某海洋石油平臺生產分離器修理技術分析

儲德文 袁 陸少杰

（1.必維嘉航檢驗技術（廣東）有限公司 上海 200001）

（2.中海石油（中國）有限公司上海分公司 上海 200001）

2020年11月,筆者單位對某海洋石油平臺的生產分離器進行全面檢驗,在對其進行內部宏觀檢驗時,發現該容器內部存在多處損傷或缺陷,大致包括覆層損傷并與基層分離、內部接管斷裂、內部接管變形、溢流板脫落及基材表面損傷等。后使用單位委托某具備相應設計及修理資質的單位對該生產分離器進行修理,筆者單位相關技術人員對修理過程進行監督見證,以保證施工過程符合方案要求,施工質量滿足使用要求。

1 該壓力容器參數

該壓力容器制造于2014年,出廠前經過監檢且合格,詳細設計及制造參數見表1。

表1 生產分離器設計及制造參數

2 容器缺陷及產生原因

2.1 容器缺陷位置簡圖

現場根據各缺陷的具體位置情況,繪制出該容器的缺陷位置圖,如圖1所示。

圖1 容器簡圖及缺陷位置

2.2 N7接管的失效形式

從現場接管整體變形情況來看,優先考慮N7接管直管段中部位置受到外力打擊作用,造成整個管段的變形,斷裂處的焊接接頭或因本身焊接質量等問題,受力后斷裂。另從N7接管的支撐及溢流板背部的變形情況分析,溢流板上部與筒體分離后,溢流板向N7接管側傾斜,容器內流體因使用過程中的升降壓,會對溢流板形成沖擊力,溢流板以N7接管末端管帽為支點,向N7接管施加力,N7接管在支座約束力及該力的作用下,產生向下的力(N7接管制造時就存在向下彎曲的現象),導致N7管段向下變形,最終導致焊接接頭處開裂。

N7接管變徑段與小徑管對接接頭斷裂見圖2,N7接管變形見圖3。

圖2 N7接管斷裂圖

圖3 N7接管內部變形情況

現場檢查N7接管外觀,發現外觀存在被壓癟的現象,從外壓失穩角度考慮,根據GB/T 150—2011《壓力容器》[1]進行計算,由SW6計算導出式（1）：

式中：

D0——N7接管的外直徑,mm；

δe——N7接管的有效厚度,mm；

σ0——應力,取2[σ]t和兩者的較小值,MPa；

B——外壓應力系數,MPa；

p——許用外壓力,MPa。

根據D0/δe＜20,計算得出p≈16.6 MPa,大于該容器使用過程中的最高壓力（9.0 MPa）,故N7接管不存在失穩情況。

2.3 溢流板脫落原因分析

溢流板與筒體覆層間為角焊縫,該焊縫位于筒體環縫的熱影響區,易產生焊接殘余應力,另受拉應力側的角焊縫焊接于環縫最后一道蓋面焊上,角焊縫高度不夠；溢流板與筒體間固定于4 mm的S31603覆層上,復層與基層間不能承受較大的拉應力（TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》規定該復合界面的結合剪切強度不小于210 MPa[2]）作用,在長時間受到較大的流體沖擊時,易造成基材與覆層間的分離；生產分離器進口管線壓力p最高達到9 MPa,使用過程中存在容器內部壓力為0 MPa和降低內部壓力的情況,當高速三相混合物進入容器內部時,高速流體會對溢流板造成很大的沖擊力,從現場脫落的溢流板變形情況來看,溢流板是受到來自入口側的力而導致溢流板與筒體間連接焊縫撕裂,并造成連接的復層和基層脫離翹起。

溢流板脫落,溢流板與筒體連接處焊縫撕裂,見圖4,造成S31603覆層與基層母材分離、翹起,見圖5和圖6。

圖4 脫落后的溢流板

圖5 復層與基層剝離

圖6 內部宏觀照片

當容器內部壓力為0 MPa時,考慮流體流速情況有：入口管徑為152.4 mm（6"）,查詢得管線入口量為32×104m3/d（氣相）和66 m3/d（油）,現僅從氣相考慮,根據公式,計算知：

時間換算成s,可得v=203.47 m/s,可知進口流速非常高,在高速混合物的作用下,溢流板受到很大的沖擊力,這應是溢流板脫落,并與筒體分離的主要原因。

2.4 覆層翹起的基層表面存在多處損傷

從現場來看,考慮該處損傷為原始基材表面缺陷,是原始材料缺陷,非使用過程中形成的缺陷,是基層和復層復合前基材宏觀檢驗未發現的母材缺陷。

3 修理方案

3.1 修理方案要求

根據TSG 21—2016中第5.2條規定,修理方案應取得原設計單位或者具備能力的設計單位書面同意。修理方案應包含修理過程的全部要素的質量控制,主要有焊接材料的選擇、焊接方法的選擇、缺陷消除的要求、預熱及熱處理要求、無損檢測要求、編制焊接作業指導書依據的焊接工藝評定報告的覆蓋性、現場焊接人員資質的覆蓋性等。

3.2 修理方案簡述

使用單位委托修理單位進行修理,修理單位編制修理方案,并經設計單位同意,現場依據TSG Z6002—2010《特種設備焊接操作人員考核細則》[3]中的規定對施焊人員資質進行審查,方案中項目與缺陷的對應關系及相關的支持文件和人員資質見表2。

表2 焊工及無損檢測人員資質清單

3.3 修理方案的其他方面

通過對修理方案的審查,有如下信息：設計單位資質為固定式壓力容器規則設計,有效期至2024年12月26日。修理單位資質為A1級壓力容器制造資質,有效期至2024年11月21日。修理過程中主要涉及的工具有焊機、保溫桶、焊條烘干箱、紅外線測溫儀、超聲檢測儀、電加熱帶、打磨機、不銹鋼焊條、碳鋼焊條、不銹鋼焊絲、磁選液、反差劑、滲透劑、耦合劑等。

3.4 焊接工藝評定的支持

修理方案中提供4份焊接工藝評定用以覆蓋本次焊接作業指導書的編制,依據NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》[4]及NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規程》[5]中相關規定要求,該4份焊接工藝評定,能滿足本次修理的焊接作業需求,見表3。

表3 用以覆蓋的焊接工藝評定清單

4 修理過程關鍵節點的控制

1）覆層翹起部分的清理。為了將覆層和基層貼合率達不到要求的覆層部分徹底清除,修理單位采用超聲波直探頭從覆層翹起部分的邊緣進行掃查,對于沒有回波或者衰減超過50%部分的覆層進行打磨清理。

2）基層缺陷的清理。修理單位按照要求,通過打磨消除,形成的最大凹坑深度為5.0 mm,通過磁粉檢測確認原缺陷徹底清除。

3）堆焊前的預熱。根據NB/T 47015—2011中規定,Q345R材質在厚度大于25 mm時,最低的預熱溫度為80 ℃,本次修理過程中,在對基層材料的補焊及基層材料表面的堆焊前,對基層材料進行了預熱,預熱溫度為90 ℃左右。

4）焊材及焊接參數的控制。基層補焊焊材使用CHE507R,焊接電流145 A（面層）；堆焊過渡層焊材使用CHS042R,焊接電流110 A；面層焊材使用CHS022R,焊接電流122 A；溢流板與筒體角焊縫焊材使用CHS022R,焊接電流125 A；N7接管對接接頭焊材使用CHG-316LR,焊接電流102 A。焊材使用及焊接參數滿足方案要求。

5）堆焊后的后熱處理。堆焊過程連續焊接,未中斷,堆焊完成后立即進行后熱處理,后熱溫度250 ℃,保溫時間1 h。

6）堆焊層及不銹鋼層焊接接頭的滲透檢測。所有焊接完成后,修理單位對堆焊層表面、溢流板與筒體間角焊縫、N7接管對接接頭等進行了滲透檢測,檢測結果未發現超標缺陷。

5 結論

1）缺陷修理過程的一般程序。工程中遇到類似的修理過程,可從原因分析、方案審查、過程實施及檢查要點、修理后的檢測等流程進行壓力容器修理質量控制工作。

2）修理方案內容應全面。修理過程的好壞直接影響修理后壓力容器的使用壽命,要求前期對缺陷產生原因的分析要到位,修理方案內容應考慮全面,覆蓋各個要素,并具有針對性。另外,方案應嚴謹合理,各內容應具有相應的支持性文件。

3）修理過程關鍵點要嚴格把控。關鍵點的修理質量直接影響整個修理過程質量,對修理方案中明確的關鍵質量點,要嚴格按照方案要求進行質量把控。

6 相關建議

1）優化容器結構、全面考慮容器內的工況。從溢流板的變形情況來看,該容器的溢流板在使用過程中受到力的作用,導致溢流板向一側變形,但考慮溢流板兩側無密閉空間,應無壓力差,故從設計角度應考慮容器內部的具體工況,改善設計結構；溢流板脫落造成油水分離困難,而造成脫落的原因應考慮溢流板與筒體間的焊接接頭,該焊接接頭承受剪切能力差,應考慮加強支撐或者溢流板焊接與基材等結構。

2）使用過程中加強內部定期檢驗。本次修理完成后,建議使用單位在后續生產過程中,提前做好開罐檢驗計劃,以便提前發現后續生產中可能產生的新缺陷或損傷；使用過程中應加強對該容器本體及生產產品質量的監測,如發現本體有異常或產品不合格（如油水分離不合格、液位計指示異常）,應停止使用并查明原因。