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CO(2)液化單元二級分離器開裂失效分析與防護

文檔作者：王敬楠１，楊琰嘉１，王寧１，杜延年１，秦強２文檔來源：１．中石化煉化工程集團洛陽技術研發中心２．中石化東北油氣分公司松原采氣廠		更新日期： 2026年05月09日	點擊數：
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２０２５年第４２卷第４期石油化工腐蝕與防護ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ＆ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮＩＮＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ 失效分析
引用格式：王敬楠，楊琰嘉，王　寧，等．ＣＯ２液化單元二級分離器開裂失效分析與防護［Ｊ］．石油化工腐蝕與防護，２０２５，４２（４）：２９３３．
ＷＡＮＧＪｉｎｇｎａｎ，ＹＡＮＧＹａｎｊｉａ，ＷＡＮＧＮｉｎｇ，ｅｔａｌ．ＦａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｅｐａｒａｔｏｒｃｒａｃｋｉｎｇｉｎＣＯ２ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ
ｕｎｉｔ［Ｊ］．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ＆ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ，２０２５，４２（４）：２９３３．
ＣＯ２ 液化單元二級分離器開裂失效分析與防護
王敬楠１，楊琰嘉１，王　寧１，杜延年１，秦　強２
（１．中石化煉化工程集團洛陽技術研發中心，河南洛陽４７１００３；
２．中石化東北油氣分公司松原采氣廠，吉林松原１３８０９９）
摘要：為明確ＣＯ２液化單元二級分離器上封頭發生開裂失效的原因，采用水質分析、腐蝕形貌
分析、硬度分析、材質化學成分分析、金相組織分析、力學性能分析和能譜分析等多種檢測方法對
失效樣件開展研究。分析發現，該設備因支腿支撐，重心較高，呈柔性結構，固有頻率相對較低；且
分離器內氣相流動不穩定，易形成氣流脈動，產生隨時間變化的激振力，誘發二級分離器的振動。
當振動較大引起二級分離器共振時，會造成局部較大形變與交變應力集中，在這種局部交變應力
的作用下，上封頭等有應力集中的部位易于發生振動疲勞破壞。基于上述失效機理，提出了針對
性的預防措施。
關鍵詞：ＣＯ２液化單元；分離器；開裂；振動疲勞
收稿日期：２０２４１１０７；修回日期：２０２５０５２２。
作者簡介：王敬楠（１９９５—），工程師，碩士，２０２０年畢業于華
東理工大學，主要從事石化設備腐蝕與防護研究工作。
Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｊｉｎｇｎａｎ．ｓｅｇｒ＠ｓｉｎｏｐｅｃ．ｃｏｍ
基金項目：中國石化科技開發項目“ＣＯ２捕集系統的選材
優化與腐蝕控制研究及應用”（３２２８９９）
１　二級分離器基本情況
國內某企業集輸處理站在計劃大檢修期間
發現，ＣＯ２液化單元二級分離器發生開裂。該分
離器自２０１２年投用以來，累計發生約１０次開
裂，裂紋位置主要集中在上封頭管口熱影響區、
上封頭環縫熱影響區和容器地腳支撐處，如圖１
所示。
圖１　ＣＯ２液化單元二級分離器裂紋形貌
ＣＯ２液化單元的ＣＯ２ 壓縮機Ｋ３５１１采用四
級壓縮工藝，級間設置有分離器。各級分離器均
于２０１２年投用，材質為３０４不銹鋼，結構形式為
立式分離罐。其中，二級分離器操作壓力０．４７
ＭＰａ，操作溫度３６℃，液位長期處于１０％以下。
二級分離器采用三腿支撐結構（見圖２），設備運
行時存在振動現象，分離器各點振動速度普遍超
１０ｍｍ／ｓ，部分點位達３０ｍｍ／ｓ，其振動速度比其
他級分離器均要高一些。
２　檢測分析方法
采用體視顯微鏡對裂紋進行觀察，以分析裂
紋形貌；通過硬度檢測分析失效樣件的制造質
量；通過材質化學成分分析和力學性能分析，明
確失效樣件材質的合格性；通過對開裂部位進
行金相組織分析，明確裂紋延伸形態，并判斷服
役過程中該部位是否有不良組織轉變；通過對
裂紋內的化合物進行能譜分析，判斷裂紋中化
合物的特性。
圖２　二級分離器支撐結構
２９
　　
失效分析石油化工腐蝕與防護２０２５年第４２卷
３　檢測分析結果
３．１　水質分析
對各級分離器的現場水樣進行分析，分析結
果見表１。從表中可以看出，與其他級分離器相
比，二級分離器水樣中腐蝕性介質含量均不高，如
二級分離器水樣中Ｃｌ－質量濃度為０．３２４ｍｇ／Ｌ，
ＨＣＯＯ－質量濃度為０．１７１ｍｇ／Ｌ，Ｃ２Ｏ２－
４ 質量濃度
為０．３５９ｍｇ／Ｌ，未檢出ＣＨ３ＣＯＯ－。
表１　各級分離器水質分析ｍｇ／Ｌ
項　目一級二級三級四級
ＨＣＯＯ－ ０．１１５ ０．１７１ ３．４７ ２．０５
ＣＨ３ＣＯＯ－ — — ２．０２ １．２７
Ｃｌ－ ４．８２ ０．３２４ ０．４８１ ０．３８２
ＮＯ２－ — — — —
ＣＯ２３－ １３．０ １４．９ １２．９ ２１．２
ＳＯ２４－ ４．０４ １．３１ ４．３７ ２．６０
ＮＯ３－ ０．５０５ ０．３０５ ０．４０８ ０．３７４
Ｃ２Ｏ２４－ ０．３２４ ０．３５９ — ０．３８３
３．２　腐蝕形貌
上封頭管口熱影響區出現裂紋，如圖３所示。
開裂部位經切割后，切割樣件如圖４所示。從圖
中可以看出，裂紋沿上封頭徑向擴展，裂紋長度約
５ｃｍ，開裂后現場進行了補焊。對裂紋的橫截面
進行觀察（圖５），發現上封頭裂紋已經貫穿，裂紋
下部為補焊區域。
圖３　上封頭管口熱影響區開裂形貌
圖４　上封頭管口切割樣件
圖５　上封頭橫截面裂紋形貌
３．３　硬度分析
對二級分離器上封頭裂紋周圍區域進行了硬
度檢測，選點分布示意如圖６所示，檢測數據見
表２。結果表明裂紋周圍的硬度在８９～１６４ＨＶ，
參照ＧＢ／Ｔ７１３．７—２０２３《承壓設備用鋼板和鋼帶
第７部分：不銹鋼和耐熱鋼》對３０４不銹鋼鋼板的
材質硬度規定（≤２１０ＨＶ），可以得出上封頭裂紋
周圍區域的硬度達標率為１００％，滿足要求。
圖６　硬度檢測點分布
表２　上封頭裂紋周圍區域硬度檢測數據
位點編號測量平均值／ＨＶ 標準要求／ＨＶ 結果
１ １３０ ≤２１０ 合格
２ １４３ ≤２１０ 合格
３ １３９ ≤２１０ 合格
４ １３４ ≤２１０ 合格
５ １４３ ≤２１０ 合格
６ １４３ ≤２１０ 合格
７ １３６ ≤２１０ 合格
８ １２３ ≤２１０ 合格
９ １２１ ≤２１０ 合格
１０ １２５ ≤２１０ 合格
１１ １０２ ≤２１０ 合格
１２ １１６ ≤２１０ 合格
１３ １２１ ≤２１０ 合格
１４ １４３ ≤２１０ 合格
１５ １４６ ≤２１０ 合格
１６ １４９ ≤２１０ 合格
１７ １６４ ≤２１０ 合格
３０
　　
第４期王敬楠，等．ＣＯ２液化單元二級分離器開裂失效分析與防護失效分析
續表２
位點編號測量平均值／ＨＶ 標準要求／ＨＶ 結果
１８ １２９ ≤２１０ 合格
１９ １４９ ≤２１０ 合格
２０ １１２ ≤２１０ 合格
２１ １０５ ≤２１０ 合格
２２ １１２ ≤２１０ 合格
２３ １１２ ≤２１０ 合格
２４ ８９ ≤２１０ 合格
２５ １３６ ≤２１０ 合格
２６ １４５ ≤２１０ 合格
２７ １２９ ≤２１０ 合格
３．４　材質化學成分分析
對二級分離器上封頭的基材進行了材質化學
分析，分析方法參照標準ＧＢ／Ｔ２０１２３—２００６《鋼
鐵　總碳硫含量的測定　高頻感應爐燃燒后紅外
吸收法（常規方法）》和ＳＮ／Ｔ３３４３—２０１２《不銹鋼
中錳、磷、硅、鉻、鎳、銅、鉬和鈦含量的測定電感
耦合等離子體原子發射光譜法》，分析數據見
表３。參照ＧＢ／Ｔ２０８７８—２０２４《不銹鋼　牌號及
化學成分》中規定的材質化學成分含量要求，二
級分離器上封頭母材Ｃｒ元素含量為１７．１８％，略
微低于標準值。
表３　上封頭基材化學元素含量分析結果ｗ，％
元　素Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｓ Ｐ Ｃｒ Ｎｉ Ｃｕ
ＧＢ／Ｔ２０８７８—２０２４ ≤０．０８ ≤１．００ ≤２．００ ≤０．０３０ ≤０．０４５ １８．０～２０．０ ８．０～１１．０ —
測定值０．０４６ ０．３９６ １．１２ ＜０．００５０ ０．０２７ １７．１８ ８．０７ ０．０２９
３．５　金相組織分析
由于焊接部位系母材開裂后補焊而成，因此
僅考察母材和裂紋附近的金相組織，焊縫附近的
金相組織不在考察范圍內。采用王水溶液對樣品
進行侵蝕處理，使用金相顯微鏡對裂紋橫截面進
行觀察，并參照標準ＧＢ／Ｔ１３２９８—２０１５《金屬顯
微組織檢驗方法》進行了金相組織分析，金相圖
如圖７至圖１０所示。
圖７　裂紋附近金相組織形貌（５００倍）
圖８　裂紋附近金相組織形貌（１００倍）
結果顯示，失效樣件母材和裂紋附近金相組
織均為孿晶奧氏體、馬氏體和鐵素體，馬氏體是異
常組織，可能是封頭冷成形但未進行固溶處理所
致。整體裂紋走向較為平直，多為穿晶型。
圖９　母材金相組織形貌（５００倍）
圖１０　母材金相組織形貌（１００倍）
３．６　力學性能分析
依據標準ＧＢ／Ｔ２２８．１—２０２１《金屬材料　拉
３１
　　
失效分析石油化工腐蝕與防護２０２５年第４２卷
伸試驗　第１部分：室溫試驗方法》和ＧＢ／Ｔ
２２９—２０２０《金屬材料　夏比擺錘沖擊試驗方法》
對失效樣件進行了力學性能分析，常溫拉伸性能
數據見表４，沖擊性能數據見表５。參照ＧＢ／Ｔ
７１３．７—２０２３《承壓設備用鋼板和鋼帶　第７部
分：不銹鋼和耐熱鋼》對３０４Ｌ材質的拉伸性能的規
定，失效樣件的拉伸性能均達到標準規定要求，且
失效樣件在不同溫度下的沖擊性能接近。
表４　失效樣件材質拉伸性能測定結果
項　目測量值ＧＢ／Ｔ７１３．７—２０２３ 備注
屈服強度Ｒｐ０．２／ＭＰａ ２６８ ≥２２０ 合格
抗拉強度Ｒｍ／ＭＰａ ７２８ ≥５００ 合格
斷后伸長率Ａ，％ ５１ ≥４５ 合格
表５　失效樣件材質沖擊性能測量結果
試驗條件／℃ 測量平均值／Ｊ
２０ １４２
０ １４７
－２０ １４８
３．７　能譜分析
參照標準ＧＢ／Ｔ１７３５９—２０２３《微束分析　原
子序數不小于１１的元素能譜法定量分析》對失
效樣件的截面裂紋進行能譜（ＥＤＳ）分析，位點分
布如圖１１所示，數據見表６，結果表明裂紋中的
Ｃｒ含量普遍偏低，最低至２．１５％，可能發生了敏
化形成貧鉻區。
圖１１　裂紋分析位點分布
表６　裂紋不同位點的ＥＤＳ分析數據ｗ，％
位　置Ｆｅ Ｎｉ Ｏ Ｃ Ｋ Ｃｒ Ｓｉ Ａｌ Ｃｌ
位點１ ８．１６ ０．６９ １５．４７ ２１．９９ １．０６ ３．３１ ３０．０３ １６．９４ ０．９２
位點２ ３９．４６ ７．２０ ９．４６ １３．２１ ０．５９ １３．２８ １０．８４ ５．７４ ０．２４
位點３ ２４．９８ ２．０４ １３．７７ ２１．７６ ０．３５ ７．０２ ２２．７５ ６．３１ ０．１６
位點４ ７．１９ ０．６１ ７．４１ ４３．２６ — ２．１５ ３９．１８ — ０．２０
位點５ ４３．７８ ３．９１ １１．５１ １８．０９ １．２０ １０．８９ ８．７９ １．５４ ０．２８
３．８　檢驗結果分析
（１）二級分離器操作壓力０．４７ＭＰａ，操作溫
度３６℃，液位長期處于１０％以下，曾多次出現開
裂泄漏問題，裂紋位置主要出現在上封頭管口熱
影響區、上封頭環縫熱影響區和容器地腳支撐處。
設備運行中存在振動現象，分離器各點振動速度
普遍超１０ｍｍ／ｓ，部分點位達３０ｍｍ／ｓ，其振動速
度比其他級分離器均要高一些。分離器振動的原
因：分離器基礎較高，致重心較高；分離器為三腿
支撐結構而非塔裙支撐，設計形式不合理；內部氣
流脈沖劇烈，導致設備振動速度偏大。
（２）宏觀觀察發現，裂紋沿上封頭徑向擴展，
裂紋長度約５ｃｍ，開裂后進行了現場補焊。
（３）裂紋周圍硬度為８９～１４９ＨＶ，上封頭裂
紋周圍區域的硬度達標率為１００％，滿足要求。
（４）二級分離器上封頭母材Ｃｒ元素含量為
１７．１８％，略低于標準值。
（５）失效樣件母材和裂紋附近的金相組織均
為孿晶奧氏體、馬氏體和鐵素體，馬氏體是異常組
織，可能是封頭冷成形但未進行固溶處理所致。
整體裂紋走向較為平直，多為穿晶型。
（６）失效樣件的拉伸性能均達到標準規定要
求，且失效樣件在不同溫度下的沖擊性能接近。
（７）裂紋中Ｃｒ含量普遍偏低，最低至２．１５％，
可能發生了敏化形成貧鉻區。
基于上述檢驗結果，推測二級分離器因振動
疲勞造成設備開裂失效。
４　失效原因分析
通過系統分析二級分離器的服役環境、腐蝕
形貌、硬度、材質化學成分、金相組織、力學性能和
裂紋中化合物的組成等信息，結合工況條件和介
質組成，推測二級分離器的失效類型為振動疲勞。
二級分離器為三個支腿支撐，非塔裙支撐，重心較
高，從結構來看，該系統屬于一個柔性結構，固有
頻率相對較低。分離器內氣相流動具有不穩定的
特征，易于形成氣流脈動［１２］，且二級分離器氣流
脈動較其他級分離器大，這種氣流脈動對分離器
系統形成隨時間變化的激振力，誘發二級分離器
的振動。當振動較大引起二級分離器共振時，會
３２
　　
第４期王敬楠，等．ＣＯ２液化單元二級分離器開裂失效分析與防護失效分析
造成局部較大形變，同時產生局部較大的交變應
力［３４］。在這種局部交變應力的作用下，一些有應
力集中的部位（如上封頭管口、上封頭環焊縫和
容器地腳支撐處）易于發生振動疲勞破壞［５６］。
５　腐蝕控制措施
為避免類似事件的再次發生，基于失效原因
分析提出如下建議：
（１）優化設計：采用加強支撐降低振動，如更
改分離器支撐結構，從支腿支撐改為塔裙支撐，降
低平臺高度。
（２）加裝減振器：可以通過加裝減振阻尼器，
減少裝置振動。減振阻尼設備利用阻尼液增大管
道及設備系統的阻尼，提高裝置整體的剛度和阻
尼，避開對低階激振力的響應，以減小裝置的振
動。其具有以下優點：在任意方向均可產生阻尼；
阻尼效應無時間延遲；對沖擊載荷產生較大的阻
尼；對小振幅亦有良好效果；受環境溫度的影響
小；阻尼液性能穩定，免維護等。
６　結　論
通過對ＣＯ２ 液化單元二級分離器進行失效
分析，得出其腐蝕失效類型為振動疲勞引起的疲
勞開裂。建議更改二級分離器支撐結構，改為塔
裙支撐，并加裝減振器，以避免類似事件的再次
發生。
參考文獻
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（編輯　王素婷）
Ｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｅｐａｒａｔｏｒｃｒａｃｋｉｎｇ
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ｔｉｎｇｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｌｏｃａｌａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｓｔｒｅｓｓ，ｒｅｇｉｏｎｓｗｉｔｈｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｕｃｈａｓｔｈｅｕｐｐｅｒｈｅａｄ
ｗｅｒｅｐｒｏｎｅｔｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｆａｉｌｕｒｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔａｒｇｅｔｅｄｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．
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