天然氣注氣壓縮機(jī)燃料氣冷卻器失效分析及改進(jìn)

趙振興

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

注氣開(kāi)發(fā)是油田保證原油穩(wěn)產(chǎn)的重要手段，多用于高產(chǎn)量深井和復(fù)雜開(kāi)采條件的油井。注氣壓縮機(jī)是氣舉采油工藝的主要?jiǎng)恿?lái)源，屬于核心、關(guān)鍵設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)油田注氣壓縮機(jī)排氣壓力一般在10 MPa左右，而在塔里木盆地，由于地質(zhì)情況復(fù)雜，油藏埋藏較深，其地下開(kāi)采壓力較高，部分油井壓力高達(dá)40 MPa以上，對(duì)設(shè)備技術(shù)性能要求較高。塔里木油田公司某油田2015年引進(jìn)美國(guó)卡麥隆公司注氣壓縮機(jī)3臺(tái)，其配套發(fā)動(dòng)機(jī)為瓦克夏公司1100 kW L7042燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)組附屬燃料氣冷卻器多次發(fā)出內(nèi)漏，檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部換熱管穿孔。

1 燃料氣冷卻器故障現(xiàn)象

1.1 燃料氣冷卻器基本情況

注氣壓縮機(jī)2016年10月投產(chǎn)運(yùn)行，3臺(tái)燃料氣冷卻器為管殼式換熱器，投運(yùn)1年內(nèi)累計(jì)發(fā)生12次穿孔泄漏故障?；厩闆r是:冷卻器由美國(guó)卡麥隆公司制造；型號(hào)SX2000；殼體材質(zhì)Q235；管束材料為純銅；殼程設(shè)計(jì)壓力2.06 MPa，運(yùn)行壓力（1.2～1.5）MPa；管程設(shè)計(jì)壓力 1.03 MPa，運(yùn)行壓力 0.2 MPa；殼程運(yùn)行溫度（0～2）℃，管程運(yùn)行溫度（-40～50）℃；殼程介質(zhì)天然氣，化學(xué)成分見(jiàn)表1；管程介質(zhì)防凍液，型號(hào)為昆侖之星乙二醇型重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液，產(chǎn)品組成及成分信息見(jiàn)表2。

1.2 燃料氣冷卻器故障情況

對(duì)冷卻器進(jìn)行切割、解體后發(fā)現(xiàn):管束與擋流板接觸的位置均存在不同程度的磨損和變形，其中變形較嚴(yán)重的管束已發(fā)生明顯彎曲。同時(shí)，部分管束發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓彎曲變形，變形位置在相鄰兩擋流板之間。對(duì)這7根異常管束，采用常壓注水法尋找漏點(diǎn)，共確定其中3根管束有漏點(diǎn)。管束外表面可見(jiàn)明顯沖刷形貌，未見(jiàn)顯著腐蝕。圖1，圖2。

表1 燃料氣化學(xué)成分

表2 防凍液成分信息

圖1 冷卻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 換熱管變形

2 換熱管失效分析

2.1 化學(xué)成分測(cè)試

從泄漏管束截取化學(xué)成分分析試樣，采用滴定法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）分別測(cè)量Cu和Zn的含量（見(jiàn)表3），可確認(rèn)換熱管材料為純銅。

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果wt%

2.2 金相組織分析

從泄漏管束和未泄漏管束分別截取金相分析試樣，依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》和GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》對(duì)其進(jìn)行組織和晶粒度分析，金相組織照片如圖3所示。泄漏管束和未泄漏管束的金相組織形貌相似，未見(jiàn)明顯變化；晶粒呈不規(guī)則狀，晶粒度等級(jí)達(dá)到9.0級(jí)，屬加工態(tài)特征。

圖3 管束金相組織

2.3 顯微硬度測(cè)試

對(duì)泄漏管束和未泄漏管束金相試樣進(jìn)行顯微維氏硬度試驗(yàn)（HV0.02），壓頭載荷20 g，儀器型號(hào)為美國(guó)TUKON 2100B型顯微維氏硬度計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。泄漏管束和未泄漏管束的維氏硬度值80～100，未見(jiàn)明顯異常。

表4 顯微維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果HV0.02

2.4 掃描電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡對(duì)換熱管不同位置觀察。如圖4所示，管束內(nèi)壁比較光潔，未見(jiàn)明顯破壞（圖4a），外壁凹凸不平，有沖刷痕跡（圖4b），縱截面為線切割形貌，未見(jiàn)異常（圖4c）。

利用X射線能譜分析儀（EDS）對(duì)管束不同位置進(jìn)行表面成分分析，EDS分析結(jié)果如表5所示。管束內(nèi)壁和縱截面的化學(xué)成分主要為C，O和Cu，外壁的化學(xué)成分除C，O和Cu外，還有少量S。

將發(fā)生擠壓變形泄漏的管束完全折斷，其斷口的微觀形貌如圖5所示。該斷口呈傾斜狀，外壁減薄較多（圖5a），泄漏處斷口有沖刷痕跡（圖5c），進(jìn)一步放大可見(jiàn)較多腐蝕產(chǎn)物（圖5d），EDS分析可知（見(jiàn)表6），腐蝕產(chǎn)物主要成分為C，O，F(xiàn)e和Cu；未泄漏處經(jīng)人為折斷后的斷口（圖5b）呈撕裂狀形貌，內(nèi)沿翻邊，斷面粗糙，材料的韌性良好。

圖4 管束不同位置的SEM照片

表5 管束EDS分析結(jié)果wt%

圖5 擠壓變形泄漏斷口的SEM照片

表6 EDS分析結(jié)果wt%

使用掃描電鏡對(duì)穿孔處進(jìn)行觀察，穿孔處管束外壁減薄明顯，有2處較為集中的孔洞，從微觀形貌可見(jiàn)，穿孔處有較多微孔組成，磨損和沖刷痕跡顯著，有沉積物覆蓋；進(jìn)一步對(duì)穿孔1和穿孔2附近沉積物進(jìn)行EDS分析可知，主要成分均為C，O，F(xiàn)e，Cu 和少量 S。

2.5 XRD物相分析

從剖開(kāi)的冷卻器內(nèi)取殘留的固體粉末，利用X射線衍射儀（XRD）對(duì)其進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示該粉末的主要組成有Fe2O3，F(xiàn)eS和FeCO3。此應(yīng)為冷卻器殼體碳鋼的腐蝕產(chǎn)物，未見(jiàn)管束的腐蝕產(chǎn)物。

3 冷卻器結(jié)構(gòu)分析

目前GB/T 151—2014熱交換器中對(duì)折流板設(shè)計(jì)未做較為詳細(xì)的要求，僅對(duì)折流板上開(kāi)孔直徑、外圓直徑偏差及加工精度進(jìn)行要求，對(duì)折流板厚度、強(qiáng)度等無(wú)要求。而目前很多設(shè)計(jì)、研究中未關(guān)注薄壁（1 mm以下）換熱管條件下，折流板變形引起的換熱管失效問(wèn)題。折流板間距大于殼體內(nèi)徑將可能使殼程流體縱向流(順流)大為增加，使傳熱效率大幅下降，誘導(dǎo)振動(dòng)。而該冷卻器中兩折流板之間間距為100 mm，等于冷卻器內(nèi)徑，間距達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的極限值，對(duì)換熱管受力影響較大。

4 結(jié)論及改進(jìn)措施

（1）冷卻器殼體發(fā)生明顯腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe－CO3，F(xiàn)eS等；換熱管未發(fā)現(xiàn)腐蝕，表明純銅在此環(huán)境下無(wú)腐蝕行為。

（2）換熱管穿孔失效原因?yàn)?冷卻器內(nèi)的折流板在氣流沖擊下發(fā)生擾動(dòng)和畸變失穩(wěn)，致使管束發(fā)生磨損和彎曲變形，同時(shí)氣體流動(dòng)沖刷使管束外壁減薄，在發(fā)生嚴(yán)重磨損和彎曲部位，管束減薄更多，最終當(dāng)剩余壁厚不足以承受其內(nèi)外壓差時(shí)發(fā)生穿孔泄漏。

（3）增加換熱管壁厚至2 mm，折流板壁厚增加至3 mm，提高相關(guān)部件強(qiáng)度和剛度，避免由于壓力變化造成折流板變形，引起換熱管磨損。

（4）不銹鋼（304/316）換熱管屈服強(qiáng)度接近銅換熱管的3倍，在適當(dāng)壁厚條件下?lián)Q熱效率可與銅管相當(dāng)，且不易結(jié)垢，適當(dāng)條件下?lián)Q熱管時(shí)建議采用不銹鋼管。