BFe30_1_1铜镍海水冷却器管侧泄漏原因分析

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第20卷??第1期2008年2月

中国海上油气

CHINAOFFSHOREOILANDGAS

Vol.20??No.1

??

Feb.2008

BFe30??1??1铜镍海水冷却器管侧泄漏原因分析

金晓男1??窦??涛1??裴振刚1??井元彬2??邓志宏1

(1??中国船舶重工集团公司第七??三研究所;??2??中海石油基地集团油建工程公司)

摘??要??渤海某浮式生产储油装置工艺系统BFe30??1??1铜镍海水冷却器在使用过程中发生了管侧泄漏问题。从材质、焊接性能、海水水质、运行状况及腐蚀机理等方面,系统地分析了冷却器发生管侧泄漏的原因,并提出了预防措施。海水点蚀和冲刷腐蚀的共同作用是导致冷却器换热管管端及焊缝区域腐蚀的主要原因,管侧大量海生物随机堵塞换热管所产生的不稳定液体强力冲击是导致

浮头密封面失效的主要原因。建议采用TA2等耐腐蚀和耐冲刷材料的换热管,采用复层开槽的胀焊结构连接换热管与管板,并根据实际运行情况灵活控制冷却器管束的清洗周期,密切监视冷却器海水侧的压降变化,合理调节电解铀装置开度。

关键词??BFe30??1??1铜镍材料??海水冷却器??管侧泄漏??原因分析??预防措施????铜镍合金材料在海洋石油工程领域的应用极为广泛,但对于流动海水的点蚀和冲刷作用所导致的这种材料及焊缝失效机理的研究还很少,特别是高速流动海水对国产BFe30??1??1铜镍合金材料及焊缝区域点蚀和冲刷腐蚀共同作用的研究更少。针对这一问题,结合渤海某浮式生产储油装置工艺系统中BFe30??1??1铜镍海水冷却器在使用过程中所发生的泄漏问题,从材质、焊接性能、海水水质、运行状况及腐蚀机理等方面,对BFe30??1??1铜镍合金管材、焊缝腐蚀及浮头密封面失效问题进行了分析,以期为实际工程中更合理地使用这类铜镍合金材料提供依据。

的高粘度原油,管程介质为海水;壳程运行压力为0??5~0??6MPa,管程运行压力为0??4~0??5MPa。

该冷却器在投产运行3个多月后,出现了原油泄漏到海水侧现象。对相关部位进行检查时发现:

(1)在海水入口侧的管箱内部沉积了大量牡蛎、螃蟹及其他细小海生物和污泥,其体积约占海水入口侧管箱容积的60%(图2);而在海水出口侧管箱内部没有发现类似情况。

1

??故障现象

渤海某浮式生产储油装置工艺系统BFe30??1??1铜镍海水冷却器的结构形式为浮头式(图1),壳程数为1,管程数为2;壳程介质为含水率低于0??5%

图2??海水入口侧管箱内部的海生物

(2)在海水入口侧的换热管口和管端发现大量海生物坚硬外壳及碎片,换热管被堵塞的数量达到60%以上(图3)。

(3)用压缩空气吹扫管束后,在换热管内部发现大量污泥和海生物残骸,这些物质主要集中在第

图1??BFe30??1??1海水冷却器结构图

1管程的换热管内。

第一作者简介:金晓男,男,高级工程师,1989年毕业于哈尔滨工业大学材料加工专业,现为中国船舶重工集团公司第七??三所研究室副

主任。地址:哈尔滨市红旗大街108号(邮编:150036)。电话:0451??88027653。

??第20卷??第1期金晓男等:BFe30??1??1铜镍海水冷却器管侧泄漏原因分析??69

的典型二元铜镍合金材料,其主要化学成分为铜,并含有30%左右的镍和低于1%的铁,其防腐钝化膜

是由附着在金属外表面的氢氧化铜、氯氧化铜、碱式碳酸铜及硫酸钙的混合物和内层的氧化亚铜薄膜组成\[1\],钝化膜的再生能力相对较强。由于BFe30??1??1铜镍合金材料表面存在铜离子,所以该材料在海水环境中还具有抑制海生物生长的能力。从生产厂家提供的BFe30??1??1铜镍合金材料化学成分(表

图3??海水入口侧管端堵塞状况

1)来看,该材料的化学成分与美国70Cu??30Ni??0??5Fe合金材料(牌号C71500)标准要求。

\[2\]

(4)在浮头盖和钩圈外表面发现近1m长的析盐痕迹,浮头密封面垫片已部分挤出,法兰密封面处的泄漏面积达20%左右(图4),浮头和钩圈连接处

的紧固件出现明显的松动现象。

相当,满足相关

表1??BFe30??1??1铜镍合金材料化学成分

组成元素CuNi+CoFeZnSi

含量(%)BAL29~320??5~1??0 0??3 0??15

组成元素Mn

CPSn

含量(%)0??5~1??0 0??05 0??006 0??03

2??1??2??物理及机械性能

BFe30??1??1铜镍合金材料的物理性能见表2。

图4??浮头法兰密封面泄漏点

从表2可以看到,该材料密度与纯铜相当,熔点高于纯铜,比热容、导热系数及线膨胀系数均小于纯钢,

导热系数接近于碳钢\[2\],其可焊性好,焊接过程无需预热。

表2??BFe30??1??1铜镍合金材料物理性能

参??数

熔点(!)密度(g/

cm3)

导热系数(W/m?K)线膨胀系数(1/!)比热容(J/kg?!)

测试值12308??937??216#10-6

387

(5)换热管与管板连接部位的环向焊缝出现了大面积的腐蚀坑,最大腐蚀深度达2mm,腐蚀形貌呈洼状,管端腐蚀形貌呈不规则的波纹状(图5)。

检查发现,腐蚀区域均集中在海水入口侧的换热管焊缝区域和管端,腐蚀管数大约占单程换热管数的80%;而在海水出口侧管端及焊缝区域未发现类似

腐蚀现象。

BFe30??1??1铜镍合金材料的机械性能见表3。从表3可以看到,与耐海水腐蚀的工业纯钛TA1和TA2相比,该材料的抗拉强度高于TA1,略低于TA2,延伸率与TA1、TA2基本相当,但其硬度远

表3??3种耐海水腐蚀材料机械性能比较

图5??固定管板海水进口管端及焊缝区域腐蚀状况

\[2-4\]

2??泄漏原因分析

2??1??材质分析

2??1??1??化学成分

材料BFe30??1??1TA2TA1

状态退火退火退火

抗拉强度

(MPa)455~550440~620370~530

延伸率(%)?20?18?20

硬度(HB)90~95198~224168~183

??70中国海上油气2008年??

远低于TA1和TA2。因此,BFe30??1??1铜镍合金材料的耐磨性相对较差,抗海水冲刷能力受到一定限制。

2??1??3??金相组织

采用SEM扫描电镜对BFe30??1??1海水冷却器换热管试样进行了金相组织分析,结果表明合金中的镍元素已完全溶入铜元素中,形成了无限固溶体;换热管试样材料基体呈单一的??相组织形式,基体晶粒内部和晶界处分布有少量的富铁相(图6),符

合相关标准要求。

2??2??3??焊接接头的金相组织

图8为BFe30??1??1铜镍海水冷却器换热管与管板焊接接头的金相组织照片,可以看到,焊缝区域金相组织与母材相当,焊接区域未发现异常物质,说明焊接工艺合理。

图8??BFe30??1??1换热管与管板焊接接头金相组织(800#)

为考察焊接接头的抗拉脱能力,对相同材质的焊接试板进行了拉伸试验,其焊接接头的拉伸断口形貌为典型的韧性断口,韧窝大而深,分布较为均匀

图6??BFe30??1??1换热管试样材料金相组织(120#)

2??2??焊接性能分析2??2??1??焊接结构

BFe30??1??1海水冷却器换热管与管板的连接形式采用强度焊加贴胀的方法。换热管为??19mm#2mm的BFe30??1??1铜镍合金管材,管板为16Mn锻+BFe30复合管板,复层厚度为8mm。焊缝形式采用环向角焊缝,坡口尺寸为2#45%。考虑到海水中固体颗粒对管端的冲刷问题,将管端突出管板表面3mm。BFe30??1??1海水冷却器换热管与管板的焊接结构如图7

所示。

(图9);韧窝的端部较小,数量也少,开始时形成的微孔也较少,说明换热管与管板的焊缝区域具有良好的塑性及韧性。

图9??BFe30??1??1焊接试板的焊接接头拉伸断口(500#)

2??3??海水水质分析

渤海海域海水除含有少量的碳酸盐、碳酸氢盐等化合物外,其主要化学成分见表4。从表4中可以看出,塘沽海域的海水全盐分含量最高,其中氯化物总含量达到了2??808%,硫酸盐含量达0??297%,说明该海域海水的Cl-离子和SO42-离子含量相对较高,腐蚀性较强\[5\]。

图7??BFe30??1??1换热管与管板的焊接结构图

表4??渤海海域海水主要化学成分

海域塘沽

营口金州

NaCl2??4602??3732??441

MgCl20??348

0??3280??327

MgSO40??1630??1720??176

CaSO40??134

0??1480??135

(%)??

全盐量3??105

3??0213??079

2??2??2??焊丝化学成分

为保证焊接接头性能,焊接材料的选择原则采用&等成分原则?。焊丝选用符合美国AWS5??7标准的ERNiCu??7焊丝,除添加了0??28%的钛元素外,焊丝的其他化学成分与母材大致相同,钛元素的添加

????与其他海域相比,渤海海域水深较浅,海水水质,

??第20卷??第1期金晓男等:BFe30??1??1铜镍海水冷却器管侧泄漏原因分析??71

对较差,海水中的固体悬浮物及微生物较多,水质混浊并伴有泥砂。冬季渤海海水温度相对较低,一般

在13~14!,而此时冷却器的海水用量相对较少,海水中的Ca2+等金属离子易与CO32-等离子形成垢物;同时,海泥及菌类也极易粘附于或沉积于材料表面,使防腐钝化膜的形成困难,并引发材料的局部腐蚀。而夏秋两季,渤海海水水温相对较高,一般在18~28!,且海水流动性好,海水洁净度相对较高,但此时冷却器的海水用量相对较大,因此换热管管端及其环向焊缝受到的海水冲刷作用较强,这也会引起管端冲蚀问题。研究表明,在含砂率为0??3%的流动海水中试验10天,BFe30??1??1合金材料的腐蚀速率比海水不含砂时增加了6??3倍。可见,BFe30??1??1合金材料对含砂海水的腐蚀极为敏感。2??4??运行状况分析

BFe30??1??1铜镍海水冷却器是通过提升泵泵入海水的,提升泵吸入口距离海底约5m。海水进入冷却器前,要经过两级过滤器过滤,并经过电解铀防海生物系统的处理。但实际运行时,考虑到电解铀装置的电化学腐蚀作用会使海水提升泵叶轮严重腐蚀,所以电解铀装置开度不大,这可能导致海生物在海水系统里不断繁殖长大。当这些较大、坚硬的海生物进入冷却器后,在高速流动的海水作用下不断撞击管端,部分较大的海生物硬壳被击碎,并在海水的作用下不断磨蚀管端及其焊缝,最终导致焊缝区域泄漏。同样,海生物堵塞大量换热管后,会使管内海水的流通面积大大减小,冷却器传热效率明显降低,而为使原油温度达到进舱要求,控制系统需加大海水调节阀开度,使海水流量大幅增加,这会明显加强海水对管板、换热管管端及焊缝区域的冲刷作用。检查中,在距管端30mm范围内的换热管内表面发现大量分布均匀的鱼鳞状点蚀坑,在管端及焊缝区域发现大面积凹凸不平的腐蚀面,局部焊缝出现微小的孔洞。分析认为,夹杂固体颗粒和海生物的海水的强力冲刷,是管端腐蚀和焊缝泄漏的主要原因。检查还发现,某些换热管管端及焊缝的局部区域显现出明显的天蓝色痕迹,化验分析表明该痕迹物质为CuSO4。分析认为,产生这种现象的原因是富铜富镍的BFe30??1??1焊接接头表面受到夹杂海生物和泥砂的海水不断地冲刷,表层金属钝化膜脱落,焊缝表面的铜离子直接与海泥中的

\[6\]

浮头密封面的失效是由于管箱内部海生物碎片在大流量海水作用下随机堵塞了部分换热管,使流过管束的海水对浮头盖产生不规则的射流作用,这种较大的流体冲击力随机地撞击浮头盖内表面的不同部位,导致浮头紧固件逐渐松动而致。

2??5??腐蚀机理分析

BFe30??1??1铜镍合金材料在渤海海域的腐蚀,主要是点蚀和冲刷作用共同造成的。海生物及污泥在材料表面的附着和沉积,隔离了铜镍合金表面的氧,使受到高速流动海水冲刷的金属表层的钝化膜破裂,富铜表面外露,在乏氧的条件下,钝化膜再生能力较差,难以快速生成氧化亚铜薄膜;而在温度20~30!、pH值7??0~7??5的条件下,一些海生物及污泥中的硫酸盐厌氧菌生长速度较快,将海水中的SO42-还原为S2-,最后生成H2S,导致材料局部点蚀。另外,材料富铜表面的Cu2+与SO42-离子反应生成CuSO4,也加速了点蚀倾向。点蚀坑在上述条件下迅速扩展,即发生了管板和管端的局部腐蚀现象(图10)。

图10??BFe30??1??1海水冷却器管板腐蚀现象

冲刷腐蚀是由于含有固体颗粒的高速流动的海水与金属表面之间存在相对运动产生的,它破坏了合金表层的钝化膜,而使腐蚀进一步加剧,尤其是管端流体的突然改向,使得流体与材料间产生很高的剪应力,对材料钝化膜的破坏更为严重,使金属表面产生诸如沟状、洼状、波纹状等腐蚀形貌(图11)。

图11??BFe30??1??1换热管内表面局部腐蚀状况

??72中国海上油气2008年??

点蚀和冲刷腐蚀共同作用造成的破坏性要比其分别作用破坏性的总和更为严重

\[1\]

。

Ananalysisoftheleakageproblemonthetubeside

ofaBFe30??1??1cupronickelseawatercoolerJinXiaonan1??DouTao1??PeiZhengang1

JingYuanbin2??DengZhihong1

(1??No.703ResearchInstituteofChinaStateShipbuildingHeavyIndustryGroupCorporation,Heilongjiang,150036;

2??FieldConstructionEngineeringCo.,EnterpriseCorporation,CNOOC,Guangdong,524057)

3??预防措施

点蚀和冲刷腐蚀的共同作用是渤海某FPSO上

BFe30??1??1铜镍海水冷却器换热管管端、焊缝腐蚀以及浮头密封面失效导致原油泄漏的主要原因。因此,建议采取如下预防措施:

(1)如果海水处理系统不能保证海水水质的洁净度要求,建议海水冷却器换热管采用TA2等耐腐蚀和耐冲刷的材料。

(2)换热管与管板的连接形式可采用复层开槽的胀焊结构,这样可减少维修和维护费用,延长设备的维修周期。

(3)根据实际运行情况,灵活控制冷却器管束的清洁周期。鉴于目前渤海海域的水质状况,建议冷却器管束的清洗周期定为1年。

(4)在冷却器橇内增加一级可视过滤器,以便操作人员随时监控冷却器运行情况。另外,可根据实际运行情况,在海水里加入适当的微生物抑制剂和杀菌剂。

(5)在实际运行过程中,应密切监控冷却器海水侧的压降变化,合理地调节电解铀装置的开度,以便及时有效地控制海生物的生长,减少类似故障的发生。

本文撰写中得到了王秋敏研究员的精心指导,在此谨致谢意。

参

考

文

献

[1]??舒马赫M.海水腐蚀手册[M].李大超,等,译.北京:国防工业

出版社,1985.

[2]??黄嘉琥.压力容器材料实用手册[M].北京:化学工业出版社,

1988.

[3]??中国焊接协会.焊接材料手册[M].北京:机械工业出版社,

1998.

[4]??黄嘉琥,应道宴,等.钛制化工容器[M].北京:化学工业出版

社,1994.

[5]??李金桂,赵闺彦.腐蚀和腐蚀控制手册[M].北京:国防工业出

版社,1988.

[6]??王曰义.海水冷却系统的腐蚀及其控制[M].北京:化学工业出

版社,2006.

收稿日期:2007??04??05??改回日期:2007??06??18

Abstract:TheleakageproblemhappenedatthetubesideofaBFe30??1??1seawatercoolerduringtis

operationonaFPSOinBohaisea.Thecausesoftheleakagehavebeenanalyzedsystematicallyfromthefactorsofmaterials,weldingperformance,sea??waterquality,operatingconditionsandcorrosionmechanism,etc.andthepreventionmeasureshavebeenpresented.Itisfoundthatthecorrosionofthecoolerheatexchangetubesandweldzoneiscausedmainlybythecombinedactionofseawaterpitcorrosionandscouring,andthefailureofthefloating??headsealingfaceiscausedmainlybytheunstableliquidshockresultingfromtherandomcloggingofgreatquantityofmarineorganismsinheatexchangetubes.Itisrecommendedtouseheatexchangetubesmadebycorrosionandscou??ringresistantmaterial,suchasTA2,etc.,andtoadoptthedouble??layerslottedexpansionweldingtoconnecttheheatexchangetubesandtubeplates.Moreover,aflexiblewashingcycleofcoolertubebanksshouldbeuseddependingonactualoperat??ingconditionsandthepressure??dropchangesattheseawatersideofthecoolershouldbemonitoredclosely,therebytoregulatetheopennessofthee??lectrolysisuraniumdevicerationally.

Keywords:BFe30??1??1cupronickel;seawatercool??er;tube??sideleakage;causeanalysis;preventionmeasures

(编辑:张金棣)