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含硫氣田凈化廠原料氣過(guò)濾分離設(shè)備腐蝕主控因素研究①

吳貴陽(yáng)1陳世明2毛 汀1席紅志2閆 靜1張 強(qiáng)1

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國(guó)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(guò)濾分離設(shè)備為關(guān)鍵設(shè)備，其腐蝕失效情況也備受關(guān)注?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，使用一段時(shí)間后，分離設(shè)備底部積液位置出現(xiàn)腐蝕層，且分離設(shè)備存在較多鼓泡。通過(guò)開(kāi)展金相分析、理化性能分析及腐蝕微觀分析，確定了設(shè)備失效原因，室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)條件找出腐蝕失效主控因素。結(jié)果表明，在材料力學(xué)性能、化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，材料本身存在較多夾雜是導(dǎo)致設(shè)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(yán)重。

關(guān)鍵詞含硫氣田天然氣凈化過(guò)濾分離設(shè)備腐蝕失效分析

天然氣凈化廠原料氣過(guò)濾分離設(shè)備是銜接井站與天然氣凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，特別是處理高含硫天然氣的凈化廠時(shí)，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(xué)添加劑沉積于分離設(shè)備底部，使腐蝕環(huán)境復(fù)雜多樣，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重[1-2]。針對(duì)這一現(xiàn)象，調(diào)研了川渝氣田天然氣凈化廠原料氣過(guò)濾分離設(shè)備的腐蝕狀況，有些分離設(shè)備投入運(yùn)行僅短

1凈化廠原料氣過(guò)濾分離設(shè)備失效分析

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境介質(zhì)及失效情況進(jìn)行初步分析，擬對(duì)原料氣過(guò)濾分離設(shè)備失效原因進(jìn)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(shè)備鼓包處截取長(zhǎng)100 mm，寬20 mm的試樣，將開(kāi)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(kāi)裂。

1.2　理化性能分析

1.2.1化學(xué)成分分析

將失效設(shè)備割取一小塊試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，失效設(shè)備化學(xué)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(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Results of chemical composition analysis ( w/%)

1.2.2力學(xué)性能測(cè)試

失效設(shè)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(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試樣，在室溫條件下對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table2 Testresultsofmaterialmechanicsperformance項(xiàng)目抗拉強(qiáng)度Rm/(N·mm-2)屈服強(qiáng)度ReL/(N·mm-2)伸長(zhǎng)率/%試樣43632238.4GB713-2014400~520≥245≥25

由表2可知，材料力學(xué)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(shè)備截取金相試樣并進(jìn)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(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)方法》對(duì)試樣的夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果見(jiàn)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(shè)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(kāi)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(kāi)裂)能力[3]。

表3 夾雜物評(píng)級(jí)Table3 Inclusionrating夾雜物ABCDDS失效設(shè)備試樣級(jí)別-3--3

1.3　腐蝕產(chǎn)物分析

將兩個(gè)分廠失效設(shè)備試樣(1#& 2#)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)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(guò)濾分離設(shè)備失效原因分析

綜合以上分析，原料過(guò)濾分離設(shè)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(guò)化學(xué)吸附分解為原子氫，氫原子進(jìn)入金屬，并聚集在拉應(yīng)力部位或顯微缺陷部位(析出物、夾雜物、空洞、晶界)等，促進(jìn)金屬脆化開(kāi)裂，其主要形式為HIC。

2原料氣過(guò)濾分離設(shè)備腐蝕影響因素分析

經(jīng)分析，設(shè)備失效原因?yàn)椴牧献陨韸A雜在含H2S環(huán)境下的開(kāi)裂鼓泡，為了明確材料鼓泡的影響因素，按照現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備材質(zhì)Q245R的影響，結(jié)果見(jiàn)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(dāng)H2S與CO2分壓比大于1時(shí)，試片表面出現(xiàn)了氫鼓泡。

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

表4 氫致開(kāi)裂結(jié)果Table4ResultsofHydrogenInducedCracking檢測(cè)項(xiàng)目裂紋長(zhǎng)度率/%裂紋厚度率/%裂紋敏感率/%測(cè)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(zhǎng)度率、厚度率、敏感率符合裂紋敏感率≤2%，裂紋長(zhǎng)度率≤15%，裂紋厚度率≤5%的標(biāo)準(zhǔn)。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?chē)植繆A雜含量較高。有學(xué)者統(tǒng)計(jì)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]。可以推斷氫在不同夾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(guò)濾分離設(shè)備常使用Q245R材質(zhì)，在制造加工工藝過(guò)程中，該材料雖然力學(xué)性能與化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但因局部雜質(zhì)的存在，成為HIC起裂源，導(dǎo)致酸性天然氣凈化廠原料氣過(guò)濾分離設(shè)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(yán)重，且局部夾雜含量較高處更易出現(xiàn)氫鼓泡。

參 考 文 獻(xiàn)

[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.

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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(hào)：TE986

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.004

作者簡(jiǎn)介：①吳貴陽(yáng)(1987-)，男，福建泉州人，工程師，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(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(hù)方面的科研工作。E-mail:wuguiyang@petrochina.com