油氣田壓力容器裂紋形成原因與預防

白金亮

中國石油長慶油田分公司 技術監測中心 （陜西 西安 710021）

油氣田壓力容器裂紋形成原因與預防

白金亮

中國石油長慶油田分公司 技術監測中心 （陜西 西安 710021）

壓力容器發生的裂紋基本都是與焊縫平行，呈樹枝狀曲折的細縫，個別部位有細微分叉，有時呈“之”字形或“人”字形，用10倍放大鏡觀察，沒有金屬宏觀體積上的塑性變形。通過分析油氣田在用壓力容器應力腐蝕裂紋產生的原因和機理，提出了應力腐蝕裂紋的檢驗方法和防止措施。

應力腐蝕裂紋 檢驗方法 防止措施

中國石油長慶油田分公司在用壓力容器超過5 000臺，分布于陜、甘、寧、蒙等各油氣生產區，大都屬于儲存容器、分離容器和換熱容器，主要用于油、氣、水等物質的儲存、分離及換熱等作用，是油氣生產過程中的重要設備。因此，在用壓力容器必須進行定期檢驗，通過檢驗可以及早發現缺陷，消除事故隱患，確保設備的安全運行。近些年，在對油氣田壓力容器定期檢驗過程中，發現一些壓力容器出現表面開裂甚至穿透性裂紋，給安全生產和生命財產造成了嚴重影響和威脅。因此分析裂紋產生原因和機理是確保檢驗質量、編寫維修方案以及制訂預防措施的基礎和關鍵。

1 開裂情況

1997年在對馬嶺煉油廠1#球罐開罐檢驗時，在H3焊縫熔合區發現一條長1 100mm的內表面裂紋，裂紋深度5mm。

1999年在對馬嶺煉油廠2#球罐開罐檢驗時，發現H1焊縫熔合區有一條長2 400mm深達18mm（壁厚為24mm）的裂紋（圖1）。

2006年，第一采氣廠的第一凈化廠再生塔在使用時在H3焊縫上部出現穿透性開裂，裂紋長度1 000mm，介質外泄，該裂紋起始于焊縫上部熔合線，并沿熔合線逐漸向母材延伸。

1998年8月慶陽化工集團2#球罐上部焊接接頭發生穿透性裂紋而發生大量液化氣泄漏事故，因發現及時，處置得力，未引發火災、爆炸等事故。

2 裂紋類型及原因分析

2.1 裂紋宏觀特征

容器發生的裂紋基本都是與焊縫平行，呈樹枝狀曲折的細縫，個別部位有細微分叉，有時呈“之”字形或“人”字形，用10倍放大鏡觀察，沒有金屬宏觀體積上的塑性變形，因此，具有應力腐蝕裂紋典型特征。

2.2 應力水平分析

（1）由于壓力容器運行中承受內壓，罐壁因工作壓力而產生一定的拉應力，且容器內壁縱向拉應力大于外表面，罐壁越厚越明顯。

（2）在對馬嶺煉油廠液化石油氣球罐檢驗時，查閱了制造資料，發現1#罐裂紋產生部位在制造時曾經進行過返修，因此該部位焊接殘余應力較為集中；2#罐在制造時，H1焊縫焊接工作是最后完成的，因此該部位拘束度較大，且H1焊縫處于球罐底部，受到液注靜壓力比其它環焊縫大，因此該處的應力水平較高，另外球罐采用了帶裝法即先焊縱焊縫成帶，再焊環焊縫組裝，這樣環焊縫的拘束度高于縱焊縫拘束度，因此環焊縫產生裂紋的幾率大于縱焊縫。

（3）采氣廠常壓塔H3開裂部位，壁厚12mm，在檢驗時，該部位錯邊量竟然達到5mm，我們知道，錯邊是容器在組焊時產生的，它的存在容易產生附加彎曲應力,引起幾何應力集中,應力分布更為復雜。

2.3 盛裝介質及腐蝕產物分析

馬嶺煉油廠和第二采油廠所使用的球罐材質分別為16MnR和15MnVR，均屬于低合金鋼，主要用于承裝液化石油氣。由于球罐在使用中，沒有進行脫硫，脫水工作也沒有嚴格按照操作程序執行，球罐開罐后，罐底部積聚有大量臭雞蛋氣味污物，在罐的內表面存在大量的點狀腐蝕坑，腐蝕坑周圍粘附有黑色腐蝕產物。

長慶油田隴東區塊民用液化石油氣鋼瓶所承裝液化石油氣都來自于上述2個單位的球形儲罐。1998年，長慶油田由于液化石油氣鋼瓶腐蝕嚴重（個別氣瓶底部已腐蝕穿孔）不得不將4.5萬只鋼瓶強行報廢，造成了巨大經濟損失。隨后將部分液化石油氣鋼瓶內壁附著物送外化驗分析，其分析結果見表 1[1]。

表1 液化石油氣鋼瓶內壁附著物化學成分 %

從表1的化驗結果可知，內壁附著物的主要成分為Fe和S，可能是以FexSy的形式存在，我們知道，硫元素不可能產生于鋼瓶的材料，它肯定來源于液化石油氣，因此，可以得出液化石油氣中存在大量的H2S。據了解，馬嶺煉油廠雖有脫硫裝置，但一直未投入使用，液化石油氣H2S含量超過700mg/L。

采氣廠的第一、二凈化廠原料氣均為含硫天然氣,其成分組成如表2所示[2]。

表2 原料氣組成(干基)體積分數

慶陽化工集團公司生產液化石油氣時 （原油是由長慶油田供給），雖然進行了簡單脫硫，但液化石油氣H2S含量仍高達500mg/L。

2.4 裂紋類型確定

從以上分析可知，發生開裂的壓力容器制造材料基本為低碳鋼或低合金鋼，開裂部位存在較高的應力集中（主要為拉應力），介質中存在大量的含硫物質，國內有關資料介紹[3]，H2S在水中的濃度達100mg/L就有可能發生H2S應力腐蝕，1980年中日煉油設備腐蝕與防護技術交流時，日方甚至提出應控制H2S的含量為20～30mg/L。長慶油田發生開裂的壓力容器，其使用介質H2S含量遠遠超出了上述要求，因此前述設備所產生的裂紋，可斷定為H2S應力腐蝕裂紋，簡稱硫裂（SSCC）。

3 應力腐蝕產生的機理

H2S應力腐蝕破裂是受拉應力材料和含有H2S腐蝕介質共同作用而產生的脆性破壞，其破裂機理一般傾向于電化學與機械復合作用原理，由于介質中含有大量的H2S和H2O并結合形成氫硫酸，電離出H+，呈弱酸性，與金屬反應產生了電化學腐蝕。另外，氫離子得到電子后變為氫原子，由于氫原子直徑較小，它將在金屬內部擴散并聚集于晶格缺陷、位錯和微裂紋等處，這樣增加了材料的脆斷性即氫脆，因此H2S應力腐蝕破裂是材料、拉應力和腐蝕介質共同作用的結果。

4 檢驗重點部位和有效檢驗方法

在對具有應力腐蝕傾向的壓力容器開展檢驗之前，認真查閱壓力容器使用、維修、改造記錄，了解使用情況和問題記載，制訂正確的檢驗方案，確定檢驗重點部位和有效檢驗方法。

4.1 確定檢驗重點部位

（1）應力集中部位。所有焊縫及熱影響部位；制造過程中返修部位；產生振動部位；結構突變如表面有劃傷、碰傷等缺陷部位；結構不連續部位；使用中發生泄漏部位等。

（2）腐蝕部位。液面波動部位；容器的頂部和底部；液體沖刷部位；液體流動不暢的死區；有污垢堆積的部位；有坑蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、潰瘍腐蝕等各種腐蝕產生的部位。

4.2 確定有效檢驗方法

（1）宏觀檢查。用肉眼或借助十倍放大鏡對容器內部進行全面檢查，特別是結構突變等容易產生應力集中的部位。馬嶺煉油廠1#球罐所產生的裂紋就是通過宏觀檢查發現的。

（2）表面探傷。一般檢查應力腐蝕裂紋用磁粉探傷的方法，如果發現裂紋缺陷后，可以用其它檢測方法如超聲和射線等復驗，以進一步確認。

（3）硬度檢查。對于容器內表面可以進行硬度檢驗，被檢測部位硬度值不應超過正常值的30%，如果發現超常硬度值，應使用其它檢驗方法進行復驗，以確定該處是否存在裂紋。

（4）金相檢驗。對于易產生應力腐蝕裂紋部位，可采用金相檢驗，當發現組織中存在具有細長或呈樹木根須狀裂紋，沿晶或穿晶，可判斷為應力腐蝕裂紋。

5 應力腐蝕裂紋處理對策與防止措施

在壓力容器定期檢驗中，發現判定為應力腐蝕裂紋，必須認真對待，制訂正確、合理、科學的對策措施，避免事故的發生。

5.1 處理對策

發現裂紋后，必須確定裂紋的深度和長度，裂紋可采用磨光機進行打磨消除，如果打磨深度在壁厚余量范圍內，可不進行補焊，否則須制訂正確的修補方案和工藝進行補焊，經無損探傷合格后方可投入使用。

5.2 防止措施

（1）選擇抗SSCC材料作為受壓元件如 Q245 (20R)，Q345（16MnR）等，避免十字焊縫、焊縫布置不當等不合理結構。

（2）嚴格制造工藝，采用合理的冷加工工藝、焊接工藝和熱處理工藝，盡可能減少殘余應力和應力集中。

（3）控制使用環境因素。①脫水是防止SSCC的一種有效方法。對油氣田現場而言，經脫水干燥的H2S可視為無腐蝕性，因此，經脫水使H2S天然氣露點低于系統的運行溫度，就不會導致SSCC。②脫硫是防止SSCC廣泛應用的有效方法，脫出油氣中的H2S使其含量低于SY/T0599的規定。③控制pH值。由于提高含H2S油氣環境的pH值，可有效地降低環境的SSCC敏感性。因此，對有條件的系統，采取控制環境pH值可達到減緩或防止SSCC的目的，但必須保證生產環境始終處于控制的狀態下。④添加緩蝕劑。緩蝕劑可通過防止氫的形成來阻止SSCC,從而來減緩腐蝕。⑤采用陰極保護。采用外加電源或犧牲陽極的陰極保護，也是防止腐蝕裂紋的有效措施，如在內表面焊縫區涂金屬Al或Cu，或采用Mg、Al等金屬和罐體金屬相連接,可避免受壓元件腐蝕。對于外加電源法使用時應慎重，以免打火引起火災。⑥嚴格按操作規程操作，應盡量做到平穩操作，避免頻繁升降壓力或改變裝載量，嚴禁超壓、超裝情況的出現，以減少尖銳的循環應力和裝載應力，防止腐蝕疲勞破壞。

（4）加強定期檢驗，因為定期檢驗能夠發現容器在使用過程中產生的絕大多數缺陷，并得到及時處理和消除。

6 結束語

壓力容器的應力腐蝕裂紋是石油天然氣開采加工及化學工業等領域最危險的損傷之一，產生應力腐蝕的壓力容器往往在沒有預兆的情況下發生突然斷裂，不僅影響正常生產，同時還嚴重危及人民生命和國家財產的安全，必須引起使用單位和相關部門的高度重視。

[1]石仲謀，陳建華,劉保平,等.石油液化氣鋼瓶腐蝕穿孔失效分析[J].石油化工設備,1999,28（5）:19.

[2]王遇冬，王登海.對長慶氣田含硫天然氣脫硫工藝技術的幾點建議[J].石油與天然氣化工,2001(1).

[3]冶金工業部鋼鐵研究總院.球形貯罐診斷與修復技術[M].北京:勞動人事出版社,1987.

Cracks produced in pressure vessels are basically parallel to the welding seam,taking on the tiny twist cracks like branching or treelike marks.Individual parts of them are slightly branching,with the shape of Chinese character"Zhi"or"Ren".Under the observation of ten diameters magnifier,there is no plastic deformation in metal macro-size.Through the analysis on the forming causes and mechanism of stress corrosion cracks in pressure vessels used in oil-gas fields,the detecting measures and precaution measures for stress corrosion cracks are put forward in this paper.

stress corrosion crack;detecting methods;precaution measures

白金亮（1969-），男，現主要從事特種設備檢驗檢測。

尉立崗

2011-08-26