摘 要:某天然氣機(jī)組二級(jí)入口分離器筒體外壁上用于安裝液位計(jì)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(yàn)、掃描電鏡分析、受力情況分析 等方法對(duì)短管開裂原因進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明:在短管配合區(qū)的前1~2個(gè)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(zhǎng)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(jì)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(jìn)了裂紋 的進(jìn)一步擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞:分離器;短管;開裂;疲勞;腐蝕

中圖分類號(hào):TG142.1+4;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)08-0050-04

天然氣機(jī)組分離器的主要作用是對(duì)天然氣進(jìn)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(jì) 壓 力 為 1.75 MPa,操 作 壓 力 為 0.5MPa~0.8MPa。設(shè)計(jì)溫度為100℃,操作溫度約 為55℃。分離器罐體設(shè)計(jì)有液位計(jì)安裝短管,液位 計(jì)安裝短管為內(nèi)螺紋管,采用螺紋方式連接液位計(jì)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(zhǎng)度約為50mm,短管外徑約 為44.8mm,材料為20 # 鋼,液位計(jì)連接管端部閥門 至筒體總長(zhǎng)約480mm,該分離器機(jī)組在運(yùn)行過程中 存在振動(dòng),經(jīng)檢測(cè)其振動(dòng)速度小于2.8mm/s。該液 位計(jì)安裝短管發(fā)生了開裂,采用宏觀觀察、金相檢驗(yàn)、 受力情況分析等方法對(duì)開裂短管進(jìn)行分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)開裂短管的表面形貌、顏色、裂紋形態(tài)等進(jìn)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(cè) 第5部分:滲透 檢測(cè)》的要求,對(duì)短管縱截面進(jìn)行滲透檢測(cè)。

從開裂短管的外壁進(jìn)行觀察,外壁呈灰色、防護(hù) 漆完好,發(fā)亮部位為裂紋區(qū)現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(jiān)硬,難以清理。對(duì) 短管縱截面進(jìn)行滲透檢測(cè),發(fā)現(xiàn)螺紋根部存在多條 沿管壁厚向管外壁擴(kuò)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(xì) 觀察螺紋形貌與裂紋分布,短管與液位計(jì)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(gè)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(duì)20 # 鋼的要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在安裝該短管前,一般需要先對(duì)其進(jìn)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(yàn)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(yàn)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(jí)別為 A0.5,由圖3b) 可知,該短管的組織為鐵素體+珠光體,整個(gè)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(duì)裂紋微觀形貌進(jìn)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(kuò)展,裂紋 較直、無分叉,以穿晶擴(kuò)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(jìn)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(kuò)展的條紋,擴(kuò)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(jìn)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(duì)局部 垢物脫落部位的裂紋面進(jìn)行觀察,裂紋面存在光滑 磨面,呈浮云狀,為裂紋擴(kuò)展過程中兩裂紋匹配面在 振動(dòng)作用下發(fā)生碰撞、對(duì)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(cè)試

對(duì)液位計(jì)接管和失效短管的硬度進(jìn)行測(cè)試,結(jié) 果如表2所示。失效短管的平均硬度為185 HV, 液位計(jì)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(huì)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(gè)條件,即原始裂紋的 萌生和振動(dòng)源的存在。二者缺一不可,下面圍繞這 兩方面對(duì)短管的失效機(jī)理進(jìn)行分析。

失效短管材料為20 # 鋼,從其化學(xué)成分、金相檢 驗(yàn)、硬度測(cè)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(duì)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(jìn)裂紋擴(kuò)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(jiǎn)化受力 狀況,螺紋配合區(qū)域與短管可認(rèn)為是同一個(gè)受力件, 接管其余部位為另一個(gè)受力件,液位計(jì)懸空安裝,受 液位計(jì)、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(diǎn)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(gè)整體,接管與筒體 焊接連接部位為C 點(diǎn)。F1 為振動(dòng)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(diǎn)受拉應(yīng)力,B 點(diǎn)受壓應(yīng)力,C 點(diǎn)受壓應(yīng)力; 在F2 的作用下A 點(diǎn)受壓應(yīng)力,B 點(diǎn)受拉應(yīng)力,C 點(diǎn) 受拉應(yīng)力,而由于重力作用,F1 小于F2,即 A 點(diǎn)的 合應(yīng)力為壓應(yīng)力,B 點(diǎn)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(jì)接管連通,管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)性小,長(zhǎng)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(yùn)行進(jìn)一步促進(jìn)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(duì) 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(duì)較低的酸性環(huán)境,進(jìn)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(dòng)性相對(duì)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(dòng)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(dòng)應(yīng)力 及彎矩應(yīng)力的作用下,疲勞裂紋不斷擴(kuò)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(cè),正 常 運(yùn) 行 時(shí) 分 離 器 機(jī) 組 振 動(dòng) 速 度 小 于 2.8mm/s,依據(jù)JB/T8541—1997 《往復(fù)活塞壓縮 機(jī)機(jī)械振動(dòng)分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn),該設(shè)備振動(dòng)為 A 級(jí),符合設(shè) 備運(yùn)行條件?，F(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要是設(shè)備主體的振 動(dòng)頻率,并未對(duì)該失效液位計(jì)的振動(dòng)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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(jìn)而在彎曲應(yīng)力以及振動(dòng)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(jìn)一步擴(kuò)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(huì)產(chǎn)生振動(dòng),在日常管理中需定期監(jiān)測(cè)其振 動(dòng)情況,若振動(dòng)頻率、速度、振幅超過預(yù)期范圍,應(yīng)及 時(shí)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(jì),增大液位計(jì)接管 與安裝短管的配合尺寸,增大受力面積,及時(shí)排除安 全隱患,同時(shí)可以通過增加支撐等措施減小液位計(jì) 接管的振動(dòng)幅值。

(4)可采用焊接方式連接液位計(jì),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(shí)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算或強(qiáng)度校核,以指導(dǎo)設(shè)計(jì)、制造 和維修工藝,保證分離器裝置的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn):

[1] 陳思懿,盧智先,張大成,等.拉伸疲勞載荷下表面裂 紋的產(chǎn)生和發(fā)展[J].金屬學(xué)報(bào),1987,23(6):73-79.

[2] 呂拴錄,姬丙寅,駱發(fā)前,等.139.7mm 加重鉆桿外螺 紋接頭 斷 裂 原 因 分 析 [J].機(jī) 械 工 程 材 料,2009,33 (10):99-102.

[3] 姜海一,李智慧,王金慶,等.天然氣處理廠分離器開 裂原因分析[J].石油化工設(shè)備,2012,41(4):98-101.

[4] 李樹梅,張偉東,李桂變,等.石油鉆桿刺穿失效原因 分析[J].金屬熱處理,2020,45(7):210-214.

[5] 雒設(shè)計(jì),溫寧華,韓禮紅.S135鉆桿鋼在 H2S環(huán)境中 的腐蝕疲勞行為[J].機(jī)械工程材料,2017,41(6):44- 48.

[6] 魏學(xué)敏,莫燁強(qiáng),吳培毅.加氫裝置的熱低壓分離器液 位計(jì)接管開裂分析[J].化學(xué)工 程 與 裝 備,2018(3): 195-197.

<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>58卷>8期(pp:50-53)>