濕H2S環境下某氣田高壓壓縮機橇選材設計

張田,孟嘉巖,常城,張旭,陳希

(1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300452;2.中國石油(中國)有限公司天津分公司,天津 300450)

腐蝕會給海洋平臺的生產與運行均造成巨大的損失;據不完全統計,我國每年由腐蝕導致的損失達5 000億元,這還不包括礦山、冶金、造紙等行業以及合資、民營企業的腐蝕損失。愈加苛刻的環境也促使相關人員謹慎選材,合理選材[1-2]。

往復式天然氣壓縮機橇作為海洋石油平臺天然氣處理的核心設備同樣被應用于某氣田的增壓平臺上,壓縮機橇主要包括壓縮機及其驅動系統、冷卻系統、潤滑系統、控制系統、脈動抑制裝置和其他輔助設備。在壓縮機橇中,因為氣體壓力、溫度在每個階段均會發生一定程度的變化,這種變化對于材料的力學性能、防腐性能及耗材成本均具有不同的要求,因此壓縮機橇的選材也要更加細致,尤其當氣體中含H2S和二氧化碳CO2時,無論是含量還是壓力均對選材造成了一定的困難,同時也是影響海洋工程設計效率及材料采辦的重要因素之一[3-4]。

通過ECE5.5軟件模擬某氣田新建的平臺上壓縮機的實際工況條件計算碳鋼腐蝕速率,綜合考慮了防腐、磅級壓力及成本問題,從腐蝕機理到選材的原則和方案給出了一定的選材結果,為海上氣田平臺壓縮機橇的腐蝕防護和設計選材提供借鑒。綜合考慮經濟成本、車間制造水平施工難易程度及壓力變化等方面,通過對比優化方案。

1 研究方法

由于天然氣的壓縮過程中溫度和壓力變化范圍較大,會造成管道內流態的變化,從而對整個管道的腐蝕速率產生很大的影響。因此,研究不同流態下管道的內腐蝕預測模型將會非常的有必要,這對工程實際應用將具有很大的現實意義。

基于DeWaard模型建立的ECE模型,考慮了H2S和有機酸對腐蝕速率的影響。該模型基于水化學和流體中的碳酸氫含量求解pH值,且合理地考慮了HCO3-對pH值的影響。同時該模型考慮了含水率和流速的影響,該模型能很好地計算出CO2+H2S環境中管線的腐蝕速率,有助于更加合理地選材。采取ECE模型模擬管線腐蝕速率。

2 選材依據與原則

對于H2S腐蝕[3-4],最大的危險不在于失重腐蝕,而是管線的抗應力腐蝕能力和滲氫引發的氫致開裂,因此在選材時要考慮材料的抗開裂性能。對于CO2腐蝕[5-7],則更重要的是考慮其均勻失重腐蝕。

對含H2S天然氣壓縮機橇內壓力容器和管線,美國腐蝕工程師協會NACE MR 0175/ISO 15156 《石油和天然氣工業—用于H2S環境的材料》標準給出了一定的選材參考。整體來講,ISO 15156標準第二部分指出,用于SSC1區的管線鋼,最低屈服強度可達550 MPa,焊縫硬度不宜大于300 HV;用于SSC2區的管線鋼,最低屈服強度達450 MPa可以接受,焊縫硬度不大于280 HV;用于SSC3區的管線鋼,焊縫強度不應大于22 HRC。碳鋼和低合金鋼可以有效地抗SSC斷裂,其中規定鋼材的硬度極限為22 HRC或者250 HV;ISO 15156標準第二部分耐蝕合金和其他合金部分中的描述,鎳基合金系列、鈷基合金和鈦合金系列等有著良好抗硫化物應力腐蝕開裂、電化學腐蝕以及元素硫腐蝕的性能,大多數合金在該氣田壓縮機橇內最大操作溫度均可使用,其中以鎳基合金的應用較為廣泛,價格相對其他兩種較便宜。ISO 21457《石油,石化和天然氣工業.石油和天然氣生產系統的材料選擇和腐蝕控制》標準給出了部分合金在海洋環境中使用的極限溫度,如表1所示。

表1 ISO 21457規定的海洋環境中使用裸露的抗腐蝕合金的極限溫度

根據NACE MR0175/ISO15156標準中壓力容器用抗開裂鋼板選材和GB/T 150壓力容器標準文件可以選用適合該氣田壓縮機橇內的壓力容器選材,能夠使用的選材有碳鋼系列Q235B和Q235C,低合金鋼系列Q245R、Q345R和高合金鋼系列鋼板。其中Q235B和Q235C控制硫含量不高于0.01%,磷含量不高于0.035%,且應對鋼板進行沖擊試驗、冷彎實驗,用于容器鋼材的鋼板厚度不大于16 mm,用于受壓元件其厚度分別不大于30 mm和40 mm。Q245R、Q345R鋼板應符合GB/T 713《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求,對于Q245R、Q345R鋼板應沿寬度方向進行硬度檢測,均不應大于200 HBW,應該對其進行化學成分分析,符合表2所示。

表2 Q245R、Q345R化學成分

3 壓縮機橇腐蝕速率計算及選材方法

某氣田屬于H2S + CO2共存特性,依據行業規范[8]NACE MR0175/ISO15156,普通碳鋼管材發生開裂的H2S臨界分壓為0.3 kPa,而壓縮機橇管道因為氣體壓縮過程中溫度、壓力的變化,每部分管道所處的環境因素有所變化,而雙相鋼、碳鋼等材質的經濟成本相差較大,因此針對壓縮機橇管道選材,采取分段選材。首先根據選材需要,將三級壓縮機所有管道及設備進行分段管理,如圖1所示;表3為壓縮機橇內各段組分含量及溫度、壓力圖。

圖1 壓縮機橇分段圖

表3 該氣田壓縮機橇內物熱平衡表

根據壓縮機橇內各段組分含量及溫度、壓力圖,計算H2S、CO2物質的量分數,運用ECE 5.5計算碳鋼的腐蝕速率,計算過程中的水含量為0.10 Sm3/d;受限于ECE 5.5軟件,輸入的最大壓力為41.4 MPaA,這可能導致計算出的腐蝕速率低于碳鋼在此環境下真實的腐蝕速率;同樣ECE 5.5中并未考慮少量H2S帶來的腐蝕抑制作用,因此可以借鑒其計算結果。軟件計算出的腐蝕速率如表3所示。

基于目前國際上成熟的H2S + CO2共存介質工況下管線防腐選材評估標準,對于某氣田壓縮機橇部分管道而言,CO2分壓遠大于20 kPa,大部分管線H2S分壓小于0.3 kPa,顯然碳鋼、不銹鋼和雙相鋼均可滿足抗SCC開裂要求。316L在海洋環境中推薦使用的溫度不可超過60 ℃;超級雙相鋼會大大增加管線應用成本;碳鋼則需要進行局部腐蝕的預防與檢測。有研究表明[9],流花16-2油氣田屬于高溫高氯高CO2環境,極端操作溫度為110 ℃,大于該氣田壓縮機橇的最高溫度95 ℃。根據以往的油氣田實驗研究發現[10],超級雙相鋼和碳鋼加內防腐涂層可以有效抵制CO2腐蝕帶來的局部腐蝕及點蝕風險。

4 某氣田壓縮機橇選材

依據NACE MR0175/ISO15156,碳鋼、316L奧氏體不銹鋼、13Cr馬氏體不銹鋼,雙相鋼等合金鋼均可以滿足某氣田壓縮機橇管道的抗H2S腐蝕開裂要求,碳鋼在應用時對所選碳鋼應考慮SOHIC、SWC的可能性,并對焊縫進行硬度測試,規定其不能超過22 HRC。另外根據設計壽命30年,結合軟件ECE5.5模擬工況條件計算出的腐蝕速率,計算出的碳鋼的腐蝕裕量如表3所示,從表中可以看出,大部分碳鋼管線的腐蝕裕量均不超過3 mm,下文選材所用碳鋼的腐蝕裕量均為3 mm。各個分段管線的相關可能的選材如下:

對于管線1到管線8,其H2S分壓均小于0.3 kPa,因此只需要考慮CO2腐蝕的影響,不必考慮開裂性能。對于管線1到管線4,即處于一級壓縮之前的管線,溫度低于60 ℃,因此主要考慮CO2的全面腐蝕,合理的腐蝕裕量及普通的防腐涂層的碳鋼則可以滿足要求,但是應考慮碳鋼發生SOHIC、SWC的可能性;對于管線5,因一級壓縮導致其工況溫度高達95 ℃,發生局部腐蝕及點蝕的風險較大,需經常對這段管線進行合理的腐蝕監測。碳鋼加內防腐涂層可以有效預防局部腐蝕帶來的風險,也可采用雙相鋼預防點蝕的發生。

對于管線9到管線12,其H2S分壓均大于0.3 kPa,需考慮H2S應力腐蝕開裂。根據NACE MR0175/ISO15156,結合某氣田環境,推出其位于SCC 2區域。根據ISO 15156給出的選材標準,碳鋼和合金鋼均可以滿足要求。但是對于此部分碳鋼,允許碳鋼最大的硬度值為250 HV或22 HRC,且對焊縫要進行SCC評定試驗。

對于管線13和管線14,盡管碳鋼的腐蝕速率較低,由于氣體壓縮后的高強壓及較大的流速,碳鋼的強度較大,則需要較厚的壁厚防止其開裂,太大的壁厚造成施工困難且焊接及安裝不易,因此對于本部分管線,采用雙相鋼可以防止其開裂。

對于壓縮機橇內的1級,2級,3級洗滌罐,其操作溫度分別為39,45,45 ℃,壓力為最低為6～7.5 MPa,最高為27 MPa,推薦的設計壓力最高達30 MPa,盡管Q235B和Q235C在該溫度下的許用壓力足夠。GB 150.2標準材料部分和ISO 15156第二部分規定Q235B和Q235C作為容器外殼的設計壓力須分別小于等于1.6 MPa和2.5 MPa,因此Q235B和Q235C不適用于洗滌罐設計選材。因此對于洗滌罐,Q245R和Q345R鋼板則是比較合適的殼體選材。

針對高壓工藝氣體冷卻工況下換熱器安全可靠運行需求,同時考慮橇塊緊湊度,壓縮機級間冷卻器采用PCHE印刷板式換熱器,同時采用閉式循環淡水。考慮到壓力較高且須考慮H2S腐蝕開裂及高分壓CO2,換熱器芯體材料采用可雙相不銹鋼,其它與所連接的管線材質保持一樣即可。

5 田壓縮機橇選材方案對比

關于該氣田壓縮機橇內管線防腐選材方案優缺點如下:

方案1:碳鋼+腐蝕裕量:

根據NACE MR0175/ISO15156要求,結合車間常用管材,可以采用ASTM A106-B無縫鋼管加腐蝕裕量3 mm,其優點在于碳鋼造價低廉,成本較低;可焊可焊性能較好,技術比較成熟;

但是其缺點要避免應力集中導致的開裂,尤其是焊縫區域,且對S等有害元素要進行嚴格限定,規定S含量不應大于0.003%和0.01%,Ni元素含量小于1%,控制材料的硬度不超過HRC 22,還要進行SSC、HIC試驗評價。因為含有較高分壓的CO2,溫度在80～100 ℃的管線,可能會引發較為嚴重的局部腐蝕造成穿孔現象;13、14管線因為其壓力等級太大,碳鋼則需要過大壁厚,難以生產制造。方案2:碳鋼+緩蝕劑內防腐涂層:

和方案1一樣,可以采用ASTM A106-B無縫鋼管加腐蝕裕量3 mm和內防腐涂層,可以大大節約成本,因為緩蝕劑涂層已在大量的輸氣管線中有所應用,因此其抗開裂和抗腐蝕能力均會有所借鑒與提升;可以有所預防5、9管線可能出現的腐蝕穿孔現象。

缺點在于目前應用較為成功的都是長輸管道,壓縮機橇內管線交織錯雜,焊縫較為密集,管線相比較短,因此內防腐緩蝕劑涂層在工藝上難以實現且不能解決13、14管線壓力磅級等級過高造成的大壁厚管線生產問題。

方案3:奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼:

根據ISO 15156標準第三部分,結合車間常用管材,316L管線也可以滿足抗H2S腐蝕開裂要求,即使有Cl—存在,316L中的Mo元素在一定程度上耐點蝕,具有較強的耐蝕性;缺點在于相比碳鋼,316L造價較高,成本較高,且316L在海洋環境中使用的溫度極限在50～60 ℃,5、9、13、14管線不適用316L。而超級13Cr鋼材價格較高,且缺乏海洋油氣工業長期應用,且采購較為困難,影響工期。

方案4:雙相不銹鋼:

根據NACE MR0175/ISO15156要求,22%鉻雙相(奧氏體/鐵素體)鋼2205,具有中等強度至高強度,可以滿足管線13、14的磅級壓力,并且具有良好的抗普通腐蝕、抗應力腐蝕開裂的能力,重量較輕,可焊性良好,可與碳鋼等異種焊接,很大程度地節省車間施工的人力、物力;但是造價非常高,遠遠高于碳鋼。

關于某氣田壓縮機橇內壓力容器選材方案優缺點如下:

針對洗滌罐的選材Q245R和Q345R均能滿足其選材要求。選用Q345R的缺點在于因為其Mn含量較高,使得其碳當量相比Q245R較高,Q345R缺口的開裂敏感性較高,疲勞強度低,焊接時更容易產生裂紋,抗濕H2S應力腐蝕不如Q245R;優點在于其強度更高,材料的需用壓力更大。選用Q245R的優點在于其具有更好的抗濕H2S應力腐蝕的性能,且價格相比Q345R,其價格更低,經濟型較高。

6 氣田壓縮機橇選材方案推薦

關于該氣田壓縮機橇內選材方案主要如下:

通過以上材料、方案對比,結合車間施工具體水平,推薦該氣田高壓壓縮機橇內管線的腐蝕材料選擇如表4所示。

表4 該氣田壓縮機橇內管線推薦的選材方案

7 結論

對于濕H2S應力腐蝕環境中的選材,抗SSC性能成為最需考慮的要素。根據NACE MR0175/ISO15156,結合渤中環境,碳鋼、合金鋼及雙相鋼均可以抗開裂,考慮到經濟成本,碳鋼加腐蝕裕量成為最佳選擇;考慮到壓力等級,可以在三級壓縮階段的管線采用DSS雙相不銹鋼。碳鋼的抗開裂性能基本取決于鋼材本身的特性與焊縫的性能。因此對于鋼材的預制與采購,需嚴格控制其化學成分、冶煉方法、焊縫殘余應力消除及SCC試驗,降低材料的強度和硬度,具有良好的延展性,從而保證材料在進行后續的抗SSC試驗時符合相關的評定要求;同時在高溫高CO2環境下,要盡可能地監測與預防局部腐蝕及點蝕帶來的風險,如管線5和9。另外在選材時綜合考慮經濟及壓力等級的影響,本文中對于13和14,盡管計算出的碳鋼具有較低的腐蝕速率,但是高的磅級壓力對材料強度則有很大的要求,大壁厚難以實現生產,因此對于三級壓縮管線13和14,雙相鋼則成為本部分管線的最佳選擇。針對不同情況對管線采取了最為優異的選材方案,節約了成本,符合了車間施工狀況,在選材方面具有較好的借鑒性。