天然氣凈化設備腐蝕狀況評估方法應用分析

王心敏，劉建民，夏勇，許勇，裴廷剛，徐東曉

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

天然氣凈化設備腐蝕狀況評估方法應用分析

王心敏，劉建民，夏勇，許勇，裴廷剛，徐東曉

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

常規的腐蝕評估方法，由于檢測點的選擇依靠對腐蝕情況的經驗認識，使得評估結果停留在平均水平上。但因腐蝕引起的設備失效往往發生在設備的高風險部位，并非平均分布，因此開展設備腐蝕評估應包含對設備高風險段的腐蝕評估。本文論述了靖邊氣田某凈化裝置運行環境的腐蝕特點及腐蝕類型，運用壁厚檢測、無損檢測、掛片腐蝕監測等常規方法，結合RBI風險分析方法及設備壽命仿真模擬計算手段，對天然氣凈化裝置關鍵設備進行了較為全面的腐蝕現狀評估，明確了設備高風險設備及設備的中高風險段的腐蝕情況，并提出了針對性的檢測與防護措施。

靖邊氣田；關鍵設備；腐蝕檢測；RBI風險分析；防腐措施

靖邊氣田天然氣H2S平均含量0.078%（體積），氣田CO2平均含量為5.06%（體積），屬于典型的中含CO2、低含H2S氣藏。天然氣凈化工藝采用醇胺法脫除天然氣中的酸性氣體組份，該方法具有處理量大、操作穩定可靠和環境污染小等優點［1］，但由于胺液吸收H2S、CO2等酸性氣體后，會形成酸氣、富液、胺降解產物以及熱穩定胺鹽混合體系，腐蝕環境惡劣，對處理設備產生較嚴重的腐蝕。

靖邊氣田某凈化裝置目前已服役17年，原料氣中H2S含量0.067%（體積），CO2含量4.23%（體積）。歷次檢驗中發現吸收塔、貧富液換熱器、重沸器、酸氣后冷器以及MDEA再生塔均存在腐蝕現象，其中以MDEA再生塔中上部點腐蝕最為嚴重，點腐蝕坑深達2 mm～3 mm，已成為設備生產運行安全的隱患。

1　天然氣凈化系統腐蝕特點及類型

1.1天然氣凈化系統腐蝕特點

影響天然氣凈化系統主要腐蝕因素有酸氣，水，MDEA溶液等，其中主要的腐蝕特征如下：

酸氣腐蝕特征：酸氣（H2S-CO2-H2O）腐蝕主要由H2S-H2O和CO2-H2O兩種腐蝕機理的綜合。H2S濃度越高，初始腐蝕速度越大，隨著反應的進行，腐蝕速率逐漸較小。其次是CO2引起的腐蝕，腐蝕嚴重的部位發生在有水的溫度較高部位，表現為點蝕和蝕坑。MDEA溶液對腐蝕影響：（1）隨著溶液濃度的增加，單位體積溶液中所吸收的H2S和CO2的量就越多，從而使腐蝕加劇。（2）熱穩定性鹽的陰離子很容易取代硫化亞鐵上的硫離子，從而破壞致密的硫化亞鐵保護層，造成設備和管線的腐蝕。熱穩定性鹽在重沸器等高溫部位發生分解，生成H+，使Fe與H+發生化學反應，從而造成嚴重腐蝕［2］。

1.2天然氣凈化系統腐蝕類型

1.2.1點蝕點蝕一般多高度集中，能夠引起少數部位迅速地破壞性穿孔。誘發點蝕的原因很多，如容器或管道的細微裂縫、金屬表面的細微垢粒和其他沉積物等。在天然氣凈化廠中，點蝕的敏感性一般隨酸性氣體分壓增高與介質溫度上升而增強［3］。

1.2.2均勻腐蝕均勻腐蝕又稱全面腐蝕，是最常見的一種腐蝕形態，幾乎所有的凈化裝置都存在此種腐蝕現象。

1.2.3沖刷腐蝕暴露在流動介質環境下的設備，若工藝介質中含有腐蝕性介質，則會發生一般沖刷腐蝕，沖刷腐蝕實質上是由于流體力學因素與腐蝕電化學因素之間的協同效應所致。一般表現為坑、溝、空洞等厚度上的局部減薄。

1.2.4H2S破壞碳鋼和低合金鋼在H2S環境下的應力腐蝕開裂包括氫鼓包、氫致開裂、應力導向氫致開裂、硫化物應力腐蝕開裂。其主要的機理為氫原子滲透到鋼材中，在不連續處如夾雜物、夾層、材料軋制方向累積，導致鋼材本體出現裂紋。

1.2.5胺致開裂胺致開裂也稱胺脆，是一種堿應力腐蝕開裂，如果材料為碳鋼，并且設備用于H2S和CO2等酸性氣體的胺處理，則可能發生胺脆。主要發生在沒有經過消除應力熱處理的碳鋼焊縫及熱影響區。主要表現為晶間、多分支裂紋。對于焊接鋼材，裂紋通常出現在平行于焊縫的母材，也會出現在焊縫和熱影響區。

2　天然氣凈化裝置腐蝕現狀評估

2.1常規檢測方法

凈化設備是凈化裝置的核心，明確了設備的腐蝕狀況便清楚了整個凈化裝置的腐蝕狀況。結合各設備運行的腐蝕環境，腐蝕規律認識，選取某凈化裝置脫硫單元的脫硫塔、再生塔、貧富液換熱器、MDEA重沸器、酸氣后冷器等5臺關鍵設備進行腐蝕評估。

2.1.1宏觀檢查宏觀檢查主要是對設備的腐蝕外觀及腐蝕表象進行人為檢測，定性判別設備的腐蝕損傷程度。5臺關鍵設備中，再生塔上部內壁有少量點狀腐蝕坑，最大尺寸Φ3×2 mm。再生塔、脫硫塔內部有比較密集的細小麻坑。貧富液換熱器、MDEA重沸器、酸氣后冷器管程有較多的銹蝕物，殼程內部出現輕微腐蝕輕微的腐蝕坑。5臺設備未發現超標缺陷及嚴重腐蝕情況。

2.1.2超聲波壁厚檢測超聲波壁厚檢測基本原理為聲波在容器壁中的傳播速度乘以通過時間的一半而得到設備的壁厚。對5臺關鍵設備歷年壁厚檢測結果進行分析，壁厚減薄情量在0.3 mm～2.5 mm，均小于設計腐蝕余量4 mm。其中在再生塔上筒體、上錐段、中筒體，貧富液換熱器殼程筒體腐蝕減薄量相對較大，腐蝕速率較大。

2.1.3無損檢測由于脫硫設備接觸H2S、胺液介質，存在H2S應力腐蝕開裂及胺致開裂可能，因此對設備進行了無損檢測。無損檢測是利用物質的聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，獲取檢測對象材質缺陷信息。常用的方法有硬度檢測、超聲檢測、磁粉檢測等。

無損檢測結果顯示，5臺設備中HB最大值為192，符合設計要求（HB≤200），硬度檢查合格。超聲和磁粉檢測中未發現超標缺陷，由此可以判斷其應力腐蝕開裂的可能性較低。

2.1.4掛片腐蝕監測掛片腐蝕監測，基本原理就是失重，根據掛片在一定暴露時間內的金屬損失計算出腐蝕速率［4］。

在吸收塔和再生塔內安裝了腐蝕掛片，監測腐蝕減薄量及標定腐蝕速率。監測結果顯示，吸收塔平均腐蝕速率0.020 1 mm/a，最大腐蝕速率達0.038 8 mm/a。再生塔平均腐蝕速率達0.127 3 mm/a，最大腐蝕速率達0.216 6 mm/a。

2.2RBI技術分析

常規腐蝕檢測方法具有簡單明了，易操作，易分析等優點，但是由于檢測點的選擇依靠對腐蝕情況的經驗認識，使得常規檢測方法對腐蝕狀況的評估停留在平均水平上。大量的統計數據表明：設備的失效風險不是平均分配的，其中約20%的設備承擔了大約90%的風險［5］。同樣，同一設備內不同部位的風險也是有差異的。

對凈化設備科學的腐蝕評估，必須包含對高風險設備及設備高風險部位的腐蝕認識。為此，引入基于風險的檢測（RBI）技術對某凈化裝置5臺設備風險評估，明確不同設備及設備不同部位的風險大小，開展不同風險水平設備及設備部位的腐蝕評估。

2.2.1RBI分析方法介紹RBI（Risk-Based Inspection）基于風險的檢驗，是以詳細風險分析為基礎的設備檢驗技術［6］。即以設備失效而導致的介質泄漏為分析對象，通過對生產裝置中每個設備單元固有的或潛在的失效模式而導致的危險及其后果進行定性或定量的分析、評估來量化風險的大小，確定設備的風險等級并進行排序。

2.2.2RBI分析過程RBI方法主要有定性、半定量和定量三種分析方法。本次采用定量方法進行評估。

定量風險分析采用ORBIT ONSHORE軟件進行計算。ORBIT ONSHORE軟件是一個基于API 581方法和數據庫的風險分析工具。將設備劃分為不同評價單元，通過各設備的RBI基礎數據，計算出每個設備單元的失效可能性等級和失效后果等級，確定出安全風險矩陣。

2.2.3RBI分析結果將5臺關鍵設備劃分為16個設備評價單元，應用ORBIT ONSHORE軟件對進行了RBI分析，明確了不同設備的風險水平以及同一設備不同部位的安全風險等級。RBI風險分析結果（見表1），從表1中可以看出所評估的5臺設備沒有高風險的設備單元。其中，再生塔中段筒體的風險等級最高，為中高風險。

表1　關鍵設備風險分析

2.2.4高風險部位腐蝕檢測通過RBI分析，明確了再生塔為凈化裝置中風險最高設備，再生塔中段筒體為風險最高設備單元。隨后對再生塔中段筒體進行了加密腐蝕檢測。結果顯示，其最小壁厚為7.9 mm，相對設計壁厚10 mm減薄2.1 mm，小于設計腐蝕余量4 mm，腐蝕較輕。

2.3剩余壽命評估

鑒于再生塔為凈化裝置中風險最高設備，可認為再生塔的剩余壽命決定了凈化裝置的剩余壽命，需要對再生塔開展剩余壽命評估。

2.3.1幾何模型使用通用結構分析軟件ANSYS 13.0仿真軟件，建立了再生塔結構有限元實體模型，單元總數為52 592個，節點總數為283 819個。

2.3.2有限元應力分析結果通過模擬計算，明確最大應力所處位置出現在再生塔下節與中間節連接的變徑處，塔殼的外表面上。

基于應力分析和應力分類的強度評定中，采用第三強度理論，將路徑上的應力分解為薄膜應力、彎曲應力和總體應力，求取應力強度，按照不同的原則進行評定，具體評價結果（見表2）。再生塔當前壁厚滿足強度校核要求。

表2　再生塔關鍵部位結構應力強度校核結果（K=1.0）

2.3.3再生塔整體壽命評估由于再生塔的動態實時壁厚可表示為當前壁厚與繼續使用年限的函數，因此，再生塔剩余壽命評價可轉化為確定滿足應力強度校核約束條件的再生塔最小壁厚或最長使用年限的結構優化問題。

計算結果表明，塔的剩余壽命約為18年，最大應力出現在下節塔體與中間節塔體變徑處。

表3　再生塔各部位應力分析結果匯總表

3　腐蝕防護措施

結合凈化系統腐蝕環境，腐蝕特點及腐蝕類型分析，制定腐蝕防護措施。

3.1選擇耐腐蝕材質

在設備的選型階段可以選用具有抗硫性能的合金鋼設備，但是對于已投產的設備采用防腐襯里方法比較適用。目前常用的防腐層襯里材質有304不銹鋼襯里、玻璃鋼襯里等。靖邊氣田對某凈化裝置進行了不銹鋼襯里防護。經過一周期運行后，發現加裝襯里后胺液濁度明顯下降，溶液中的鐵離子明顯降低［7］，再生塔的腐蝕情況明顯改善。同時，近年新建的兩套凈化裝置再生塔選用304不銹鋼作為襯里，通過一個周期的腐蝕觀察監測，設備腐蝕輕微，對再生塔腐蝕防護效果良好。

3.2溶液凈化

室內研究表明，胺液中FeS、Fe2（SO4）3和Fe3O4對設備腐蝕產生影響，腐蝕速率隨溶液中FeS和Fe2（SO4）3濃度的增大而增大。同時，胺液中固體懸浮物、熱穩定鹽和有機雜質均能不同程度的加速設備的腐蝕。為了減緩設備腐蝕速率，需要開展胺溶液凈化工作。常用的胺液凈化方法有AmiPur胺凈化法［8］及SSU胺液凈化技術［9］。靖邊氣田開展了溶液凈化試驗，利用SSU技術對胺液進行在線凈化。結果顯示，脫硫溶液中的固體懸浮物、熱穩定性鹽，均有明顯的下降。運行一個周期后，化驗結果顯示溶液中鐵離子濃度較凈化前有明顯降低，從一定程度上緩解了設備的腐蝕。

3.3使用緩蝕劑

緩蝕劑是一種用于腐蝕環境中抑制金屬電化學腐蝕的添加劑。對于一定的金屬腐蝕介質體系，只要在腐蝕介質中加入少量的緩蝕劑就能有效地降低金屬的腐蝕速率。目前，緩蝕劑防護方法已大規模的在氣田生產中應用。但是在MDEA溶液中添加緩蝕劑，需要考慮緩蝕劑對溶液吸收解析性能及裝置運行穩定性的影響。

3.4合理控制運行參數

控制再生塔重沸器溫度。溫度升高，化學反應速率加快。應在保證MDEA溶液合格的情況下，降低重沸器溫度。同時可以加大汽提氣的用量，達到控制合適溫度的效果。

控制溶液流速。溶液流動過快，會加劇溶液對設備的沖涮腐蝕，應采用合適的流速。對于碳鋼來說，胺液在管道內的流速一般不高于1.5 m/s；在換熱器管程內的流速不超過1.5 m/s；富液進再生塔流速不高于1.2 m/s［10］。

4　結論及建議

（1）宏觀檢測、超聲波壁厚檢測、無損檢測、掛片腐蝕監測等常規檢測方法未發現5臺設備有超標缺陷及嚴重腐蝕情況，壁厚減薄量在設計腐蝕余量范圍內，設備腐蝕程度輕微。

（2）RBI分析結果表明，再生塔為凈化裝置中風險最高設備，再生塔中段筒體為風險最高設備單元。檢測結果顯示壁厚減薄量在設計腐蝕余量范圍內，腐蝕較輕。計算表明，其剩余壽命約18年。

（3）需對風險等級較高的設備單元給予重點關注，加密設備中高風險段的壁厚檢測點及掛片監測點，強化腐蝕監控。

（4）通過選擇耐腐蝕材質、溶液凈化、使用緩蝕劑、合理控制運行參數等腐蝕防護措施減緩設備腐蝕速率，提高設備的安全系數。

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10.3969/j.issn.1673-5285.2015.03.027

TE986

A

1673-5285（2015）03-0108-04

2014-12-24

王心敏（1961-），高級工程師，畢業于西安石油學院，現從事天然氣生產及管理工作，郵箱：wxm4_cq@petrochina. com.cn。