劉文廣

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

在開發(fā)含H2S油氣田中常接觸H2S介質(zhì)，在壓力容器和壓力管道設(shè)計選材為碳鋼時，除考慮化學(xué)失重腐蝕外，受壓元件還存在硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC）和氫致開裂（HIC），國內(nèi)外對此都高度重視，因為這直接涉及到壓力容器和壓力管道的安全。如何防止此類問題的發(fā)生，國內(nèi)外都有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和推薦規(guī)范，但是設(shè)計和工程實施中如何做，則無明確規(guī)定。本文從設(shè)計和工程實踐中的成功作法提出了具體作法和技術(shù)規(guī)定，這些作法和規(guī)定可確保壓力容器和壓力管道的安全，為裝置長周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)取得可靠保證。

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的解讀和具體規(guī)定

對含H2S介質(zhì)采用的材料在美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）、國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）和石油行業(yè)（SY）都有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)是NACE MR 0175/ISO 15156《石油天然氣工業(yè)——油氣開采中用于含H2S環(huán)境的材料》［1］（下文簡稱“標(biāo)準(zhǔn)1”）、SY/T 0599－2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料要求》［2］（下文簡稱“標(biāo)準(zhǔn)2”）。

國外標(biāo)準(zhǔn)“標(biāo)準(zhǔn)1”其要點(diǎn)為引證標(biāo)準(zhǔn)、術(shù)語，給出了H2S、CO2不同百分?jǐn)?shù)、pH值。以pH值按PH2S（H2S分壓）＝0.0003MPa～1.0MPa劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)，定義了硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC）和氫致開裂（HIC），評判規(guī)定以及按ASTM、ASME推薦使用材料和其化學(xué)成分，硬度限制等。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)“標(biāo)準(zhǔn)2”基本為移植國外標(biāo)準(zhǔn)，所不同的是推薦材料以國產(chǎn)材料為準(zhǔn)。

“標(biāo)準(zhǔn)1”和“標(biāo)準(zhǔn)2”中均不涉及到PH2S＞1.0 MPa時，例如工作壓力P＝32MPa，H2S含量為10%，PH2S＝3.21MPa工況如何實施和評定，使用“標(biāo)準(zhǔn)1”和“標(biāo)準(zhǔn)2”可能會出現(xiàn)什么問題，此類工程設(shè)計該怎樣作，防止SSC和HIC的問題等這些問題，是壓力容器和壓力管道領(lǐng)域關(guān)心的問題，也是迫切需要解決的實際問題，只有這些問題解決才能確保工程設(shè)計和裝置長周期安全運(yùn)行。

2 如何確定SSC和HIC的評定及具體作法

按照“標(biāo)準(zhǔn)1”和“標(biāo)準(zhǔn)2”，對推薦的材料并沒有要求強(qiáng)行評定，推薦的材料是經(jīng)長期實際工程驗證過，是安全可靠的。因此，我們認(rèn)為SSC和HIC的評定是驗證評定，而不是選材評定。目的是驗證原材料生產(chǎn)過程及制造檢驗工藝作法，經(jīng)SSC和HIC評定合格，確保工程投產(chǎn)后安全生產(chǎn)運(yùn)行。在四川開發(fā)含H2S天然氣的過程中，曾由于材料使用不當(dāng)或施工制作過程未按設(shè)計要求進(jìn)行熱處理，使得硬度超標(biāo)造成設(shè)備和部件破裂，雖經(jīng)及時補(bǔ)救，未造成重大事故，但后經(jīng)分析屬硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC），這就是說硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC）是突發(fā)的，事先無任何預(yù)兆，設(shè)計中安全分析應(yīng)引起高度重視。

通過四川含硫天然氣田近40多年開發(fā)，先后對威遠(yuǎn)氣田（天然氣中H2S含量1%，CO2含量5%）、臥龍河氣田（天然氣中H2S含量4.5%～5%）、中壩氣田（天然氣中H2S含量7%）、臥63井（天然氣中H2S含量17.5%），大天池、沙坪壩、峰－4、峰－5井（H2S含量＞7.8%，CO2含量≥5%）以及高酸性氣田的在線實驗裝置、集輸站、凈化廠（裝置壓力從0.4MPa～35MPa）進(jìn)行調(diào)研和收集資料［3］，對設(shè)計、工程實施和生產(chǎn)運(yùn)行方面進(jìn)行詳細(xì)分析總結(jié)。同時收集了標(biāo)準(zhǔn)A溶液和模擬PH2S＞1.0MPa、PCO2實際工況的SSC和HIC的評定［4］，對照國外作法，如臥龍河脫硫裝置引進(jìn)資料［5］，羅家寨凈化廠3 ×300×104m3/d裝置JACOBS公司基礎(chǔ)設(shè)計［6］等，提出對H2S介質(zhì)的SSC和HIC評定應(yīng)按如下作法進(jìn)行：

（1）含H2S介質(zhì)的壓力容器和壓力管道所選用材料為“標(biāo)準(zhǔn)1”和“標(biāo)準(zhǔn)2”推薦材料，在無實際經(jīng)驗和從未接觸此類容器、管道時，應(yīng)作SSC和HIC驗證評定，通過驗證評定，了解鋼廠所提供材料抗硫性能、制作工藝，從而形成一個從材料制備和制作工藝的完整控制體系。

（2）SSC和HIC的評定不僅包括材料，同時對焊縫亦應(yīng)做驗證評定，因為壓力容器和壓力管道真正薄弱部分在焊接。

（3）SSC和HIC的評定不以H2S摩爾分?jǐn)?shù)為判定基準(zhǔn)，應(yīng)以PH2S分壓為準(zhǔn)，凡PH2S≤1.0MPa應(yīng)作標(biāo)準(zhǔn)A溶液評定，當(dāng)PH2S＞1.0MPa，應(yīng)作模擬PH2S、PCO2實際工況的評定。

（4）SSC評定中加載應(yīng)力：壓力容器為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定材料屈服限的80%（SAYS80%），壓力管道為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定材料屈服限的90%（SAYS90%）。之所以不同于“標(biāo)準(zhǔn)1”中規(guī)定實際屈服限作為加載應(yīng)力，因為強(qiáng)度設(shè)計時采用標(biāo)準(zhǔn)中最低值，實際加載應(yīng)力與容器、管道計算應(yīng)力留有25%～40%裕量。

（5）HIC評定的判定指標(biāo)應(yīng)略高于“標(biāo)準(zhǔn)1”和“標(biāo)準(zhǔn)2”中規(guī)定底限，確定CLR≤10%、CTR＜3%、CSR＜1%。

（6）鋼廠或制造廠具有類似H2S工況兩年或兩年以上相應(yīng)材料使用成功業(yè)績，并經(jīng)鑒定合格，材料可免作SSC和HIC評定［6］。

（7）標(biāo)準(zhǔn)A溶液和模擬工況的SSC評定，H2S高分壓可覆蓋低分壓，材料和焊縫厚度以厚覆蓋薄。

（8）對材料要求除相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和“標(biāo)準(zhǔn)1”、“標(biāo)準(zhǔn)2”規(guī)定外，對高壓，PH2S＞1.0MPa的設(shè)備和管道的材料，應(yīng)對晶粒度、非金屬夾雜物、偏析等提出要求，保證所用材料為純凈度高的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)全鎮(zhèn)靜鋼。

3 結(jié)論

（1）接觸含H2S介質(zhì)的壓力容器和壓力管道會出現(xiàn)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC）和氫致開裂（HIC），其中硫化物應(yīng)力腐蝕開裂是突發(fā)性的，事先無任何預(yù)兆，直接影響安全，此項應(yīng)高度重視。

（2）防止SSC和HIC引起事故除選材符合“標(biāo)準(zhǔn)1”和“標(biāo)準(zhǔn)2”規(guī)定外，熱處理和焊縫硬度檢測，控制HB≤235是必不可少措施。

（3）如何認(rèn)識SSC和HIC驗證評定，本文提出了明確意見，按本文2中的8項作法是必要的，在實際工程中具有可操作性，能保證安全。

（4）對高壓、高H2S分壓的壓力容器和壓力管道，在設(shè)計中增加必要技術(shù)規(guī)定，使用細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)全鎮(zhèn)靜鋼，焊縫增加必要超聲波、磁粉或滲透檢測，保證全焊透及容器和管道無裂紋。

［1］NACE MR 0175 /ISO 15156 .石油天然氣工業(yè)－油氣開采中用于含H2 S環(huán)境的材料［S］.

［2］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］.

［3］中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司.四川含H2 S天然氣集輸、凈化裝置調(diào)研匯總［R］.成都：中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，2008 .

［4］四川石油管理局酸性油氣田材料腐蝕檢測評價中心.20 R、20 G、20 Ⅲ、16 MnR、16 MnⅢ及焊縫在標(biāo)準(zhǔn)A溶液和模擬PH2 S＝3 .5 MPa、PCO2 ＝3 .1 MPa工況抗硫評定檢測報告匯總［R］.成都：四川石油管理局酸性油氣田材料腐蝕檢測評價中心/四川化工裝備公司，2005 .

［5］日本千代田株式會社.臥龍河脫硫裝置引進(jìn)資料［G］.成都：四川石油勘察設(shè)計研究院，1982 .

［6］JACOBS公司.羅家寨3 ×300 ×104 m3 /d天然氣處理廠基礎(chǔ)設(shè)計［R］.田納西州：JACOBS公司，2005 .