分享：分离器液位计安装短管开裂原因

寇 国,毛仲强,胡启良,殷 稳,李 洋 

(中国石油塔里木油田分公司,库尔勒 841000) 

摘 要:某天然气机组二级入口分离器筒体外壁上用于安装液位计的短管存在裂纹,裂纹位于 管母材区域,为环向开裂。采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜分析、受力情况分析 等方法对短管开裂原因进行了综合分析。结果表明:在短管配合区的前1~2个螺纹的根部存在静 止且含有腐蚀性介质的积液;该区域在交变载荷的长期作用,以及拉应力与硫离子的耦合作用下萌 生裂纹;液位计与短管的配合尺寸不够、管壁受力面积较小、应力增大及腐蚀性介质等促进了裂纹 的进一步扩展。 

关键词:分离器;短管;开裂;疲劳;腐蚀 

中图分类号:TG142.1+4;TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)08-0050-04

天然气机组分离器的主要作用是对天然气进行 气液分离,将天然气中的水、固体颗粒等分离。某天 然气公司采用的分离器为立式分离器,分离后的天然 气从罐体上部排出,从上部排出的天然气中含有少量 的 H2S,O2,CO,CO2,H2O 等,罐体下部排出的为含 有固相颗粒以及 H2S,O2,CO,CO2 等杂质的水溶液, 该分 离 器 的 设 计 压 力 为 1.75 MPa,操 作 压 力 为 0.5MPa~0.8MPa。设计温度为100℃,操作温度约 为55℃。分离器罐体设计有液位计安装短管,液位 计安装短管为内螺纹管,采用螺纹方式连接液位计接 管,并与分离器筒体垂直,以焊接的方式连接,分离器 装置结构如图1所示,长度约为50mm,短管外径约 为44.8mm,材料为20 # 钢,液位计连接管端部阀门 至筒体总长约480mm,该分离器机组在运行过程中 存在振动,经检测其振动速度小于2.8mm/s。该液 位计安装短管发生了开裂,采用宏观观察、金相检验、 受力情况分析等方法对开裂短管进行分析。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察

对开裂短管的表面形貌、颜色、裂纹形态等进行 观察,为 了 清 晰 地 显 示 裂 纹 形 态,依 据 NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分:渗透 检测》的要求,对短管纵截面进行渗透检测。 从开裂短管的外壁进行观察,外壁呈灰色、防护 漆完好,发亮部位为裂纹区现场打磨后的痕迹;裂纹 位于短管母材区域,为环向开裂,裂纹较直、无分叉, 长约40mm,截取失效管段,沿管纵向剖开,管内壁 充满黑色和褐色垢物,垢物较为坚硬,难以清理。对 短管纵截面进行渗透检测,发现螺纹根部存在多条 沿管壁厚向管外壁扩展的裂纹,为环向裂纹;裂纹较 直且无分叉,接管内壁宏观形貌如图2所示。仔细 观察螺纹形貌与裂纹分布,短管与液位计接管配合 区内螺纹无垢物附着,其余部位螺纹内充满沉积性 垢物,裂纹均位于配合区之前第1~2个螺纹处,起 裂区位于螺纹根部,裂纹平行分布。清洗管内壁附 着垢物后,发现管内壁存在较多腐蚀坑,螺纹面和根 部均存在腐蚀痕迹,以均匀腐蚀形态为主,而配合区 内螺纹未受到介质的腐蚀作用,螺纹形态完好。 

1.2 化学成分分析 

开裂短管的化学成分分析结果如表1所示,其 化学成分符合 GB/T699—2015《优质碳素结构钢》 中对20 # 钢的要求。

1.3 金相检验

在安装该短管前,一般需要先对其进行热处理, 如退火、正火等。经了解,该短管材料为20 # 钢,其 交货状态为退火态,为检验其热处理状态是否满足 交货和使用要求,在短管开裂部位取样,以管纵截面 为检验面,采用光学显微镜观察其微观形貌,如图3 所示,由图3a)可知,夹杂物级别为 A0.5,由图3b) 可知,该短管的组织为铁素体+珠光体,整个截面上 组织均匀,管内壁、外壁亦无明显脱碳、腐蚀等痕迹, 组织正常。采用光学显微镜对裂纹微观形貌进行分 析,结果如图4所示,可见螺纹根部裂纹较宽,裂纹 宽度沿短管壁厚方向由内向外逐渐减小,再次证明 裂纹启裂于管内壁螺纹根部,并向管外壁扩展,裂纹 较直、无分叉,以穿晶扩展为主,裂纹尖端较钝,符合 疲劳开裂特征。

1.4 扫描电镜分析 

为进一步分析短管开裂原因,采用扫描电镜观 察螺纹根部裂纹面,发现断面平缓、光滑,且附着有 灰褐色垢物,断面存在由内向外扩展的条纹,扩展条 纹收敛方向指向裂纹源,即管内壁,这与宏观观察的 结果一致。进一步放大观察裂纹面的微观形貌(见 图5),可见管内壁螺纹表面附着有大量垢物,垢物 呈颗粒状,与金属基体结合紧密,难以清洗;对局部 垢物脱落部位的裂纹面进行观察,裂纹面存在光滑 磨面,呈浮云状,为裂纹扩展过程中两裂纹匹配面在 振动作用下发生碰撞、对磨而产生,是疲劳开裂的一种微观特征;因管内腐蚀介质的存在,裂纹面受到介 质的腐蚀,未发现疲劳辉纹。

1.5 硬度测试 

对液位计接管和失效短管的硬度进行测试,结 果如表2所示。失效短管的平均硬度为185 HV, 液位计接管的平均硬度为134HV,结果正常。

1.6 垢物成分分析

失效短管开裂位置为内壁螺纹根部,且管内壁 附着有较厚的垢物。管内垢物主要成分为 Fe2O3 和 FeS2。依据分离 器 工 况,管 内 介 质 为 脱 硫 天 然 气,天然气中不存在 Fe2O3 和 FeS2 之类的杂质,故 可推断,管内产物为管内介质与管壁金属反应所产 生的腐蚀 产 物,分 离 器 内 介 质 中 含 H2S,O2,CO, CO2 等,在有水的环境中,介质的pH 下降,Fe2O3· 3H2O 在干燥的环境中会失去结晶水,成为 Fe2O3, 反应结果与垢物分析结果一致。

2 综合分析

由以上分析可知,短管失效的主要特征为疲劳 开裂,引起疲劳开裂需满足两个条件,即原始裂纹的 萌生和振动源的存在。二者缺一不可,下面围绕这 两方面对短管的失效机理进行分析。 失效短管材料为20 # 钢,从其化学成分、金相检 验、硬度测试结果可知,失效短管的冶金质量较好, 热处理工艺合理,排除了冶金质量对短管失效的影 响;另外,短管的显微组织正常,未发现脱碳、渗碳、 球化等材料劣化情况,螺纹根部也未发现裂纹性原 始缺陷,说明短管在后期加工和安装过程中也不存 在引起或促进裂纹扩展的因素。 排除原始材料、热处理状态及后期安装问题,短 管失效只能与其使用状况有关。失效短管垂直于筒 体、与地面平行,为分析短管的受力情况,简化受力 状况,螺纹配合区域与短管可认为是同一个受力件, 接管其余部位为另一个受力件,液位计悬空安装,受 液位计、接管阀门等配件的重力作用,离筒体越近, 短管截面受力越大。短管受力情况如图6所示,因 A,B 点为螺纹管配合区前端,左侧为螺纹配合区, 在配合紧密的情况下可视为一个整体,接管与筒体 焊接连接部位为C 点。F1 为振动过程中短管受到 的向上的作用力,F2 为向下的作用力。在F1 的作 用下A 点受拉应力,B 点受压应力,C 点受压应力; 在F2 的作用下A 点受压应力,B 点受拉应力,C 点 受拉应力,而由于重力作用,F1 小于F2,即 A 点的 合应力为压应力,B 点的合应力为拉应力,开裂部 位为配合区之前第1~2螺纹根部,即非配合区,失 效短管与液位计接管连通,管内介质流动性小,长期 处于积液环境,管内壁容易发生均匀腐蚀,这与宏观 形貌相符。若管内介质的固相含量较高,则介质中 的杂质、腐蚀产物等易沉积和结垢,引起管壁垢下腐 蚀,特别是配合区之前的区域存在较大的应力,而介 质中存在 H2S等腐蚀性介质,则在此区域容易发生 应力腐蚀开裂,装置的运行进一步促进了该区域的 应力交变[1-2],B 区即为弯矩应力作用区,亦为相对 静止积液引起的应力腐蚀区,再加上 O2,CO,CO2 在该区域溶解,形成pH 相对较低的酸性环境,进一 步增大了其应力腐蚀敏感性,接管螺纹根部相比 B 区也是较大的弯矩应力作用区,但该区域积液的流 动性相对较高,即应力腐蚀倾向小于B 区。在弯矩 作用应力、腐蚀性环境、交变振动应力、硫离子等多因素作用下,在 B 区萌生裂纹,并在交变振动应力 及弯矩应力的作用下,疲劳裂纹不断扩展[3-4],最终 导致短管开裂,这也与宏观观察的结果一致。另外, 经监测,正 常 运 行 时 分 离 器 机 组 振 动 速 度 小 于 2.8mm/s,依据JB/T8541—1997 《往复活塞压缩 机机械振动分级》标准,该设备振动为 A 级,符合设 备运行条件。现场振动监测的主要是设备主体的振 动频率,并未对该失效液位计的振动频率进行监测。 从设备制造和安装工艺看,失效液位计垂直于分离 器筒体悬空安装,其臂长较长,在振动过程中产生增 大振幅的效应,其振动频率较设备主体会有一定增 大;同时,力臂伸长和力矩增大使短管截面应力增 大,B区螺纹根部微裂纹一旦形成,在循环载荷的作 用下会快速扩展,导致短管发生疲劳开裂失效,裂纹 扩展形貌、裂纹面宏观形貌和微观形貌都可证明该 短管的开裂符合疲劳开裂特征[5-6]。

3 结论及建议

(1)根据短管内壁螺纹配合区前面的区域存在 几乎静止的积液,CO2 及 H2S使其处于含硫离子的 酸性环境,在弯曲应力与管内腐蚀介质的作用下萌 生微裂纹,进而在弯曲应力以及振动耦合的交变应 力作用下发生疲劳开裂,接管内腐蚀介质的作用使 其进一步扩展,最终导致短管开裂失效。 (2)分离器的工作性质决定了其在工作中不可 避免地会产生振动,在日常管理中需定期监测其振 动情况,若振动频率、速度、振幅超过预期范围,应及 时检查、维修,以消除安全隐患。 (3)按标准准确安装液位计,增大液位计接管 与安装短管的配合尺寸,增大受力面积,及时排除安 全隐患,同时可以通过增加支撑等措施减小液位计 接管的振动幅值。 (4)可采用焊接方式连接液位计,以消除配合 区前端的结构不连续及螺纹根部的应力集中现象, 必要时进行应力计算或强度校核,以指导设计、制造 和维修工艺,保证分离器装置的安全运行。

参 [1 考 ] 文 陈 献 思 : 懿,卢智先,张大成,等.拉伸疲劳载荷下表面裂 纹的产生和发展[J].金属学报,1987,23(6):73-79. [2] 吕拴录,姬丙寅,骆发前,等.139.7mm 加重钻杆外螺 纹接头 断 裂 原 因 分 析 [J].机 械 工 程 材 料,2009,33 (10):99-102. [3] 姜海一,李智慧,王金庆,等.天然气处理厂分离器开 裂原因分析[J].石油化工设备,2012,41(4):98-101. [4] 李树梅,张伟东,李桂变,等.石油钻杆刺穿失效原因 分析[J].金属热处理,2020,45(7):210-214. [5] 雒设计,温宁华,韩礼红.S135钻杆钢在 H2S环境中 的腐蚀疲劳行为[J].机械工程材料,2017,41(6):44- 48. [6] 魏学敏,莫烨强,吴培毅.加氢装置的热低压分离器液 位计接管开裂分析[J].化学工 程 与 装 备,2018(3): 195-197.