從離心壓縮機彎管流動分析探尋壁厚減薄原因

特約撰稿人：中國石油大學（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經過幾個檢修周期的運行后，其系統工藝管線的彎管部分較之直管段，壁厚減薄更為嚴重，現場通常采用定期測量壁厚的辦法進行監測，防止安全事故的發生。通常檢測彎管外側壁厚，彎管內側與直管段相連的部分未引起足夠的重視。本文通過彎管內的流動分析，找到了外側壁厚減薄的原因主要是沖刷和腐蝕，內側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，并進行了有關對策措施的探究。

離心壓縮機以其排量大、結構緊湊、運轉可靠等特點，廣泛應用于油田的天然氣凈化、增壓輸送等場合。但是油田伴生氣含有H2S、CO2、重烴組分以及泥砂等雜質，會加速管線系統的腐蝕，導致壁厚減薄。因此，油田集輸系統通常采用定期壁厚檢測的方法來進行腐蝕監控，確保不發生安全事故。勝利油田某壓氣站55×104m3/d離心式壓縮機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。經過12年運行，彎頭外側壁厚測量5．32mm，減厚已達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）。由于沒有預見到該部位是壁厚減薄的危險部位，也沒有納入壁厚檢測的范圍，如果不是更換彎頭發現，將會造成極大的安全隱患。

圖1 彎管中壁厚減薄

彎管內流動分析

1．氣體在彎管內的流動，如圖2所示。

圖2 彎管中的二次流及邊界層分離

根據流體力學知識可知，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，所以彎管內側速度大、壓力低，外側速度小、壓力高。流體由直管進入彎管時，在A-A′截面上壓力均一。流體進入彎管后，在外側由A到B的流動為增壓過程，壓力梯度Δp＞0，B點壓力最高，而從B到C壓力又逐漸下降。在內側由A′到B′的流動為減壓過程，壓力梯度Δp＜0，B′點壓力最低，而從B′到C′壓力又逐漸增加。直至流體進入直管時，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生邊界層分離,產生渦流。由于受彎管曲率半徑的影響，B′速度大，內側壁B′C′段的邊界層的分離影響更大，更易于擴展下去。同時，由于內外側壁的壓力不均一，而產生由外側壁向內側壁的二次渦流，它往往是一對反向旋轉的雙螺旋流動，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，導致邊界層分離的加劇。

彎管內外側壁厚減薄的機理分析

1．彎管外側內壁減薄有3方面的原因。一是氣體（包括所含的固、液雜質顆粒）由于受離心力的作用，對外側內壁產生強烈的沖刷磨損。介質流向和速率突然發生改變，對金屬及金屬表面的鈍化膜或腐蝕產物層產生機械沖刷的破壞作用；二是因為天然氣中含有飽和水，H2S、CO2等對管線產生化學和電化學腐蝕，由于沖刷作用，所以對不斷裸露出的金屬新鮮表面的腐蝕更為嚴重；三是管線AB段是降速升壓的過程中，會形成邊界層分離，邊界層內流速低，從而會加劇腐蝕。因此B部位是彎管外側最危險的部位。

2．彎管內側壁厚減薄由于不受離心力的影響，因此B′不是危險部位。在B′C′段，氣流減速增壓，由于B′點速度較B點大得多，B′C′擴壓作用更為明顯，邊界層分離更加嚴重，擴展形成漩渦區。在邊界層內，可能形成工況相對穩定的腐蝕“死水區”，管道內壁的腐蝕加劇，這種作用甚至比B部位的沖蝕腐蝕更為嚴重，因此C′部位是彎管內側最危險的部位。

管道運行監控措施探究

離心壓縮機氣路系統為關鍵的核心設備，為保證安全運行，防止壁厚減薄帶來的安全隱患，在運行中應從以下幾方面采取措施。

1．加強運行管線壁厚的檢測。不僅要檢測彎管B部位，還要增加C′部位的壁厚檢測。

2．彎管中的氣體流動主要與曲率半徑大小有關，過小的曲率半徑會惡化流動狀況。經驗證明，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方向間的夾角小于10°。曲率半徑受到限制時，可在彎管內安裝導流片，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。工藝管線彎管外側的沖刷腐蝕已受到管理者的高度重視，是壁厚檢測的重點。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壁腐蝕速率大，同樣危險。通過本文的機理分析，希望得到管理者的普遍重視，加強監控，消除安全隱患。