氣田雙筒式分離器的優(yōu)化改進(jìn)

西安長慶科技工程有限責(zé)任公司

2015年長慶氣田某區(qū)塊3座集氣站在設(shè)備檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)在用的4臺材質(zhì)為碳鋼的雙筒式分離器的下部容器存在腐蝕情況，經(jīng)特種設(shè)備檢測機(jī)構(gòu)評定，下部容器積液區(qū)內(nèi)的筒體內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重，經(jīng)過核算剩余壁厚不能滿足安全使用要求，需要更換新的設(shè)備。針對上述情況，開展了雙筒式分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)專題公關(guān)，結(jié)合原料天然氣的介質(zhì)特點(diǎn)，通過腐蝕機(jī)理研究、材料優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法，設(shè)計(jì)出了能夠適用該區(qū)塊介質(zhì)條件下的雙筒式分離器，經(jīng)過產(chǎn)品試制和現(xiàn)場試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該設(shè)備的適應(yīng)性。

1 腐蝕分析

1.1 腐蝕情況

雙筒式分離器的下部容器筒體的設(shè)計(jì)壁厚為16 mm，材質(zhì)為碳鋼（Q245R），運(yùn)行時(shí)間為2～3年，最小剩余壁厚為10.6～12.2 mm，減薄率為24%～34%，實(shí)際腐蝕速率達(dá)到1.7～2.3 mm/a，超過設(shè)計(jì)控制腐蝕速率0.4 mm/a，設(shè)備不能達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命[1]，具體數(shù)據(jù)詳見表1。通過現(xiàn)場察看可知，容器內(nèi)部腐蝕情況主要表現(xiàn)為整體腐蝕和局部點(diǎn)蝕。

表1 設(shè)備下部容器的壁厚數(shù)據(jù)匯總Tab.1 Wall thickness data summary of the vessel at the bottom of equipment

通過現(xiàn)場調(diào)研，收集并整理了2013—2015年3個(gè)集氣站原料天然氣主要腐蝕性介質(zhì)中H2S、CO2、Cl-的含量，具體數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 A、B、C 3個(gè)集氣站參數(shù)Tab.2 Gas gathering station parameters of A、B and C

通過表2中的數(shù)據(jù)可以看出，每個(gè)集氣站中均含有H2S、CO2、Cl-腐蝕介質(zhì)，雖然含量有所差異，但是設(shè)備腐蝕的表現(xiàn)形式和程度基本一致[2]。

1.2 腐蝕機(jī)理

H2S在濕環(huán)境下能引起碳鋼、低合金鋼材料的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，在材料內(nèi)部導(dǎo)致氫鼓包、氫誘導(dǎo)開裂和應(yīng)力導(dǎo)向型氫誘導(dǎo)開裂，從而導(dǎo)致設(shè)備受壓元件的腐蝕開裂[3]。

CO2腐蝕機(jī)理是CO2溶于水中生成碳酸，導(dǎo)致水溶液pH值降低，在金屬表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，除了引起碳鋼、低合金鋼的全面腐蝕外，還會(huì)造成材料的點(diǎn)蝕、臺面侵蝕等局部腐蝕[4]。

由于Cl-的半徑極小，穿透力強(qiáng)，能夠破壞可鈍化金屬的鈍化膜，使材料產(chǎn)生點(diǎn)蝕。另外，Cl-直接參與金屬材料的陽極溶解過程，對金屬材料的陽極溶解具有催化作用，加速材料的腐蝕[5]。

通過對設(shè)備的腐蝕現(xiàn)象和介質(zhì)的腐蝕機(jī)理分析可以看出，CO2和Cl-的腐蝕與腐蝕現(xiàn)象更加吻合，因此需要從耐CO2和Cl-的腐蝕方面入手，解決設(shè)備腐蝕問題[6]。

2 優(yōu)化措施

2.1 材料優(yōu)選

通過雙筒式分離器下部容器腐蝕原因分析，制定了碳鋼加防腐涂層、碳鋼加不銹鋼襯里、陰極保護(hù)、雙相不銹鋼等4種材料更換方案，分別從方案的適用性和經(jīng)濟(jì)性對4種方案進(jìn)行了綜合對比（表3），通過對比分析認(rèn)為采用雙相不銹鋼材料更換方案（方案一）最優(yōu)。

雙相不銹鋼的金相組織由鐵素體和奧氏體兩相組成，在固溶組織中兩相約各占一半，其材料化學(xué)元素組成中Cr含量為22%～23%，Ni含量為4.5%～6.5%[7]。雙相不銹鋼的金相組織和化學(xué)元素組成的特點(diǎn)，使其兼有鐵素體和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，耐晶間腐蝕、耐酸性和焊接性能更強(qiáng)；與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐點(diǎn)蝕性和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能有明顯提高。因此，雙相不銹鋼可于介質(zhì)中含有H2S、CO2、Cl-等腐蝕性環(huán)境使用[8-9]。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了提升雙筒式分離器使用功能，借助ANSYS Fluent軟件對設(shè)備的氣、液兩相流態(tài)進(jìn)行了仿真模擬，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。一方面增大分離器上筒體與下筒體兩個(gè)連通管之間的間距，由1.8 m調(diào)整為2.5 m，有效地改善流場，減少下筒體滯流和泥沙堆積；另一方面是在下筒體兩端增設(shè)檢修手孔，方便現(xiàn)場清泥沙作業(yè)[10]。

表3 材料更換方案綜合對比Tab.3 Comprehensive comparison of material replacement scheme

3 結(jié)束語

隨著長慶氣田的開發(fā)，以蘇里格南區(qū)為代表的部分主力氣田介質(zhì)礦化度、H2S和CO2含量呈不斷增加的趨勢，給生產(chǎn)設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行提出了更高要求。2016年，3座集氣站先后更換了4臺優(yōu)化改進(jìn)后的雙筒式分離器，經(jīng)過2年多的運(yùn)行，2018年設(shè)備檢修時(shí)雙通式分離器下部容器筒體未出現(xiàn)腐蝕情況，達(dá)到了預(yù)期使用效果[10]。雙筒式分離器在含有H2S、CO2和Cl-環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景。