油气分离器失效分析

静设备　石油化工设备技术，Ｐ２０１１，３２（６）・ｉ９・　ｅｔｒｏ—Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　油气分离器失效分析　李武荥　（中国石油化Ｘ－股份有限公司洛阳分公司，河南洛阳４７１０１２）　摘　要：通过对油气分离器失效部位进行宏观检查、化学成分分析、金相分析、力学性能测试、断口形貌　观察及能谱分析，认为工艺介质中硫化氢浓度的上升和材料纯净度不高是导致设备失效的根本原因，并提出　了相应的建议。　关键词：油气分离器　失效分析　氢致开裂　某石化公司催化装置油气分离器Ｒ１３４１为　二类卧式压力容器，１９７４年１２月由兰石所设计，　１９７７年１月由兰州石油机械厂制造，石油部一公　司安装，１９８４年１０月投入运行，至失效时已使用　２５年。容器规格为：　３　６００　ｍｍ×ｌ１　９５６　ｍｍ×　２８　ｍｍ，材质为１６ＭｎＲ，设计压力和工作压力分　漏（如图１所示），采用铁胶泥铆固方案进行了临　时处理。之后一个多月时间内相继发现该容器环　焊缝又出现６处横向裂纹。８条裂纹均垂直于环　焊缝，其中Ｈ。环焊缝２条，Ｈ　环焊缝６条，裂纹　主要位于焊道上，外壁裂纹长度为２Ｏ～４０　ｍｍ。　２００９年２月中旬，Ｒ１３４１停运。图２是油气分离　器焊缝布置及缺陷位置示意图。　别为１．７　ＭＰａ和１．２　ＭＰａ，设计温度和工作温度　分别为５Ｏ℃和４０℃，介质为油气（富气、凝缩　油、含硫污水）。　２００５年以前，该石化公司主要加工低硫原　油。２００６年起，加工原油硫含量不断升高。２００６　年８月至２００８年３月Ｒ１３４１油气分析数据显示，　Ｈ　ｓ含量为１．４１　～２．２４　（体积分数），其中　２００７年１０月２５日数据显示Ｈ　Ｓ含量高达１１．　Ｏ２　（体积分数），２００８年１２月分析数据显示，　Ｒ１３４１介质中富气的硫含量高达９　０００Ｘ　１０～；凝　缩油中总硫（以Ｈ　Ｓ为主）含量为０．１８　（质量分　．．　图１　油气分离器Ｒ１３４１环焊缝裂纹　Ｈｌ　Ｈ２　Ｈ３　Ｈ４　Ｈ５　Ｈ６　Ｈ７　一Ｈ８　Ｚ５　｛　　Ｚ．［　Ｚ　Ｚ　Ｏ　数），Ｈ：Ｓ含量达１　０００×１０　以上。　Ｚ１　Ｚ２　，一、　２００５年５月装置大修时，对Ｒ１３４１进行了全　面检验。宏观检查发现容器内部存在轻微点蚀坑　和焊缝咬边等缺陷，壁厚测定正常。对接焊缝　１００　ＭＴ，发现一处２０　ｍｍ长的纵向表面裂纹，　Ｚ３　｝　一，　焊缝开裂部位　图２　油气分离器Ｒ１３４１焊缝位置及缺陷位置示意　经打磨后消除，容器的安全等级定为３级。２００８　年５月装置检修时，由同一检验单位再次对　Ｒ１３４１进行了全面检验，对接焊缝ＭＴ和ＵＴ未　２试验、检测与分析　在油气分离器开裂环焊缝Ｈ　上选有二条裂　纹（间距４５０　ｍｍ）的部分，切７００　ｍｍ×４００　ｍｍ　收稿日期：２０１０—１０—１０。　发现开裂类缺陷，点蚀坑和咬边缺陷无明显扩展，　壁厚测定未发现明显减薄，安全等级仍定为３级。　１容器失效情况　２００８年１２月，Ｒ１３４１在运行中发现筒体Ｈ。　作者简介：李武荣，女，１９８７年毕业于成都科技大学机械设　计与制造专业，现在中国石油化工股份有限公司洛阳分公司　机动处从事设备管理工作，高级工程师。　Ｅｍａｉｌ：ａｎｎｉ０６１８＠１６３．ｃｏｍ　环焊缝下部位置出现２条横向裂纹，造成油气渗　第３２卷第６期　李武荣．油气分离器失效分析　・　２１　・　２．４常规力学性能测试　分别对油气分离器母材、焊接接头取试样进　行室温拉伸、冲击和硬度测试。母材的屈服强度　和抗拉强度分别为３１５　ＭＰａ和５５０　ＭＰａ，焊缝的屈　服强度和抗拉强度分别为３９５　ＭＰａ和５７０　ＭＰａ。　母材和焊缝冲击功分别为４１　Ｊ和３３　Ｊ。母材部　位硬度为１３０～１７０ＨＢ，而焊缝金属和热影响区　的硬度为１９２～２００ＨＢ。除母材屈服强度略低于　标准规定的３２５　ＭＰａ外，其余指标均符合标准规　定，焊缝硬度值偏高，均接近标准规定值上限。　２．５断口形貌观察　图７为Ｒ１３４１样品２号裂纹断口宏观形貌　照片。由图７可见，断口上有黄褐色和黑色的腐　蚀结垢物，未见明显的塑性变形，断口可分为裂纹　源和裂纹扩展两个区，未见明显的瞬断区，图７左　上角为人为打开的韧窝区。该裂纹系多裂纹源，　裂纹起源于内壁，并向外壁扩展，最终形成穿透性　裂纹。　图７　Ｒ１３４１　２号裂纹断口宏观形貌照片　２．６　ＥＤＳ能谱分析　（１）断口部位　为进一步分析断口表面腐蚀结垢产物成分，　分别对断口裂纹源区、扩展区及靠近外壁部位进　行了ＥＤＳ微区化学成分分析，结果显示，整个断口　上ｓ元素含量为３．１９　～１Ｏ．３１　（质量分数）。　（２）裂纹部位　对金相样品裂纹部位进行了微区ＥＤＳ能谱　分析，结果显示金相样品横截面无论是焊缝，还是　母材部位，Ｓ元素含量高达１．２６　～２０．４１　（质　量分数），Ｍｎ元素含量为１．１９　９／６～３４．９９　（质量　分数），裂纹部位有ＭｎＳ的夹杂物存在。　３失效原因分析　Ｒ１３４１的工艺介质为富气、凝缩油和含硫污　水等，属于湿硫化氢环境。由于该石化公司２００５　年以前一直炼制低硫原油，介质中所含的硫化氢　浓度较低，湿硫化氢损伤的发展非常缓慢。历次　全面检验情况表明，从１９８４年投入使用后至　２００５年间油气分离器的安全状况一直正常，２００５　年全面检验时内壁仅发现一处表面裂纹并进行了　打磨处理，２００８年５月全面检验时设备内壁仍未　出现严重的表面开裂现象。但仅过了大约半年的　时间后，到２００８年１２月就相继出现了８处焊缝　开裂泄漏。　近年来该石化公司加工的高含硫原油数量不　断增加，导致Ｒ１３４１工艺介质中Ｈ。ｓ浓度不断上　升，随着介质中Ｈ。Ｓ浓度的升高，水解产生的氢　离子数量大幅度增加，氢离子吸附到钢板表面形　成氢原子并向钢中扩散，然后优先在焊缝金属和　母材的冶金缺陷（特别是ＭｎＳ的夹杂物）处聚集　结合成氢分子后导致氢致开裂（ＨＩＣ）的发生。　氢致开裂（ＨＩＣ）与介质中Ｈ。ｓ浓度和钢的　纯净度（即Ｓ、Ｐ等杂质元素含量）有关，Ｈ　Ｓ浓度　越高、钢的纯净度越差，则越容易发生ＨＩＣ。化　学成分分析结果表明，简体钢板和焊缝金属中均　具有较高的Ｓ、Ｐ含量，能谱分析结果也证实了裂　纹缝隙中确实有ＭｎＳ夹杂物的存在。由此可见，　在湿硫化氢环境中，该设备简体钢板和焊缝发生　ＨＩＣ是不可避免的。发生在母材的ＨＩＣ形成了　典型的沿轧制方向扩展的平行于钢板表面的台阶　状裂纹，而焊缝中的ＨＩＣ则在应力诱导下不断沿　壁厚方向发生连通，最终暴露于钢板的内外表面，　并引起焊缝开裂泄漏，即发生了应力导向氢致　开裂。　综合上述分析，工艺介质中硫化氢浓度的上　升和材料纯净度不高是导致Ｒ１３４１失效的根本　原因。　４建议　为保证Ｒ１３４１安全运行，避免此类失效事故　再次发生，提出以下建议：　（１）建议选用耐硫化氢腐蚀的材料，如Ｑ３４５　（ＨＩＣ）等；　（２）选用合理的制造工艺，控制焊缝金属Ｓ、　Ｐ等杂质含量不超标；同时对设备进行整体热处　理，降低焊缝硬度；　（３）对设备进行内防腐处理，提高设备的耐　腐蚀性能；　（４）重视工艺防腐工作，加强工艺注水、注剂　的管理，从源头上控制腐蚀的产生。