劉文廣 張 毅 張 波

（1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司）

（2.中國石油川慶鉆探工程公司四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司）

為開拓國外市場，以便為國內(nèi)提供可靠的天然氣氣源，中國石油在某國建設(shè)了100×108m3／a天然氣集輸、天然氣處理和長輸管網(wǎng)以及相應(yīng)公用工程和系統(tǒng)工程等一套完整地面建設(shè)工程設(shè)計(jì)，于2013年7月一次性投產(chǎn)成功，取得豐碩成果。該工程包括井口裝置、內(nèi)輸系統(tǒng)、天然氣預(yù)處理、天然氣凈化、脫水脫烴、凝析油穩(wěn)定以及為此配套的公用工程和系統(tǒng)工程等。

該工程氣田原料氣氣質(zhì)含H2S的摩爾分?jǐn)?shù)為4.5%，CO2為6.2%，同時(shí)含水和凝析油，其中Cl－質(zhì)量濃度高達(dá)126 592mg／L，國內(nèi)外一般稱此類氣田為三高氣田。為了做好工作，先后針對氣質(zhì)情況作了充分的技術(shù)準(zhǔn)備，包括模擬工況的腐蝕試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了預(yù)可行性研究和可行性研究。在此基礎(chǔ)上開展了初步設(shè)計(jì)，經(jīng)有關(guān)部門審查、外方研討和審查，最終按照各方審查意見進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)，本文介紹了該工程中壓力容器設(shè)計(jì)的基本情況。

針對三高氣田原料氣氣質(zhì)情況作了以下工作。

1 技術(shù)準(zhǔn)備

1.1 與國內(nèi)氣田比較

目前國內(nèi)H2S、CO2含量較高的氣田都集中在四川，具有一定代表性，但類似文中提到的三高氣田工況卻尚未見到。例如，四川含H2S氣田中，威遠(yuǎn)氣田的H2S為1%、CO2為5%，中壩氣田的H2S為7%，臥龍河 H2S為4.5%～5%、CO2為1%，高峰場氣田H2S為8%～12%、CO2為17%。塔里木氣田盡管Cl－的質(zhì)量濃度為12×104mg／L，但不含H2S，CO2僅1%～2%。

目前，世界各國氣田開發(fā)很難找到相同或類似的情況和作法。查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，僅SY／T 0599－2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料要求》［1］、NACE MR 0175／ISO 15156.1～3《石油和天然氣工業(yè)—在含有H2S的環(huán)境下油氣生產(chǎn)使用材料》［2］針對 H2S、CO2有一些提示。結(jié)合國外公司對羅家寨3套300×104m3／d天然氣處理的基礎(chǔ)資料，對我們的后續(xù)工作提供了參考。

1.2 試驗(yàn)研究工作

針對氣質(zhì)條件，國內(nèi)對高H2S、高CO2有成功經(jīng)驗(yàn)，但高H2S、高CO2、高Cl－工況尚缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。為確保壓力容器安全可靠，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，如總壓p＝12MPa，y（H2S）＝4.5%、y（CO2）＝6.2%、ρ（Cl－）＝126 592mg／L模擬工況的腐蝕試驗(yàn)，即p（H2S）＝0.57MPa、p（CO2）＝0.79MPa、ρ（Cl－）＝126 592mg／L，覆層材料為825、316L，基層材料為Q245R和Q345R材料，對焊縫進(jìn)行了化學(xué)失重腐蝕、坑蝕、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕，SSC和HIC的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼SCC模擬工況驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)參照中石油在伊朗開發(fā)高H2S、高CO2、高Cl－、凝析氣田脫硫的試驗(yàn)研究和成功運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)。

從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論：

（1）按照SY／T 0599［1］規(guī)定，選擇825、316L、Q245R、Q345R（R－HIC）材料經(jīng)超聲檢測合格，焊縫經(jīng)無損檢測合格，整體退火熱處理，硬度HB≤200，能滿足SSC、SCC和 HIC，這些材料和焊縫符合SY／T 0599－2006［1］、NACE TM 0177－2005《H2S環(huán)境中抗特殊形式的環(huán)境開裂材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》［3］、NACE TM 0284－2011《評價(jià)管道和壓力容器鋼抗氫致開裂標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》［4］和JB／T 7901－2001《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》［5］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，具有抗硫性能。

（2）825材料和焊縫在模擬工況下，具有耐化學(xué)失重腐蝕、坑蝕、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕和SSC、HIC，符合JB／T 7901－2001和GB／T 4334－2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》［6］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（3）Q245R、Q345R材料和焊縫在模擬工況下，不能滿足化學(xué)失重腐蝕、坑蝕、點(diǎn)蝕的要求，316L金屬表面出現(xiàn)很多麻點(diǎn)，但未出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕；Q245R、Q345R碳鋼和低合金鋼雖然能抗SSC、SCC和HIC，但出現(xiàn)較嚴(yán)重化學(xué)失重腐蝕，年腐蝕速率高達(dá)6mm；當(dāng)ρ（Cl－）≤20 000mg／L時(shí)，316L能抗這些腐蝕，316L的年腐蝕速率≤0.05mm。

（4）SSC和SCC加載應(yīng)力為材料在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈服限（σs）AYS 80%，316L的SSC試驗(yàn)甚至加載應(yīng)力為289MPa（實(shí)際屈服限），為材料在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最低值的141%，具有良好抗SSC性能。

（5）模擬實(shí)際工況，有定性定量的結(jié)論，補(bǔ)充了標(biāo)準(zhǔn)和資料中只有定性無定量的結(jié)論，為后續(xù)設(shè)計(jì)工作提供了可靠保證。

（6）伊朗試驗(yàn)研究和實(shí)際成功運(yùn)轉(zhuǎn)突破了NACE MR 0175／ISO 15156.3［2］中316L 限制p（H2S）≤0.1MPa，t≤60℃界限。

（7）外方要求壽命為30年，年腐蝕速率≤0.05 mm，設(shè)備安全可以得到保證。

2 設(shè)計(jì)的基本作法

壓力容器設(shè)計(jì)的首要問題是確保設(shè)備安全，在保證安全的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要同時(shí)滿足工藝功能要求和實(shí)際工作中的可操作性要求。對相關(guān)國外標(biāo)準(zhǔn)如 ASME VIII Div1、Div2，BS 5500、AD規(guī)范和國內(nèi)TSG R 0004－2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和GB 150－2011《壓力容器》、GB 151－1999《管殼式換熱器》等進(jìn)行綜合比較，設(shè)計(jì)采用國內(nèi)或國外標(biāo)準(zhǔn)均能保證壓力容器安全。但從工程要求和經(jīng)濟(jì)性考慮應(yīng)立足國產(chǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中作了以下規(guī)定。

2.1 引證主要法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

①TSG R 0004－2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》

②GB 150－2011《壓力容器》

③GB 151－1999《管殼式換熱器》

④GB 12337－1998《鋼制球形儲罐》

⑤JB／T 4731－2005《鋼制臥式容器》

⑥JB／T 4710－2005《鋼制塔式容器》

⑦JB／T 4730－2005《承壓設(shè)備無損檢測》

⑧SY／T 0599－2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料要求》

⑨NACE MR 0175／ISO 15156.1～3《石油天然氣工業(yè)－在含有H2S的環(huán)境下油氣生產(chǎn)使用的材料》以及與法規(guī)、規(guī)范相匹配的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 腐蝕問題

（1）在內(nèi)輸和預(yù)處理廠氣質(zhì)中，y（H2S）＝4.5%，y（CO2）＝6.2%，ρ（Cl－）＝126 592mg／L，存在化學(xué)失重腐蝕、坑蝕、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕和SSC、SCC、HIC腐蝕。

（2）經(jīng)內(nèi)部集輸和預(yù)處理廠三相分離器分離，分離效率為90%以上，分離后氣質(zhì)中ρ（Cl－）＝30 000mg／L，H2S、CO2含量不變，存在化學(xué)失重腐蝕、坑蝕、點(diǎn)蝕，不銹鋼存在晶間腐蝕傾向、SCC應(yīng)力腐蝕和SSC、HIC腐蝕，但316L能抗以上幾種腐蝕，825材料較316L有更好地抗這些腐蝕的性能。

（3）在SY／T 0599［1］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的選材 Q245R和Q345R（R－HIC）具有抗SSC和HIC性能。

由此得出結(jié)論，825、316L能抵御高 H2S、高CO2、高Cl－腐蝕。覆層材料為825時(shí)，高 H2S、高CO2、高Cl－的質(zhì)量濃度≥126 592mg／L；覆層材料為316L時(shí)，高H2S、高CO2、高Cl－的質(zhì)量濃度≤30 000mg／L。

2.3 選 材

含H2S介質(zhì)的壓力容器受壓元件應(yīng)是純凈度高的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)全鎮(zhèn)靜鋼。參照四川開發(fā)含H2S氣田、國內(nèi)高Cl－氣田的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和GB 150規(guī)定的選材范圍內(nèi)選材?；鶞?zhǔn)點(diǎn)為基層承壓、承載，同時(shí)能抗SSC和HIC，覆層耐蝕，即使覆層失效后，亦能抗SSC、SCC和HIC，使設(shè)備不致突然破裂，確保設(shè)備安全，其選材為：

（1）在井口、內(nèi)部集輸、預(yù)處理廠三相分離器前（包括三相分離器）y（H2S）＝4.5%，y（CO2）＝6.2%，ρ（Cl－）＝126 592mg／L 選 用 Q345R（RHIC）＋825、Q245R＋825，接管為16Mn＋825復(fù)合管、20G＋825復(fù)合管，鍛件為16Mn＋825堆焊、20＋825堆焊。

（2）經(jīng)三相分離器后天然氣處理廠y（H2S）＝4.5%，y（CO2）＝6.2%，ρ（Cl－）≤30 000mg／L選用Q345R（R－HIC）＋316L、Q245R＋316L，接管為16Mn＋316L復(fù)合管、20G＋316L復(fù)合管，鍛件為16Mn＋316L堆焊、20＋316L堆焊。

（3）個(gè)別低壓薄壁容器從技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和減少材料設(shè)備制作工序考慮用825或316純材。

（4）Q245R和 Q345R（R－HIC）根據(jù)國內(nèi)大型鍋爐壓力容器廠經(jīng)驗(yàn)，以厚度80mm為界限，當(dāng)Q245R厚度≥80mm，則用Q345R（R－HIC）。

（5）硫磺回收設(shè)備為Q245R、20G、20鍛件，但應(yīng)有開停工保護(hù)措施，防止 H2S、SO2、SO3、CO2停工后殘存于管線和設(shè)備內(nèi)。

當(dāng)覆層為825時(shí)，腐蝕裕量為0mm，覆層厚為3mm；覆層為316L時(shí)，腐蝕裕量為≤0.05mm，覆層厚為3mm；碳鋼和低合金鋼腐蝕裕量為4mm。凈化天然氣碳鋼腐蝕裕量為2mm。

設(shè)備設(shè)計(jì)使用年限為30年。

2.4 設(shè)計(jì)和計(jì)算

（1）參照四川開發(fā)含H2S氣田經(jīng)驗(yàn)、國外公司成功作法和 NACE MR 0175／ISO 15156.1～3［2］等規(guī)定，凡p（H2S）≥0.000 3MPa，在露點(diǎn)和露點(diǎn)以下均劃為含H2S酸性介質(zhì)，設(shè)計(jì)計(jì)算中碳鋼和低合金鋼強(qiáng)度安全系數(shù)nb≥3.0，屈服安全系數(shù)nts＝1.8，其許用應(yīng)力值［σ］t取其中較小值。

（2）金屬壁溫的計(jì)算

通過傳熱計(jì)算，確定受壓元件的金屬平均壁溫，規(guī)定：

式中，tw為實(shí)際受壓元件金屬平均工作壁溫。

同時(shí)兼顧當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度的影響，對受壓元件材料和焊縫作－10℃V形缺口（KV2）沖擊檢測，符合相應(yīng)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，確保材料和焊縫在－10℃時(shí)是塑性，而不是脆性，保證在冬季開工時(shí)材料和焊縫為塑性材料，設(shè)備不致脆性破裂。

（3）設(shè)計(jì)壓力

p≥0.1MPa時(shí)，根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且工藝未確定安全閥定壓時(shí)：

如工藝確定了安全閥定壓，設(shè)計(jì)壓力為安全閥定壓。

（4）確保設(shè)備本體和受壓元件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定要求，其作法參照GB 150和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（5）對個(gè)別設(shè)備和高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)按JB 4732－1995（2005確認(rèn)版）《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行應(yīng)力分析校核計(jì)算，保證設(shè)備符合彈性失效、極限分析和安定性準(zhǔn)則，確保設(shè)備安全。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滿足工藝功能要求，結(jié)構(gòu)符合工藝要求，減少約束，避免產(chǎn)生過大溫度梯度，避免形狀和結(jié)構(gòu)突變，以減少局部高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力集中等。

2.6 制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收

除符合2.1中的引證法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外，還應(yīng)符合如下特殊要求：

（1）接觸濕硫化氫酸性環(huán)境的壓力容器用鋼板應(yīng)進(jìn)行100%超聲縱橫檢測，其結(jié)果除凈化廠再生系統(tǒng)外，均應(yīng)滿足JB／T 4730－2005中的I級，再生系統(tǒng)為II級。

（2）鋼板厚度≥60mm和IV級鍛件應(yīng)按照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

（3）受壓元件材料和焊縫應(yīng)具有抗SSC和HIC性能，設(shè)計(jì)文件規(guī)定SSC和HIC試驗(yàn)是按NACE MR 0175／ISO 15156.1～3［2］和 SY／T 0599［1］規(guī)定材料驗(yàn)證評定，而不是選材評定。

（4）不銹鋼內(nèi)襯應(yīng)做化學(xué)失重、坑蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕試驗(yàn)，并符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（5）Q345R（R－HIC）中的S、P、Mn含量應(yīng)有規(guī)定。

（6）法蘭用螺柱和螺母原則上為35CrMoA、30CrMoA，且應(yīng)調(diào)質(zhì)處理，進(jìn)行－40℃的KV2沖擊試驗(yàn)，3個(gè)試樣的平均值≥47J。

（7）考慮冬季開工，受環(huán)境溫度影響，受壓元件和焊縫應(yīng)作－10℃V形缺口沖擊試驗(yàn)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定KV2要求，即材料和焊縫在此溫度下為塑性。

（8）無損檢測規(guī)定

①p≥10MPa，A、B類焊縫進(jìn)行100%射線檢測，II級合格，且進(jìn)行100%超聲檢測，I級合格，其余滿足100%射線檢測，II級合格。

②接管角焊縫應(yīng)保證全焊透，進(jìn)行100%磁粉檢測，I級合格或100%滲透檢測，I級合格，其中接管DN≥150mm還應(yīng)進(jìn)行100%超聲檢測，I級合格。

③螺柱應(yīng)進(jìn)行100%磁粉檢測，I級合格。

（9）換熱器殼程介質(zhì)屬濕H2S介質(zhì)時(shí)（pH2S≥0.000 3MPa），浮頭蓋連接螺柱材料硬度 HB≤200。

（10）屬濕硫化氫酸性環(huán)境的壓力容器無論直徑大小、壁厚薄均應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力的整體熱處理，熱處理后焊縫硬度HB≤200，熱處理后設(shè)備不允許動(dòng)焊，否則應(yīng)重新或局部熱處理。

（11）不銹鋼復(fù)合層或內(nèi)襯應(yīng)保證基層、覆層不得有裂紋。

（12）水壓試驗(yàn)按規(guī)范規(guī)定。

（13）p≥10MPa和重要設(shè)備水壓試驗(yàn)后，還應(yīng)進(jìn)行100%超聲檢測，I級合格和磁粉或滲透檢測，I級合格。

（14）不銹鋼設(shè)備和復(fù)合板設(shè)備原則上應(yīng)酸洗鈍化處理。

3 設(shè)備制造過程出現(xiàn)問題和處理情況

100×108m3／a工程上千臺設(shè)備在制造過程中嚴(yán)把材料關(guān)和制造過程關(guān)鍵停止點(diǎn)，對每一道工序上有交接，下有驗(yàn)證確認(rèn)，出現(xiàn)矛盾及時(shí)解決，提出符合質(zhì)量要求的可行性處理辦法，使問題都逐一得到解決，設(shè)備制造基本順利，但也出現(xiàn)了一些問題，其中包括：

（1）Q345R（R－HIC）和316L復(fù)合時(shí)，復(fù)合板在爆炸復(fù)合過程、爆炸點(diǎn)附近出現(xiàn)覆層裂紋和坑點(diǎn)，其解決辦法是將裂紋和坑點(diǎn)打磨，著色滲透檢測，I級合格，用可靠合格焊接工藝，對局部進(jìn)行預(yù)熱補(bǔ)焊，焊縫100%超聲檢測，I級合格，表面滲透檢測，I級合格，動(dòng)焊局部進(jìn)行熱處理。

（2）脫硫吸收塔直徑φ3 000mm，殼體鋼板Q345R（R－HIC）136厚＋316L厚3mm，DN≤80 mm，接管為316L。由于廠家未作焊接工藝評定和制定焊接規(guī)程，在角焊縫處出現(xiàn)異種鋼焊縫微裂紋，水壓試驗(yàn)12MPa時(shí)出現(xiàn)滲漏，對此，設(shè)計(jì)方和工程方高度重視，廠家積極配合，制定返修方案，將異種焊接焊縫全部切除，余下部分殼體進(jìn)行100%超聲檢測，I級合格，表面滲透檢測，I級合格，對此制定3套方案：

①將原有接管316L改為16MnIII＋316L內(nèi)襯，避開異種鋼焊接。

②用原有結(jié)構(gòu)，角焊縫焊材用高Ni、Cr材料。

③原有316L接管開口設(shè)備坡口堆焊高Ni、Cr合金，此焊縫再與316L接管焊接。

上述方案均可行，綜合考慮后，選定方案①，并作相應(yīng)試驗(yàn)，制定焊接工藝，無損檢測，最終對此類角焊縫逐一進(jìn)行100%射線和100%超聲檢測，其檢測結(jié)果射線達(dá)到JB／T 4730－2005中II級和II級以上，100%超聲達(dá)到I級。水壓試驗(yàn)一次成功，水壓試驗(yàn)后還進(jìn)行100%超聲檢測，均符合修復(fù)前制定要求，得到滿意結(jié)果。

4 設(shè)備運(yùn)行情況

該工程于2013年6月對全系統(tǒng)作24h敏感試驗(yàn)，經(jīng)檢測和各方認(rèn)可合格后，于2013年7月試運(yùn)行，先從小量處理，逐級升壓提量，后達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷，經(jīng)過運(yùn)轉(zhuǎn)考核，一次投料試車成功，設(shè)備安全和工藝功能沒有出現(xiàn)任何問題，達(dá)到了預(yù)期目的。

5 結(jié)語

此次在某國建設(shè)的100×108m3／a工程是繼四川含硫天然氣開發(fā)后又一成功范例，與四川氣田不同的是，天然氣產(chǎn)出地層水中的Cl－質(zhì)量濃度高達(dá)126 592mg／L。通過此工程，在高 H2S、高CO2、高Cl－氣田開發(fā)上樹立了新的里程碑，為今后類似氣田開發(fā)積累了可貴經(jīng)驗(yàn)，這些作法值得我們進(jìn)一步總結(jié)。在工程實(shí)施前作好技術(shù)準(zhǔn)備，對規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有定性無定量規(guī)定時(shí)，應(yīng)作大量模擬工況試驗(yàn)工作，取得第一手資料，通過對數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，在設(shè)計(jì)中作出定性定量規(guī)定，確保設(shè)備的安全可靠。

［1］石油工程建設(shè)專標(biāo)委防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)工作組.SY／T 0599－2006天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料要求［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［2］NACE MR 0175／ISO 15156－2009石油和天然氣工業(yè)—在含有H2S的環(huán)境下油氣生產(chǎn)使用材料［S］.2009.

［3］NACE TM 0177－2005H2S環(huán)境中抗特殊形式的環(huán)境開裂材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法［S］.2005.

［4］NACE TM 0284－2011評價(jià)管道和壓力容器鋼抗氫致開裂標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法［S］.2011.

［5］儀表功能材料標(biāo)委會.JB／T 7901－2001金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法［S］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［6］全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB／T 4334－2008金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.