用的20號鋼，規(guī)格為φ377 mm×16 mm；制造中控制了焊材的Mn和Ni含量，增加了消除殘余應力熱處理，鋼板進行了逐張超聲波檢測，鋼管進行了100%超聲波檢測，并增加了-20 ℃的沖擊要求。所有這些做法對防止?jié)馠2S環(huán)境下的應力腐蝕應該是有效的。從現(xiàn)場檢測圖片的腐蝕形貌看，不屬于硫化物應力腐蝕范疇。

圖1 臥式雙筒分離器結(jié)構(gòu)

2 腐蝕現(xiàn)狀

該采氣廠4臺出現(xiàn)腐蝕問題的雙筒分離器分布情況：13集氣站2臺，18集氣站1臺，21集氣站1臺。專業(yè)檢測單位依據(jù)TSG R7001—2013 《壓力容器定期檢驗規(guī)則》要求，對4臺雙筒分離器進行了檢驗，并出具了《壓力容器定期檢查結(jié)論報告》。從報告得知，雙筒分離器的上筒沒有腐蝕，腐蝕集中在儲存液相的下筒，下筒的減薄率在24%～34%，腐蝕速率達到1.7～2.3 mm/a，安全狀況等級均被定為5級。3個集氣站的4臺設備下筒的腐蝕形貌基本類似，代表性的形貌見圖2。

圖2 集氣站腐蝕形貌

該廠對這3個站的有害介質(zhì)進行了檢測，有害介質(zhì)含量和pH值情況見表1。

表1 各站場有害介質(zhì)含量和pH值情況

3 腐蝕原因分析

從表1可以看出，3個集氣站的H2S較設計控制值低得多，CO2的含量較設計高得多，Cl-的質(zhì)量分數(shù)超過了4%[1]。三個站H2S和CO2存在不同程度變化，雖然水相中出現(xiàn)了Cl-，但腐蝕結(jié)果和壁厚的減薄程度基本是一致，說明這些量的變化不是影響腐蝕破壞的主要原因，它們應該有一個腐蝕門檻值，在這個值以內(nèi)有影響，超出這個值影響不大。從腐蝕坑的形貌看，是全面腐蝕的局部表現(xiàn)，而這種局部腐蝕是由于材料本身冶煉引起的不均勻性所致，這是碳素鋼點腐蝕的典型特征[2]。

由于H2S和CO2溶入采出水中，失效模式應為Cl-,H2S和CO2的聯(lián)合腐蝕失效。

顯然，在Cl-，H2S以及CO2的聯(lián)合作用下，加之pH值偏低，分離器的下筒采用碳素鋼且內(nèi)壁不設防護的做法需要慎重。

4 解決措施

按照SY/T0599—2006 《天然氣地面設施抗硫化物應力開裂和抗應力腐蝕開裂的金屬材料要求》和HG/T20581—2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》要求，在濕H2S和CO2環(huán)境中，主要限制材料的屈服極限和硬度，一般選用中低強度材料，控制好碳當量以及主材和焊材的Mn,Ni含量，并依據(jù)SSC酸性環(huán)境的嚴重程度從工藝的角度增加必要的熱處理. 對于低合金鋼和碳素鋼 Cl-產(chǎn)生局部腐蝕，當液相中Cl-質(zhì)量濃度超過5 000 mg/L時，20號鋼的腐蝕速率達1.85 mm/a[3]。

以上三個集氣站4臺分離器的下筒均處于Cl-，H2S和CO2的聯(lián)合腐蝕環(huán)境，其腐蝕后果較單一Cl-為主導的應力腐蝕-腐蝕，不是硫化物和二氧化碳引起的腐蝕。

Cl-引起的應力腐蝕，目前最有效的做法是采用耐點蝕能力的高合金鋼，而高合金的耐點蝕指標的體現(xiàn)，主要由化學元素Cr，Mo和N[4]組成。具有這些元素的高合金鋼以雙相鋼和奧氏體不銹鋼的組織形態(tài)出現(xiàn)，高合金中Mo元素是主要抗點蝕的元素，當Mo元素大于2，且耐點蝕指數(shù)大于23時，就具有一定的抵抗Cl-能力；當耐點蝕指數(shù)大于39時，可以完全阻斷Cl-的點蝕。

通過分析，對雙筒分離器下筒提出以下對策和措施。

(1)碳素鋼+內(nèi)涂層。涂料采用環(huán)氧玻璃纖維，要求下筒內(nèi)壁除銹潔度達Sa2.5級，涂料與金屬應結(jié)合牢固。但因下筒的直徑較小和長度原因，較難實現(xiàn)。(2)碳素鋼+內(nèi)襯PVC。下筒左側(cè)封頭改為平封頭。PVC內(nèi)襯管的厚度不小于3 mm，PVC材料采用耐酸性配方。但接管與下筒連接處附近無法處理，實施有難度。(3)碳素鋼+犧牲陽極?？紤]陽極塊可能與H2S和CO2發(fā)生化學反應，宜采用外加電流配以陽極棒方式，在雙筒分離器下筒開設陽極棒接口，采用法蘭連接。陽極棒消耗完了，可以方便更換。但在設備壽命期內(nèi)需加大跟蹤監(jiān)測，最好每年開罐檢測。(4)基材+金屬復材。基材采用20號鋼，金屬復材采用含Mo質(zhì)量分數(shù)2%以上的高合金。因存在基層、過渡層和復層焊接，焊接要求高，應加強過程檢驗。焊接過程中可能還存在碳轉(zhuǎn)移，影響設備壽命，控制難度高。(5)全部采用高合金。下筒及連接接管都采用高合金，可以簡化制造，保證壽命要求，但需要考慮壽命和成本之間的關系。通過耐點蝕指數(shù)，在奧氏體和雙相鋼之間考慮，選擇順序(由差到好)如下：

①奧氏體不銹鋼材料建議選擇順序：S31603(022Cr17Ni14Mo2) 耐點蝕指數(shù)23.6；S31703(022Cr19Ni13Mo3) 耐點蝕指數(shù)28.9；S39042(或015Cr21Ni26Mo5Cu2) 耐點蝕指數(shù)為37.5。②雙相鋼材料建議選擇順序：S21953(022Cr19Ni5Mo3N) 耐點蝕指數(shù)為30.26；S22253(022Cr22Ni5Mo3N) 耐點蝕指數(shù)為34.14；S22053(或022Cr23Ni5Mo3N)耐點蝕指數(shù)為35.62。

針對雙筒分離器下筒，提出了包括涂料、襯里、犧牲陽極、復合以及直接采用高合金等措施，實際采用中，應從設備壽命、經(jīng)濟性、維護管理等多方面對比擇優(yōu)。采用高合金的措施實現(xiàn)度和壽命保證應該是最好的，但成本可能是最高的。

對于H2S,CO2和Cl-聯(lián)合腐蝕的情況，還應采取以下措施：降低設計應力，避免結(jié)構(gòu)不連續(xù)；優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，避免容器內(nèi)部存在死角、進出口存在沖刷和機械沉積物淤積，設備內(nèi)壁應避免異種鋼的焊接，以減緩局部腐蝕速率；材料的碳當量和冷裂紋指數(shù)是碳鋼和低合金鋼須控制的重要指標，應要求碳當量小于0.43、冷裂紋指數(shù)小于0.25，控制金屬化學成分、組織和硬度；提高制造水平，盡量消除錯邊量、咬邊等缺陷，降低焊接接頭殘余應力；增加去應力熱處理，應限制焊縫硬度小于220HB，不能熱處理的應限制硬度小于185HB；嚴禁強力組裝。改善腐蝕環(huán)境，運行中加入緩蝕中和劑。同時按照TSG R7001—2013 《壓力容器定期檢驗規(guī)則》進行每年開罐檢查。

5 結(jié) 論

(1) 在Cl-,H2S以及CO2的聯(lián)合作用下，由于pH值偏低，分離器的下筒采用碳素鋼且內(nèi)壁不設防護的做法需要慎重。

(2) 雙筒分離器下筒，采用涂層、襯里、犧牲陽極、復合還是直接采用高合金，需要綜合設備壽命、經(jīng)濟性、維護管理等多方面對比擇優(yōu)，采取合理的方法。

(3) 只有從設計、材料、制造以及運行綜合考慮，并加大現(xiàn)場檢測，才能保證設備在壽命期內(nèi)安全運行。

[1] 蘇俊華，張學元，王風平.高礦化度介質(zhì)中二氧化碳腐蝕金屬的規(guī)律[J].材料保護，1998,31(11):21-23.

[2] 黃健中，左禹.材料的腐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003:72-81.

[3] 馬欣.金屬在含氯離子水介質(zhì)中的腐蝕行為[J].石油化工腐蝕與防護，2005，22(5)：5-9.

[4] 盧日時,李剛.316、317不銹鋼耐氯離子腐蝕能力淺析[J].機械工程師，2013(6):246-248.

(編輯 王菁輝)

Corrosion of Horizontal Double-drum Separator and Countermeasures

HeMaolin,DongYanguo,ZhangXinyou

(Xi’anChangqingTechnologyEngineeringCo.,Ltd.,Xi’an710000,China)

The under drums of 4 horizontal double-drum separators in a gas plant of Changqing Gas Field are the drums for liquid storage. These drums which are fabricated with carbon steel suffered from serious corrosion, and the average corrosion rate was 1.7～2.3 mm/yr. The operating life is only 1/5 of design. Under the combination effect of Cl-, H2S, CO2and at the condition of lower pH, it is not a good practice to use carbon steel for the under drum and provide no corrosion protection. Corrosion protection measures like application of coating, lining and high alloy material have been proposed and compared in respect of equipment fabrication, corrosion construction, site operation, scheduled inspection and construction costs, etc. Design, material, fabrication, operation and site testing must be fully considered to ensure the safe operation of equipment in its service life.

double-drum separator, under drum, corrosion, countermeasure

2016-04-06；修改稿收到日期：2016-05-03。

何茂林(1958-)，教授級高級工程師，博士，從事油田設備開發(fā)工作。E-mail:hml01@126.com