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)

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0.5 MPa～0.8 MPa。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50 mm，短管外径约为44.8 mm，材料为20#钢，液位计连接管端部阀门至筒体总长约480 mm，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2.8 mm/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。

图1 分离器装置结构示意

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40 mm，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。

图2 管内壁宏观形貌

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/T 699—2015 《优质碳素结构钢》中对20#钢的要求。

表1 开裂短管的化学成分分析结果 %

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。

图3 短管的微观形貌

图4 裂纹微观形貌

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。

图5 裂纹面微观形貌

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134 HV，结果正常。

表2 硬度检测结果 HV

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2.8 mm/s，依据JB/T 8541—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]。

图6 短管受力情况分析

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。