气田双筒式分离器的优化改进

西安长庆科技工程有限责任公司

2015年长庆气田某区块3座集气站在设备检修时，发现在用的4台材质为碳钢的双筒式分离器的下部容器存在腐蚀情况，经特种设备检测机构评定，下部容器积液区内的筒体内壁腐蚀严重，经过核算剩余壁厚不能满足安全使用要求，需要更换新的设备。针对上述情况，开展了双筒式分离器优化设计专题公关，结合原料天然气的介质特点，通过腐蚀机理研究、材料优选和结构优化等方法，设计出了能够适用该区块介质条件下的双筒式分离器，经过产品试制和现场试验，进一步验证了该设备的适应性。

1 腐蚀分析

1.1 腐蚀情况

双筒式分离器的下部容器筒体的设计壁厚为16 mm，材质为碳钢（Q245R），运行时间为2～3年，最小剩余壁厚为10.6～12.2 mm，减薄率为24%～34%，实际腐蚀速率达到1.7～2.3 mm/a，超过设计控制腐蚀速率0.4 mm/a，设备不能达到设计使用寿命[1]，具体数据详见表1。通过现场察看可知，容器内部腐蚀情况主要表现为整体腐蚀和局部点蚀。

表1 设备下部容器的壁厚数据汇总Tab.1 Wall thickness data summary of the vessel at the bottom of equipment

通过现场调研，收集并整理了2013—2015年3个集气站原料天然气主要腐蚀性介质中H2S、CO2、Cl-的含量，具体数据详见表2。

表2 A、B、C 3个集气站参数Tab.2 Gas gathering station parameters of A、B and C

通过表2中的数据可以看出，每个集气站中均含有H2S、CO2、Cl-腐蚀介质，虽然含量有所差异，但是设备腐蚀的表现形式和程度基本一致[2]。

1.2 腐蚀机理

H2S在湿环境下能引起碳钢、低合金钢材料的硫化物应力腐蚀开裂，在材料内部导致氢鼓包、氢诱导开裂和应力导向型氢诱导开裂，从而导致设备受压元件的腐蚀开裂[3]。

CO2腐蚀机理是CO2溶于水中生成碳酸，导致水溶液pH值降低，在金属表面发生电化学反应，除了引起碳钢、低合金钢的全面腐蚀外，还会造成材料的点蚀、台面侵蚀等局部腐蚀[4]。

由于Cl-的半径极小，穿透力强，能够破坏可钝化金属的钝化膜，使材料产生点蚀。另外，Cl-直接参与金属材料的阳极溶解过程，对金属材料的阳极溶解具有催化作用，加速材料的腐蚀[5]。

通过对设备的腐蚀现象和介质的腐蚀机理分析可以看出，CO2和Cl-的腐蚀与腐蚀现象更加吻合，因此需要从耐CO2和Cl-的腐蚀方面入手，解决设备腐蚀问题[6]。

2 优化措施

2.1 材料优选

通过双筒式分离器下部容器腐蚀原因分析，制定了碳钢加防腐涂层、碳钢加不锈钢衬里、阴极保护、双相不锈钢等4种材料更换方案，分别从方案的适用性和经济性对4种方案进行了综合对比（表3），通过对比分析认为采用双相不锈钢材料更换方案（方案一）最优。

双相不锈钢的金相组织由铁素体和奥氏体两相组成，在固溶组织中两相约各占一半，其材料化学元素组成中Cr含量为22%～23%，Ni含量为4.5%～6.5%[7]。双相不锈钢的金相组织和化学元素组成的特点，使其兼有铁素体和奥氏体不锈钢的优点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，耐晶间腐蚀、耐酸性和焊接性能更强；与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐点蚀性和耐氯化物应力腐蚀性能有明显提高。因此，双相不锈钢可于介质中含有H2S、CO2、Cl-等腐蚀性环境使用[8-9]。

2.2 结构优化

为了提升双筒式分离器使用功能，借助ANSYS Fluent软件对设备的气、液两相流态进行了仿真模拟，对其结构进行了优化。一方面增大分离器上筒体与下筒体两个连通管之间的间距，由1.8 m调整为2.5 m，有效地改善流场，减少下筒体滞流和泥沙堆积；另一方面是在下筒体两端增设检修手孔，方便现场清泥沙作业[10]。

表3 材料更换方案综合对比Tab.3 Comprehensive comparison of material replacement scheme

3 结束语

随着长庆气田的开发，以苏里格南区为代表的部分主力气田介质矿化度、H2S和CO2含量呈不断增加的趋势，给生产设备的安全平稳运行提出了更高要求。2016年，3座集气站先后更换了4台优化改进后的双筒式分离器，经过2年多的运行，2018年设备检修时双通式分离器下部容器筒体未出现腐蚀情况，达到了预期使用效果[10]。双筒式分离器在含有H2S、CO2和Cl-环境下具有广阔的应用前景。