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CO(2)液化单元二级分离器开裂失效分析与防护

文档作者：王敬楠１，杨琰嘉１，王宁１，杜延年１，秦强２文档来源：１．中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心２．中石化东北油气分公司松原采气厂		更新日期： 2026年05月09日	点击数：
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２０２５年第４２卷第４期石油化工腐蚀与防护ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ＆ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮＩＮＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ 失效分析
引用格式：王敬楠，杨琰嘉，王　宁，等．ＣＯ２液化单元二级分离器开裂失效分析与防护［Ｊ］．石油化工腐蚀与防护，２０２５，４２（４）：２９３３．
ＷＡＮＧＪｉｎｇｎａｎ，ＹＡＮＧＹａｎｊｉａ，ＷＡＮＧＮｉｎｇ，ｅｔａｌ．ＦａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｅｐａｒａｔｏｒｃｒａｃｋｉｎｇｉｎＣＯ２ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ
ｕｎｉｔ［Ｊ］．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ＆ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ，２０２５，４２（４）：２９３３．
ＣＯ２ 液化单元二级分离器开裂失效分析与防护
王敬楠１，杨琰嘉１，王　宁１，杜延年１，秦　强２
（１．中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心，河南洛阳４７１００３；
２．中石化东北油气分公司松原采气厂，吉林松原１３８０９９）
摘要：为明确ＣＯ２液化单元二级分离器上封头发生开裂失效的原因，采用水质分析、腐蚀形貌
分析、硬度分析、材质化学成分分析、金相组织分析、力学性能分析和能谱分析等多种检测方法对
失效样件开展研究。分析发现，该设备因支腿支撑，重心较高，呈柔性结构，固有频率相对较低；且
分离器内气相流动不稳定，易形成气流脉动，产生随时间变化的激振力，诱发二级分离器的振动。
当振动较大引起二级分离器共振时，会造成局部较大形变与交变应力集中，在这种局部交变应力
的作用下，上封头等有应力集中的部位易于发生振动疲劳破坏。基于上述失效机理，提出了针对
性的预防措施。
关键词：ＣＯ２液化单元；分离器；开裂；振动疲劳
收稿日期：２０２４１１０７；修回日期：２０２５０５２２。
作者简介：王敬楠（１９９５—），工程师，硕士，２０２０年毕业于华
东理工大学，主要从事石化设备腐蚀与防护研究工作。
Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｊｉｎｇｎａｎ．ｓｅｇｒ＠ｓｉｎｏｐｅｃ．ｃｏｍ
基金项目：中国石化科技开发项目“ＣＯ２捕集系统的选材
优化与腐蚀控制研究及应用”（３２２８９９）
１　二级分离器基本情况
国内某企业集输处理站在计划大检修期间
发现，ＣＯ２液化单元二级分离器发生开裂。该分
离器自２０１２年投用以来，累计发生约１０次开
裂，裂纹位置主要集中在上封头管口热影响区、
上封头环缝热影响区和容器地脚支撑处，如图１
所示。
图１　ＣＯ２液化单元二级分离器裂纹形貌
ＣＯ２液化单元的ＣＯ２ 压缩机Ｋ３５１１采用四
级压缩工艺，级间设置有分离器。各级分离器均
于２０１２年投用，材质为３０４不锈钢，结构形式为
立式分离罐。其中，二级分离器操作压力０．４７
ＭＰａ，操作温度３６℃，液位长期处于１０％以下。
二级分离器采用三腿支撑结构（见图２），设备运
行时存在振动现象，分离器各点振动速度普遍超
１０ｍｍ／ｓ，部分点位达３０ｍｍ／ｓ，其振动速度比其
他级分离器均要高一些。
２　检测分析方法
采用体视显微镜对裂纹进行观察，以分析裂
纹形貌；通过硬度检测分析失效样件的制造质
量；通过材质化学成分分析和力学性能分析，明
确失效样件材质的合格性；通过对开裂部位进
行金相组织分析，明确裂纹延伸形态，并判断服
役过程中该部位是否有不良组织转变；通过对
裂纹内的化合物进行能谱分析，判断裂纹中化
合物的特性。
图２　二级分离器支撑结构
２９
　　
失效分析石油化工腐蚀与防护２０２５年第４２卷
３　检测分析结果
３．１　水质分析
对各级分离器的现场水样进行分析，分析结
果见表１。从表中可以看出，与其他级分离器相
比，二级分离器水样中腐蚀性介质含量均不高，如
二级分离器水样中Ｃｌ－质量浓度为０．３２４ｍｇ／Ｌ，
ＨＣＯＯ－质量浓度为０．１７１ｍｇ／Ｌ，Ｃ２Ｏ２－
４ 质量浓度
为０．３５９ｍｇ／Ｌ，未检出ＣＨ３ＣＯＯ－。
表１　各级分离器水质分析ｍｇ／Ｌ
项　目一级二级三级四级
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　腐蚀形貌
上封头管口热影响区出现裂纹，如图３所示。
开裂部位经切割后，切割样件如图４所示。从图
中可以看出，裂纹沿上封头径向扩展，裂纹长度约
５ｃｍ，开裂后现场进行了补焊。对裂纹的横截面
进行观察（图５），发现上封头裂纹已经贯穿，裂纹
下部为补焊区域。
图３　上封头管口热影响区开裂形貌
图４　上封头管口切割样件
图５　上封头横截面裂纹形貌
３．３　硬度分析
对二级分离器上封头裂纹周围区域进行了硬
度检测，选点分布示意如图６所示，检测数据见
表２。结果表明裂纹周围的硬度在８９～１６４ＨＶ，
参照ＧＢ／Ｔ７１３．７—２０２３《承压设备用钢板和钢带
第７部分：不锈钢和耐热钢》对３０４不锈钢钢板的
材质硬度规定（≤２１０ＨＶ），可以得出上封头裂纹
周围区域的硬度达标率为１００％，满足要求。
图６　硬度检测点分布
表２　上封头裂纹周围区域硬度检测数据
位点编号测量平均值／ＨＶ 标准要求／ＨＶ 结果
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液化单元二级分离器开裂失效分析与防护失效分析
续表２
位点编号测量平均值／ＨＶ 标准要求／ＨＶ 结果
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　材质化学成分分析
对二级分离器上封头的基材进行了材质化学
分析，分析方法参照标准ＧＢ／Ｔ２０１２３—２００６《钢
铁　总碳硫含量的测定　高频感应炉燃烧后红外
吸收法（常规方法）》和ＳＮ／Ｔ３３４３—２０１２《不锈钢
中锰、磷、硅、铬、镍、铜、钼和钛含量的测定电感
耦合等离子体原子发射光谱法》，分析数据见
表３。参照ＧＢ／Ｔ２０８７８—２０２４《不锈钢　牌号及
化学成分》中规定的材质化学成分含量要求，二
级分离器上封头母材Ｃｒ元素含量为１７．１８％，略
微低于标准值。
表３　上封头基材化学元素含量分析结果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 —
测定值０．０４６ ０．３９６ １．１２ ＜０．００５０ ０．０２７ １７．１８ ８．０７ ０．０２９
３．５　金相组织分析
由于焊接部位系母材开裂后补焊而成，因此
仅考察母材和裂纹附近的金相组织，焊缝附近的
金相组织不在考察范围内。采用王水溶液对样品
进行侵蚀处理，使用金相显微镜对裂纹横截面进
行观察，并参照标准ＧＢ／Ｔ１３２９８—２０１５《金属显
微组织检验方法》进行了金相组织分析，金相图
如图７至图１０所示。
图７　裂纹附近金相组织形貌（５００倍）
图８　裂纹附近金相组织形貌（１００倍）
结果显示，失效样件母材和裂纹附近金相组
织均为孪晶奥氏体、马氏体和铁素体，马氏体是异
常组织，可能是封头冷成形但未进行固溶处理所
致。整体裂纹走向较为平直，多为穿晶型。
图９　母材金相组织形貌（５００倍）
图１０　母材金相组织形貌（１００倍）
３．６　力学性能分析
依据标准ＧＢ／Ｔ２２８．１—２０２１《金属材料　拉
３１
　　
失效分析石油化工腐蚀与防护２０２５年第４２卷
伸试验　第１部分：室温试验方法》和ＧＢ／Ｔ
２２９—２０２０《金属材料　夏比摆锤冲击试验方法》
对失效样件进行了力学性能分析，常温拉伸性能
数据见表４，冲击性能数据见表５。参照ＧＢ／Ｔ
７１３．７—２０２３《承压设备用钢板和钢带　第７部
分：不锈钢和耐热钢》对３０４Ｌ材质的拉伸性能的规
定，失效样件的拉伸性能均达到标准规定要求，且
失效样件在不同温度下的冲击性能接近。
表４　失效样件材质拉伸性能测定结果
项　目测量值ＧＢ／Ｔ７１３．７—２０２３ 备注
屈服强度Ｒｐ０．２／ＭＰａ ２６８ ≥２２０ 合格
抗拉强度Ｒｍ／ＭＰａ ７２８ ≥５００ 合格
断后伸长率Ａ，％ ５１ ≥４５ 合格
表５　失效样件材质冲击性能测量结果
试验条件／℃ 测量平均值／Ｊ
２０ １４２
０ １４７
－２０ １４８
３．７　能谱分析
参照标准ＧＢ／Ｔ１７３５９—２０２３《微束分析　原
子序数不小于１１的元素能谱法定量分析》对失
效样件的截面裂纹进行能谱（ＥＤＳ）分析，位点分
布如图１１所示，数据见表６，结果表明裂纹中的
Ｃｒ含量普遍偏低，最低至２．１５％，可能发生了敏
化形成贫铬区。
图１１　裂纹分析位点分布
表６　裂纹不同位点的ＥＤＳ分析数据ｗ，％
位　置Ｆｅ Ｎｉ Ｏ Ｃ Ｋ Ｃｒ Ｓｉ Ａｌ Ｃｌ
位点１ ８．１６ ０．６９ １５．４７ ２１．９９ １．０６ ３．３１ ３０．０３ １６．９４ ０．９２
位点２ ３９．４６ ７．２０ ９．４６ １３．２１ ０．５９ １３．２８ １０．８４ ５．７４ ０．２４
位点３ ２４．９８ ２．０４ １３．７７ ２１．７６ ０．３５ ７．０２ ２２．７５ ６．３１ ０．１６
位点４ ７．１９ ０．６１ ７．４１ ４３．２６ — ２．１５ ３９．１８ — ０．２０
位点５ ４３．７８ ３．９１ １１．５１ １８．０９ １．２０ １０．８９ ８．７９ １．５４ ０．２８
３．８　检验结果分析
（１）二级分离器操作压力０．４７ＭＰａ，操作温
度３６℃，液位长期处于１０％以下，曾多次出现开
裂泄漏问题，裂纹位置主要出现在上封头管口热
影响区、上封头环缝热影响区和容器地脚支撑处。
设备运行中存在振动现象，分离器各点振动速度
普遍超１０ｍｍ／ｓ，部分点位达３０ｍｍ／ｓ，其振动速
度比其他级分离器均要高一些。分离器振动的原
因：分离器基础较高，致重心较高；分离器为三腿
支撑结构而非塔裙支撑，设计形式不合理；内部气
流脉冲剧烈，导致设备振动速度偏大。
（２）宏观观察发现，裂纹沿上封头径向扩展，
裂纹长度约５ｃｍ，开裂后进行了现场补焊。
（３）裂纹周围硬度为８９～１４９ＨＶ，上封头裂
纹周围区域的硬度达标率为１００％，满足要求。
（４）二级分离器上封头母材Ｃｒ元素含量为
１７．１８％，略低于标准值。
（５）失效样件母材和裂纹附近的金相组织均
为孪晶奥氏体、马氏体和铁素体，马氏体是异常组
织，可能是封头冷成形但未进行固溶处理所致。
整体裂纹走向较为平直，多为穿晶型。
（６）失效样件的拉伸性能均达到标准规定要
求，且失效样件在不同温度下的冲击性能接近。
（７）裂纹中Ｃｒ含量普遍偏低，最低至２．１５％，
可能发生了敏化形成贫铬区。
基于上述检验结果，推测二级分离器因振动
疲劳造成设备开裂失效。
４　失效原因分析
通过系统分析二级分离器的服役环境、腐蚀
形貌、硬度、材质化学成分、金相组织、力学性能和
裂纹中化合物的组成等信息，结合工况条件和介
质组成，推测二级分离器的失效类型为振动疲劳。
二级分离器为三个支腿支撑，非塔裙支撑，重心较
高，从结构来看，该系统属于一个柔性结构，固有
频率相对较低。分离器内气相流动具有不稳定的
特征，易于形成气流脉动［１２］，且二级分离器气流
脉动较其他级分离器大，这种气流脉动对分离器
系统形成随时间变化的激振力，诱发二级分离器
的振动。当振动较大引起二级分离器共振时，会
３２
　　
第４期王敬楠，等．ＣＯ２液化单元二级分离器开裂失效分析与防护失效分析
造成局部较大形变，同时产生局部较大的交变应
力［３４］。在这种局部交变应力的作用下，一些有应
力集中的部位（如上封头管口、上封头环焊缝和
容器地脚支撑处）易于发生振动疲劳破坏［５６］。
５　腐蚀控制措施
为避免类似事件的再次发生，基于失效原因
分析提出如下建议：
（１）优化设计：采用加强支撑降低振动，如更
改分离器支撑结构，从支腿支撑改为塔裙支撑，降
低平台高度。
（２）加装减振器：可以通过加装减振阻尼器，
减少装置振动。减振阻尼设备利用阻尼液增大管
道及设备系统的阻尼，提高装置整体的刚度和阻
尼，避开对低阶激振力的响应，以减小装置的振
动。其具有以下优点：在任意方向均可产生阻尼；
阻尼效应无时间延迟；对冲击载荷产生较大的阻
尼；对小振幅亦有良好效果；受环境温度的影响
小；阻尼液性能稳定，免维护等。
６　结　论
通过对ＣＯ２ 液化单元二级分离器进行失效
分析，得出其腐蚀失效类型为振动疲劳引起的疲
劳开裂。建议更改二级分离器支撑结构，改为塔
裙支撑，并加装减振器，以避免类似事件的再次
发生。
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ｉｎＣＯ２ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎｕｎｉｔ
ＷＡＮＧＪｉｎｇｎａｎ１，ＹＡＮＧＹａｎｊｉａ１，ＷＡＮＧＮｉｎｇ１，ＤＵＹａｎｎｉａｎ１，ＱＩＮＱｉａｎｇ２
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ｉｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｇａｓｐｈａｓｅｆｌｏｗｉｎｓｉｄｅｔｈｅｓｅｐａｒａｔｏｒｗａｓｕｎｓｔａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ
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ｔｉｎｇｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｌｏｃａｌａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｓｔｒｅｓｓ，ｒｅｇｉｏｎｓｗｉｔｈｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｕｃｈａｓｔｈｅｕｐｐｅｒｈｅａｄ
ｗｅｒｅｐｒｏｎｅｔｏｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｆａｉｌｕｒｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔａｒｇｅｔｅｄｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＯ２ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎｕｎｉｔ；ｓｅｐａｒａｔｏｒ；ｃｒａｃｋｉｎｇ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ
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