從離心壓縮機(jī)彎管流動(dòng)分析探尋壁厚減薄原因

特約撰稿人：中國(guó)石油大學(xué)（華東）化工裝備與控制工程系 劉兆增

油田天然氣離心壓縮機(jī)經(jīng)過幾個(gè)檢修周期的運(yùn)行后，其系統(tǒng)工藝管線的彎管部分較之直管段，壁厚減薄更為嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)通常采用定期測(cè)量壁厚的辦法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止安全事故的發(fā)生。通常檢測(cè)彎管外側(cè)壁厚，彎管內(nèi)側(cè)與直管段相連的部分未引起足夠的重視。本文通過彎管內(nèi)的流動(dòng)分析，找到了外側(cè)壁厚減薄的原因主要是沖刷和腐蝕，內(nèi)側(cè)與直管段連接處壁厚減薄的主要原因是邊界層分離造成的腐蝕，并進(jìn)行了有關(guān)對(duì)策措施的探究。

離心壓縮機(jī)以其排量大、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于油田的天然氣凈化、增壓輸送等場(chǎng)合。但是油田伴生氣含有H2S、CO2、重?zé)N組分以及泥砂等雜質(zhì)，會(huì)加速管線系統(tǒng)的腐蝕，導(dǎo)致壁厚減薄。因此，油田集輸系統(tǒng)通常采用定期壁厚檢測(cè)的方法來進(jìn)行腐蝕監(jiān)控，確保不發(fā)生安全事故。勝利油田某壓氣站55×104m3/d離心式壓縮機(jī)三段出口冷卻器至分離器管線，直徑325mm，壁厚12mm，材料為20#鋼，工作壓力1．3MPa。經(jīng)過12年運(yùn)行，彎頭外側(cè)壁厚測(cè)量5．32mm，減厚已達(dá)55．7%，于是決定更換。管線割下后，彎頭外壁減薄明顯，然而令人更驚訝的是，在彎頭與下游直管段的相連處，壁厚更薄，只有4．06mm，減薄程度達(dá)到66．2%（管線腐蝕和壁厚減薄的情況如圖1所示）。由于沒有預(yù)見到該部位是壁厚減薄的危險(xiǎn)部位，也沒有納入壁厚檢測(cè)的范圍，如果不是更換彎頭發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成極大的安全隱患。

圖1 彎管中壁厚減薄

彎管內(nèi)流動(dòng)分析

1．氣體在彎管內(nèi)的流動(dòng)，如圖2所示。

圖2 彎管中的二次流及邊界層分離

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)可知，在彎曲流線的主法線方向上，速度隨離曲率中心距離的減小而增加，所以彎管內(nèi)側(cè)速度大、壓力低，外側(cè)速度小、壓力高。流體由直管進(jìn)入彎管時(shí)，在A-A′截面上壓力均一。流體進(jìn)入彎管后，在外側(cè)由A到B的流動(dòng)為增壓過程，壓力梯度Δp＞0，B點(diǎn)壓力最高，而從B到C壓力又逐漸下降。在內(nèi)側(cè)由A′到B′的流動(dòng)為減壓過程，壓力梯度Δp＜0，B′點(diǎn)壓力最低，而從B′到C′壓力又逐漸增加。直至流體進(jìn)入直管時(shí)，在C-C′截面上壓力又趨于一致。因此AB及B′C′兩段的增壓過程都有可能發(fā)生邊界層分離,產(chǎn)生渦流。由于受彎管曲率半徑的影響，B′速度大，內(nèi)側(cè)壁B′C′段的邊界層的分離影響更大，更易于擴(kuò)展下去。同時(shí)，由于內(nèi)外側(cè)壁的壓力不均一，而產(chǎn)生由外側(cè)壁向內(nèi)側(cè)壁的二次渦流，它往往是一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的雙螺旋流動(dòng)，如圖2（b）所示。二次渦流必然在主流以外增加了流體的擾動(dòng)，導(dǎo)致邊界層分離的加劇。

彎管內(nèi)外側(cè)壁厚減薄的機(jī)理分析

1．彎管外側(cè)內(nèi)壁減薄有3方面的原因。一是氣體（包括所含的固、液雜質(zhì)顆粒）由于受離心力的作用，對(duì)外側(cè)內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷磨損。介質(zhì)流向和速率突然發(fā)生改變，對(duì)金屬及金屬表面的鈍化膜或腐蝕產(chǎn)物層產(chǎn)生機(jī)械沖刷的破壞作用；二是因?yàn)樘烊粴庵泻酗柡退?，H2S、CO2等對(duì)管線產(chǎn)生化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，由于沖刷作用，所以對(duì)不斷裸露出的金屬新鮮表面的腐蝕更為嚴(yán)重；三是管線AB段是降速升壓的過程中，會(huì)形成邊界層分離，邊界層內(nèi)流速低，從而會(huì)加劇腐蝕。因此B部位是彎管外側(cè)最危險(xiǎn)的部位。

2．彎管內(nèi)側(cè)壁厚減薄由于不受離心力的影響，因此B′不是危險(xiǎn)部位。在B′C′段，氣流減速增壓，由于B′點(diǎn)速度較B點(diǎn)大得多，B′C′擴(kuò)壓作用更為明顯，邊界層分離更加嚴(yán)重，擴(kuò)展形成漩渦區(qū)。在邊界層內(nèi)，可能形成工況相對(duì)穩(wěn)定的腐蝕“死水區(qū)”，管道內(nèi)壁的腐蝕加劇，這種作用甚至比B部位的沖蝕腐蝕更為嚴(yán)重，因此C′部位是彎管內(nèi)側(cè)最危險(xiǎn)的部位。

管道運(yùn)行監(jiān)控措施探究

離心壓縮機(jī)氣路系統(tǒng)為關(guān)鍵的核心設(shè)備，為保證安全運(yùn)行，防止壁厚減薄帶來的安全隱患，在運(yùn)行中應(yīng)從以下幾方面采取措施。

1．加強(qiáng)運(yùn)行管線壁厚的檢測(cè)。不僅要檢測(cè)彎管B部位，還要增加C′部位的壁厚檢測(cè)。

2．彎管中的氣體流動(dòng)主要與曲率半徑大小有關(guān)，過小的曲率半徑會(huì)惡化流動(dòng)狀況。經(jīng)驗(yàn)證明，合適的彎管半徑要介于管道直徑的2～4倍之間,要盡量使管線壁面與流體的主要流動(dòng)方向間的夾角小于10°。曲率半徑受到限制時(shí)，可在彎管內(nèi)安裝導(dǎo)流片，使速度分布均勻，減少邊界層分離。

3．采用加厚彎管或增加防腐蝕襯里。工藝管線彎管外側(cè)的沖刷腐蝕已受到管理者的高度重視，是壁厚檢測(cè)的重點(diǎn)。但是由于氣體邊界層分離所造成的工藝管線彎頭與直管段連接處的內(nèi)壁腐蝕速率大，同樣危險(xiǎn)。通過本文的機(jī)理分析，希望得到管理者的普遍重視，加強(qiáng)監(jiān)控，消除安全隱患。