天然氣注氣壓縮機燃料氣冷卻器失效分析及改進

趙振興

（中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

注氣開發是油田保證原油穩產的重要手段，多用于高產量深井和復雜開采條件的油井。注氣壓縮機是氣舉采油工藝的主要動力來源，屬于核心、關鍵設備。目前國內油田注氣壓縮機排氣壓力一般在10 MPa 左右，而在塔里木盆地，由于地質情況復雜，油藏埋藏較深，其地下開采壓力較高，部分油井壓力高達40 MPa 以上，對設備技術性能要求較高。塔里木油田公司某油田2015 年引進美國卡麥隆公司注氣壓縮機3 臺，其配套發動機為瓦克夏公司1100 kW L7042 燃氣發動機，使用過程中發現機組附屬燃料氣冷卻器多次發出內漏，檢查發現內部換熱管穿孔。

1 燃料氣冷卻器故障現象

1.1 燃料氣冷卻器基本情況

注氣壓縮機2016 年10 月投產運行，3 臺燃料氣冷卻器為管殼式換熱器，投運1 年內累計發生12 次穿孔泄漏故障。基本情況是：冷卻器由美國卡麥隆公司制造；型號SX2000；殼體材質Q235；管束材料為純銅；殼程設計壓力2.06 MPa，運行壓力（1.2～1.5）MPa；管程設計壓力1.03 MPa，運行壓力0.2 MPa；殼程運行溫度（0～2）℃，管程運行溫度（-40～50）℃；殼程介質天然氣，化學成分見表1；管程介質防凍液，型號為昆侖之星乙二醇型重負荷發動機冷卻液，產品組成及成分信息見表2。

1.2 燃料氣冷卻器故障情況

對冷卻器進行切割、解體后發現：管束與擋流板接觸的位置均存在不同程度的磨損和變形，其中變形較嚴重的管束已發生明顯彎曲。同時，部分管束發生嚴重擠壓彎曲變形，變形位置在相鄰兩擋流板之間。對這7 根異常管束，采用常壓注水法尋找漏點，共確定其中3 根管束有漏點。管束外表面可見明顯沖刷形貌，未見顯著腐蝕。圖1，圖2。

表1 燃料氣化學成分

表2 防凍液成分信息

圖1 冷卻器內部結構

圖2 換熱管變形

2 換熱管失效分析

2.1 化學成分測試

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

表3 化學成分分析結果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GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》和GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》對其進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，未見明顯變化；晶粒呈不規則狀，晶粒度等級達到9.0級，屬加工態特征。

圖3 管束金相組織

2.3 顯微硬度測試

對泄漏管束和未泄漏管束金相試樣進行顯微維氏硬度試驗（HV0.02），壓頭載荷20 g，儀器型號為美國TUKON 2100B 型顯微維氏硬度計，試驗結果如表4 所示。泄漏管束和未泄漏管束的維氏硬度值80～100，未見明顯異常。

表4 顯微維氏硬度試驗結果HV0.02

2.4 掃描電鏡及能譜分析

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

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

將發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），進一步放大可見較多腐蝕產物（圖5d），EDS 分析可知（見表6），腐蝕產物主要成分為C，O，Fe和Cu；未泄漏處經人為折斷后的斷口（圖5b）呈撕裂狀形貌，內沿翻邊，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 分析結果wt%

圖5 擠壓變形泄漏斷口的SEM 照片

表6 EDS 分析結果wt%

使用掃描電鏡對穿孔處進行觀察，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，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；進一步對穿孔1和穿孔2 附近沉積物進行EDS 分析可知，主要成分均為C，O，Fe，Cu 和少量S。

2.5 XRD 物相分析

從剖開的冷卻器內取殘留的固體粉末，利用X 射線衍射儀（XRD）對其進行物相結構分析，結果顯示該粉末的主要組成有Fe2O3，FeS 和FeCO3。此應為冷卻器殼體碳鋼的腐蝕產物，未見管束的腐蝕產物。

3 冷卻器結構分析

目前GB/T 151—2014 熱交換器中對折流板設計未做較為詳細的要求，僅對折流板上開孔直徑、外圓直徑偏差及加工精度進行要求，對折流板厚度、強度等無要求。而目前很多設計、研究中未關注薄壁（1 mm 以下）換熱管條件下，折流板變形引起的換熱管失效問題。折流板間距大于殼體內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，誘導振動。而該冷卻器中兩折流板之間間距為100 mm，等于冷卻器內徑，間距達到標準的極限值，對換熱管受力影響較大。

4 結論及改進措施

（1）冷卻器殼體發生明顯腐蝕，腐蝕產物主要成分為Fe－CO3，FeS 等；換熱管未發現腐蝕，表明純銅在此環境下無腐蝕行為。

（2）換熱管穿孔失效原因為：冷卻器內的折流板在氣流沖擊下發生擾動和畸變失穩，致使管束發生磨損和彎曲變形，同時氣體流動沖刷使管束外壁減薄，在發生嚴重磨損和彎曲部位，管束減薄更多，最終當剩余壁厚不足以承受其內外壓差時發生穿孔泄漏。

（3）增加換熱管壁厚至2 mm，折流板壁厚增加至3 mm，提高相關部件強度和剛度，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）換熱管屈服強度接近銅換熱管的3倍，在適當壁厚條件下換熱效率可與銅管相當，且不易結垢，適當條件下換熱管時建議采用不銹鋼管。