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     天然氣機(jī)組分離器的主要作用是對天然氣進(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1.75MPa，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約480mm，該分離器機(jī)組在運(yùn)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(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開裂短管進(jìn)行分析。

01理化檢驗(yàn)

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(jìn)行觀察，為了清晰地顯示裂紋形態(tài)，依據(jù)NB/T 47013.5—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(jìn)行滲透檢測。

     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(jiān)硬，難以清理。對短管縱截面進(jìn)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(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

      根據(jù)開裂短管的化學(xué)成分分析結(jié)果，其化學(xué)成分符合GB/T 699—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(yàn)

     在安裝該短管前，一般需要先對其進(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(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(jì)接管和失效短管的硬度進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。失效短管的平均硬度為185HV，液位計(jì)接管的平均硬度為134HV，結(jié)果正常。

表1 硬度檢測結(jié)果

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，F(xiàn)e2O3·3H2O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。

02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(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(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，簡化受力狀況，螺紋配合區(qū)域與短管可認(rèn)為是同一個受力件，接管其余部位為另一個受力件，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整體，接管與筒體焊接連接部位為C點(diǎn)。F1 為振動過程中短管受到的向上的作用力，F(xiàn)2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，F(xiàn)1 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(yùn)行進(jìn)一步促進(jìn)了該區(qū)域的應(yīng)力交變，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(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(kuò)展，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(yùn)行時分離器機(jī)組振動速度小于2.8mm/s，依據(jù)JB/T 8541—1997 《往復(fù)活塞壓縮機(jī)機(jī)械振動分級》標(biāo)準(zhǔn)，該設(shè)備振動為A級，符合設(shè)備運(yùn)行條件。現(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(jì)的振動頻率進(jìn)行監(jiān)測。從設(shè)備制造和安裝工藝看，失效液位計(jì)垂直于分離器筒體懸空安裝，其臂長較長，在振動過程中產(chǎn)生增大振幅的效應(yīng)，其振動頻率較設(shè)備主體會有一定增大；同時，力臂伸長和力矩增大使短管截面應(yīng)力增大，B區(qū)螺紋根部微裂紋一旦形成，在循環(huán)載荷的作用下會快速擴(kuò)展，導(dǎo)致短管發(fā)生疲勞開裂失效，裂紋擴(kuò)展形貌、裂紋面宏觀形貌和微觀形貌都可證明該短管的開裂符合疲勞開裂特征。

03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(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，及時排除安全隱患，同時可以通過增加支撐等措施減小液位計(jì)接管的振動幅值。

     (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。