摘 要:某天然氣機組二級入口分離器筒體外壁上用于安裝液位計的短管存在裂紋,裂紋位于 管母材區(qū)域,為環(huán)向開裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗、掃描電鏡分析、受力情況分析 等方法對短管開裂原因進行了綜合分析。結(jié)果表明:在短管配合區(qū)的前1~2個螺紋的根部存在靜 止且含有腐蝕性介質(zhì)的積液;該區(qū)域在交變載荷的長期作用,以及拉應(yīng)力與硫離子的耦合作用下萌 生裂紋;液位計與短管的配合尺寸不夠、管壁受力面積較小、應(yīng)力增大及腐蝕性介質(zhì)等促進了裂紋 的進一步擴展。
關(guān)鍵詞:分離器;短管;開裂;疲勞;腐蝕
中圖分類號:TG142.1+4;TG115.5 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)08-0050-04
天然氣機組分離器的主要作用是對天然氣進行 氣液分離,將天然氣中的水、固體顆粒等分離。某天 然氣公司采用的分離器為立式分離器,分離后的天然 氣從罐體上部排出,從上部排出的天然氣中含有少量 的 H2S,O2,CO,CO2,H2O 等,罐體下部排出的為含 有固相顆粒以及 H2S,O2,CO,CO2 等雜質(zhì)的水溶液, 該分 離 器 的 設(shè) 計 壓 力 為 1.75 MPa,操 作 壓 力 為 0.5MPa~0.8MPa。設(shè)計溫度為100℃,操作溫度約 為55℃。分離器罐體設(shè)計有液位計安裝短管,液位 計安裝短管為內(nèi)螺紋管,采用螺紋方式連接液位計接 管,并與分離器筒體垂直,以焊接的方式連接,分離器 裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,長度約為50mm,短管外徑約 為44.8mm,材料為20 # 鋼,液位計連接管端部閥門 至筒體總長約480mm,該分離器機組在運行過程中 存在振動,經(jīng)檢測其振動速度小于2.8mm/s。該液 位計安裝短管發(fā)生了開裂,采用宏觀觀察、金相檢驗、 受力情況分析等方法對開裂短管進行分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對開裂短管的表面形貌、顏色、裂紋形態(tài)等進行 觀察,為 了 清 晰 地 顯 示 裂 紋 形 態(tài),依 據(jù) NB/T47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分:滲透 檢測》的要求,對短管縱截面進行滲透檢測。
從開裂短管的外壁進行觀察,外壁呈灰色、防護 漆完好,發(fā)亮部位為裂紋區(qū)現(xiàn)場打磨后的痕跡;裂紋 位于短管母材區(qū)域,為環(huán)向開裂,裂紋較直、無分叉, 長約40mm,截取失效管段,沿管縱向剖開,管內(nèi)壁 充滿黑色和褐色垢物,垢物較為堅硬,難以清理。對 短管縱截面進行滲透檢測,發(fā)現(xiàn)螺紋根部存在多條 沿管壁厚向管外壁擴展的裂紋,為環(huán)向裂紋;裂紋較 直且無分叉,接管內(nèi)壁宏觀形貌如圖2所示。仔細 觀察螺紋形貌與裂紋分布,短管與液位計接管配合 區(qū)內(nèi)螺紋無垢物附著,其余部位螺紋內(nèi)充滿沉積性 垢物,裂紋均位于配合區(qū)之前第1~2個螺紋處,起 裂區(qū)位于螺紋根部,裂紋平行分布。清洗管內(nèi)壁附 著垢物后,發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁存在較多腐蝕坑,螺紋面和根 部均存在腐蝕痕跡,以均勻腐蝕形態(tài)為主,而配合區(qū) 內(nèi)螺紋未受到介質(zhì)的腐蝕作用,螺紋形態(tài)完好。
1.2 化學(xué)成分分析
開裂短管的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示,其 化學(xué)成分符合 GB/T699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》 中對20 # 鋼的要求。
1.3 金相檢驗
在安裝該短管前,一般需要先對其進行熱處理, 如退火、正火等。經(jīng)了解,該短管材料為20 # 鋼,其 交貨狀態(tài)為退火態(tài),為檢驗其熱處理狀態(tài)是否滿足 交貨和使用要求,在短管開裂部位取樣,以管縱截面 為檢驗面,采用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀形貌,如圖3 所示,由圖3a)可知,夾雜物級別為 A0.5,由圖3b) 可知,該短管的組織為鐵素體+珠光體,整個截面上 組織均勻,管內(nèi)壁、外壁亦無明顯脫碳、腐蝕等痕跡, 組織正常。采用光學(xué)顯微鏡對裂紋微觀形貌進行分 析,結(jié)果如圖4所示,可見螺紋根部裂紋較寬,裂紋 寬度沿短管壁厚方向由內(nèi)向外逐漸減小,再次證明 裂紋啟裂于管內(nèi)壁螺紋根部,并向管外壁擴展,裂紋 較直、無分叉,以穿晶擴展為主,裂紋尖端較鈍,符合 疲勞開裂特征。
1.4 掃描電鏡分析
為進一步分析短管開裂原因,采用掃描電鏡觀 察螺紋根部裂紋面,發(fā)現(xiàn)斷面平緩、光滑,且附著有 灰褐色垢物,斷面存在由內(nèi)向外擴展的條紋,擴展條 紋收斂方向指向裂紋源,即管內(nèi)壁,這與宏觀觀察的 結(jié)果一致。進一步放大觀察裂紋面的微觀形貌(見 圖5),可見管內(nèi)壁螺紋表面附著有大量垢物,垢物 呈顆粒狀,與金屬基體結(jié)合緊密,難以清洗;對局部 垢物脫落部位的裂紋面進行觀察,裂紋面存在光滑 磨面,呈浮云狀,為裂紋擴展過程中兩裂紋匹配面在 振動作用下發(fā)生碰撞、對磨而產(chǎn)生,是疲勞開裂的一種微觀特征;因管內(nèi)腐蝕介質(zhì)的存在,裂紋面受到介 質(zhì)的腐蝕,未發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋。
1.5 硬度測試
對液位計接管和失效短管的硬度進行測試,結(jié) 果如表2所示。失效短管的平均硬度為185 HV, 液位計接管的平均硬度為134HV,結(jié)果正常。
1.6 垢物成分分析
失效短管開裂位置為內(nèi)壁螺紋根部,且管內(nèi)壁 附著有較厚的垢物。管內(nèi)垢物主要成分為 Fe2O3 和 FeS2。依據(jù)分離 器 工 況,管 內(nèi) 介 質(zhì) 為 脫 硫 天 然 氣,天然氣中不存在 Fe2O3 和 FeS2 之類的雜質(zhì),故 可推斷,管內(nèi)產(chǎn)物為管內(nèi)介質(zhì)與管壁金屬反應(yīng)所產(chǎn) 生的腐蝕 產(chǎn) 物,分 離 器 內(nèi) 介 質(zhì) 中 含 H2S,O2,CO, CO2 等,在有水的環(huán)境中,介質(zhì)的pH 下降,Fe2O3· 3H2O 在干燥的環(huán)境中會失去結(jié)晶水,成為 Fe2O3, 反應(yīng)結(jié)果與垢物分析結(jié)果一致。
2 綜合分析
由以上分析可知,短管失效的主要特征為疲勞 開裂,引起疲勞開裂需滿足兩個條件,即原始裂紋的 萌生和振動源的存在。二者缺一不可,下面圍繞這 兩方面對短管的失效機理進行分析。
失效短管材料為20 # 鋼,從其化學(xué)成分、金相檢 驗、硬度測試結(jié)果可知,失效短管的冶金質(zhì)量較好, 熱處理工藝合理,排除了冶金質(zhì)量對短管失效的影 響;另外,短管的顯微組織正常,未發(fā)現(xiàn)脫碳、滲碳、 球化等材料劣化情況,螺紋根部也未發(fā)現(xiàn)裂紋性原 始缺陷,說明短管在后期加工和安裝過程中也不存 在引起或促進裂紋擴展的因素。
排除原始材料、熱處理狀態(tài)及后期安裝問題,短 管失效只能與其使用狀況有關(guān)。失效短管垂直于筒 體、與地面平行,為分析短管的受力情況,簡化受力 狀況,螺紋配合區(qū)域與短管可認為是同一個受力件, 接管其余部位為另一個受力件,液位計懸空安裝,受 液位計、接管閥門等配件的重力作用,離筒體越近, 短管截面受力越大。短管受力情況如圖6所示,因 A,B 點為螺紋管配合區(qū)前端,左側(cè)為螺紋配合區(qū), 在配合緊密的情況下可視為一個整體,接管與筒體 焊接連接部位為C 點。F1 為振動過程中短管受到 的向上的作用力,F2 為向下的作用力。在F1 的作 用下A 點受拉應(yīng)力,B 點受壓應(yīng)力,C 點受壓應(yīng)力; 在F2 的作用下A 點受壓應(yīng)力,B 點受拉應(yīng)力,C 點 受拉應(yīng)力,而由于重力作用,F1 小于F2,即 A 點的 合應(yīng)力為壓應(yīng)力,B 點的合應(yīng)力為拉應(yīng)力,開裂部 位為配合區(qū)之前第1~2螺紋根部,即非配合區(qū),失 效短管與液位計接管連通,管內(nèi)介質(zhì)流動性小,長期 處于積液環(huán)境,管內(nèi)壁容易發(fā)生均勻腐蝕,這與宏觀 形貌相符。若管內(nèi)介質(zhì)的固相含量較高,則介質(zhì)中 的雜質(zhì)、腐蝕產(chǎn)物等易沉積和結(jié)垢,引起管壁垢下腐 蝕,特別是配合區(qū)之前的區(qū)域存在較大的應(yīng)力,而介 質(zhì)中存在 H2S等腐蝕性介質(zhì),則在此區(qū)域容易發(fā)生 應(yīng)力腐蝕開裂,裝置的運行進一步促進了該區(qū)域的 應(yīng)力交變[1-2],B 區(qū)即為彎矩應(yīng)力作用區(qū),亦為相對 靜止積液引起的應(yīng)力腐蝕區(qū),再加上 O2,CO,CO2 在該區(qū)域溶解,形成pH 相對較低的酸性環(huán)境,進一 步增大了其應(yīng)力腐蝕敏感性,接管螺紋根部相比 B 區(qū)也是較大的彎矩應(yīng)力作用區(qū),但該區(qū)域積液的流 動性相對較高,即應(yīng)力腐蝕傾向小于B 區(qū)。在彎矩 作用應(yīng)力、腐蝕性環(huán)境、交變振動應(yīng)力、硫離子等多因素作用下,在 B 區(qū)萌生裂紋,并在交變振動應(yīng)力 及彎矩應(yīng)力的作用下,疲勞裂紋不斷擴展[3-4],最終 導(dǎo)致短管開裂,這也與宏觀觀察的結(jié)果一致。另外, 經(jīng)監(jiān)測,正 常 運 行 時 分 離 器 機 組 振 動 速 度 小 于 2.8mm/s,依據(jù)JB/T8541—1997 《往復(fù)活塞壓縮 機機械振動分級》標(biāo)準(zhǔn),該設(shè)備振動為 A 級,符合設(shè) 備運行條件?，F(xiàn)場振動監(jiān)測的主要是設(shè)備主體的振 動頻率,并未對該失效液位計的振動頻率進行監(jiān)測。
3 結(jié)論及建議
(1)根據(jù)短管內(nèi)壁螺紋配合區(qū)前面的區(qū)域存在 幾乎靜止的積液,CO2 及 H2S使其處于含硫離子的 酸性環(huán)境,在彎曲應(yīng)力與管內(nèi)腐蝕介質(zhì)的作用下萌 生微裂紋,進而在彎曲應(yīng)力以及振動耦合的交變應(yīng) 力作用下發(fā)生疲勞開裂,接管內(nèi)腐蝕介質(zhì)的作用使 其進一步擴展,最終導(dǎo)致短管開裂失效。
(2)分離器的工作性質(zhì)決定了其在工作中不可 避免地會產(chǎn)生振動,在日常管理中需定期監(jiān)測其振 動情況,若振動頻率、速度、振幅超過預(yù)期范圍,應(yīng)及 時檢查、維修,以消除安全隱患。
(3)按標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確安裝液位計,增大液位計接管 與安裝短管的配合尺寸,增大受力面積,及時排除安 全隱患,同時可以通過增加支撐等措施減小液位計 接管的振動幅值。
(4)可采用焊接方式連接液位計,以消除配合 區(qū)前端的結(jié)構(gòu)不連續(xù)及螺紋根部的應(yīng)力集中現(xiàn)象,必要時進行應(yīng)力計算或強度校核,以指導(dǎo)設(shè)計、制造 和維修工藝,保證分離器裝置的安全運行。
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