石油与天然气化工  2016, Vol. 45 Issue (1): 21-24
含硫气田净化厂原料气过滤分离设备腐蚀主控因素研究
吴贵阳 1, 陈世明 2, 毛汀席 1, 红志闫 2, 静张强 1     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂
收稿日期：2015-09-06
作者简介：吴贵阳(1987-)，男，福建泉州人，工程师，毕业于中国石油大学(华东)，现就职于天然气研究院，主要从事酸性气田腐蚀与防护方面的科研工作。E-mail:wuguiyang@petrochina.com.
摘要：含硫气田天然气净化厂原料气过滤分离设备为关键设备，其腐蚀失效情况也备受关注。现场调研发现，使用一段时间后，分离设备底部积液位置出现腐蚀层，且分离设备存在较多鼓泡。通过开展金相分析、理化性能分析及腐蚀微观分析，确定了设备失效原因，室内模拟现场条件找出腐蚀失效主控因素。结果表明，在材料力学性能、化学成分满足标准要求的前提下，材料本身存在较多夹杂是导致设备鼓泡失效的主要原因，随着H2S与CO2分压比的增加，腐蚀速率增大，氢鼓泡现象更加严重。
关键词：含硫气田    天然气净化    过滤分离设备    腐蚀    失效分析    
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     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, China;
2. Chongqing Natural Gas Purification Plant General, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chongqing 401220, 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 CO2 partial 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    

天然气净化厂原料气过滤分离设备是衔接井站与天然气净化系统的关键设备, 特别是处理高含硫天然气的净化厂时, 其原料气中含H2S、CO2、水等腐蚀性介质, 分离出的污物、凝析油及化学添加剂沉积于分离设备底部, 使腐蚀环境复杂多样, 设备腐蚀严重[1-2]。针对这一现象, 调研了川渝气田天然气净化厂原料气过滤分离设备的腐蚀状况, 有些分离设备投入运行仅短短几年, 筒体便出现鼓泡、腐蚀分层等现象, 处理H2S质量浓度30~90 g/m3、CO2质量浓度50~140 g/m3的分离设备, 运行不到两年就出现分层、鼓泡等严重腐蚀现象, 其水质为Ca2+质量浓度97.86 mg/L、Na+质量浓度68 mg/L、K+质量浓度4 mg/L、Mg2+质量浓度19.52 mg/L、Al3+质量浓度17.71 mg/L、F-质量浓度10.81 mg/L、Cl-质量浓度367.58 mg/L、PO43-质量浓度22.79 mg/L, pH值为5.08。图 1为川渝气田某净化厂过滤分离器的外观及内部腐蚀状况。现场跟踪调研表明, 过滤分离设备使用年限太短, 分离器出现大面积严重分层、鼓泡现象, 腐蚀极为严重, 因此, 对设备腐蚀主控因素进行研究很有必要, 可为天然气净化厂的管理及设备加工提供参考。

图 1     川渝气田某天然气净化厂过滤分离器的外观及内部腐蚀状况 Figure 1     Appearance and internal corrosion status of filter separator in a natural gas purification plant at Sichuan and Chongqing Gas Fields

1 净化厂原料气过滤分离设备失效分析

针对现场环境介质及失效情况进行初步分析, 拟对原料气过滤分离设备失效原因进行金相分析、理化性能分析及腐蚀产物分析, 判断其失效原因, 分析结果如下。

1.1 金相分析

将设备鼓包处截取长100 mm, 宽20 mm的试样, 将开裂裂纹处在金相显微镜下观察, 结果如图 2所示。从裂纹纹理推断, 可能是晶界存在偏聚有害杂质(如S、P、As、Te、Bi等), 出现氢致沿晶开裂。

图 2     不同倍数条件下裂纹金相形貌 Figure 2     Crack metallographic morphology of different multiple

1.2 理化性能分析
1.2.1 化学成分分析

将失效设备割取一小块试样进行化学成分分析, 结果见表 1。

表 1    化学成分分析结果 Table 1    Results of chemical composition analysis

由表 1可知, 失效设备化学成分分析符合GB 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》的要求。

1.2.2 力学性能测试

失效设备截取室温拉伸试样, 试样尺寸为GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中规定标准试样, 在室温条件下对材料力学性能进行测定, 测定结果如表 2所示。

表 2    材料力学性能测试结果 Table 2    Test results of material mechanics performance

由表 2可知, 材料力学性能符合GB 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》。

1.2.3 钢中夹杂物分析

将失效设备截取金相试样并进行切割加工, 试样经镶嵌抛光, 在金相显微镜下观察, 观察结果如图 3和表 3所示。

图 3     失效设备中夹杂物照片（100倍） Figure 3     Inclusion photos of failure equipment(100-fold)

表 3    夹杂物评级 Table 3    Inclusion rating

根据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法》对试样的夹杂物进行评级, 结果见表 3。其中, 夹杂物分类：A为硫化物类, B为氧化铝类, C为硅酸盐类, D为环状氧化物类, DS为单颗粒球状类。由表 3可知, 失效设备材料中夹杂较多, 主要为B类与DS类夹杂。非金属夹杂物的含量越高, 发生氢致开裂所需氢浓度的限值越小, 且MnS和氧化物夹杂不利于提高抗HIC(Hydrogen Induced Cracking, 氢致开裂)能力[3]。

1.3 腐蚀产物分析

将两个分厂失效设备试样(1# & 2#)腐蚀产物进行XRD分析, 结果如图 4和图 5所示。

图 4     1#试样腐蚀产物XRD分析结果 Figure 4     XRD analysis results of corrosion product for 1# sample

图 5     2#试样腐蚀产物XRD分析结果 Figure 5     XRD analysis results of corrosion product for 2# sample

由图 4、图 5腐蚀产物的XRD分析结果可知, 腐蚀产物主要为FeS、Fe(1-x)S、Fe3S4等铁的硫化物及少量铁的氧化物。

1.4 原料气过滤分离设备失效原因分析

综合以上分析, 原料过滤分离设备失效原因包括H2O-H2S-CO2和材料自身夹杂。在介质中由分子态的H2S吸附于金属表面, 经过化学吸附分解为原子氢, 氢原子进入金属, 并聚集在拉应力部位或显微缺陷部位(析出物、夹杂物、空洞、晶界)等, 促进金属脆化开裂, 其主要形式为HIC。

2 原料气过滤分离设备腐蚀影响因素分析

经分析, 设备失效原因为材料自身夹杂在含H2S环境下的开裂鼓泡, 为了明确材料鼓泡的影响因素, 按照现场水质配水, 配水组成：Na3PO4 39.34 mg/L, CaCl2 271.56 mg/L, NaCl 172.96 mg/L, KCl 9.089 mg/L, MgCl2 77.26 mg/L。在温度为40 ℃、总压为5.5 MPa、H2S与CO2分压之和为0.67 MPa的条件下, 考察不同H2S与CO2分压对现场设备材质Q245R的影响, 结果见图 6、图 7。

图 6     不同H2S与CO2分压比条件下Q245R气液相腐蚀速率 Figure 6     Gas/liquid corrosion rate of Q245R at different partial pressure ratio of H2S to CO2

图 7     不同H2S与CO2分压比条件下试后外观 Figure 7     Appearance after testing Q245R at different partial pressure ratio of H2S to CO2

由图 6、图 7可知, 随着H2S分压的增大, 气液相腐蚀速率先急剧增大而后缓慢增加, 且当H2S与CO2分压比大于1时, 试片表面出现了氢鼓泡。

此外, 对Q245R材料进行氢致开裂评定, 评定条件为5%(w)的NaCl、0.5%(w)的CH3COOH、25 ℃、4天, 评定结果如表 4及图 8、图 9所示。

图 8     氢致开裂评价试后照片 Figure 8     Appearance photo after test of Hydrogen Inducing Cracking

图 9     氢致开裂评价试后金相照片 Figure 9     Metallographic photo after test of Hydrogen Inducing Cracking

表 4    氢致开裂结果 Table 4    Results of Hydrogen Induced Cracking

由表 4、图 8及图 9的结果可知, 材料裂纹长度率、厚度率、敏感率符合裂纹敏感率≤2%, 裂纹长度率≤15%, 裂纹厚度率≤5%的标准。但局部已经出现鼓泡, 从试后金相照片也可看出, 鼓泡处周围局部夹杂含量较高。有学者统计分析表明, 氢鼓泡在含Ti元素的夹杂处成核的概率最大, 为38%；其次为含有Al元素的夹杂物, 为30%, 含Si元素的夹杂物占15%[4]。可以推断氢在不同夹杂物富集的概率不同, 出现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, 从而造成局部鼓泡现象。

3 结论

在酸性气田中过滤分离设备常使用Q245R材质, 在制造加工工艺过程中, 该材料虽然力学性能与化学成分满足标准要求, 但因局部杂质的存在, 成为HIC起裂源, 导致酸性天然气净化厂原料气过滤分离设备鼓泡失效。

Q245R材料的腐蚀性能随着H2S分压与CO2分压比值的增加变得更为严重, 且局部夹杂含量较高处更易出现氢鼓泡。

参考文献
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