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天然气流量计泄露原因分析

时间:2018/05/10来源:未知

  针对某天然气卸气站流量计在使用过程中出现泄漏现象,采用宏观分析、化学成分分析、金相检验以及扫描电镜与能谱分析等多种材料检测方法对锍量计的泄漏原因进行了分析。结果表明:流量计测量管的刺漏失效的主要原因是高速流体经过弯曲管段时对测量管内壁冲蚀,导致其壁厚减薄,***终发生刺漏。为了减少测量管的冲蚀,提高流量计的使用寿命,可将弯管式流量计改为直管式流量计。 

1、引言:
   随着科学技术的发展,人们对于流量检测精度的要求越来越高。科氏质量流量计是一种直接测量流体质量流量的瞬时流量计,它是利用流体流过振动管道时产生的科里奥利惯性力对管道两端振动相位的影响来测量流过管道流体的质量。从机理上讲,这种流量计排除了温度、压力、流动状态、密度变化的影响,而且该流量计的核心部件—测量管内无任何障碍物,具有压力损失小、自排空、保持清洁等优点因此,科里奥利质量流量计具有广阔的应用前景。
   然而,高压流体高速通过流量计弯曲测量管时会产生冲蚀现象。某卸气站天然气流量计在使用过程中其内部测量管存在刺漏现象。本文通过宏观分析、化学成分检验和微观分析,对其失效原因进行确定。

2、理化检验:
2.1、宏观分析:

   所送流量计形貌如图1所示,流量计测量管刺口靠近出口部位,位于测量管弯曲段外侧。沿着上游直管段轴线观察可以清晰地观察到刺漏部位,且刺口处于该轴线上(见图2)。分别将测量管入口处、中部和出口处管体纵向剖开,其内壁均存在冲蚀沟槽,沿着流向,冲蚀沟槽宽度均由宽变窄,且出口处冲蚀***严重,中部次之,入口朴冲钟***努微。形貌如图3所示。
图1所送流量计形貌

图2 图3


2.2、化学成分分析:
   在测量管上取样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表可知,流量计测量管的化学成分符合ASTMA240M-2007对316L不锈钢的要求。
2.3、测量管弯段焊缝区金相:
   将流量计测量管弯段焊缝处纵向剖开,金相显微镜下观察其组织形貌,如图4所示。由图可知,测量管的组织为奥氏体;翼板已严重浸蚀,组织颜色较暗;
焊缝处仍未腐蚀,组织颜色较亮。焊缝热影响区存在氧化深度约为31Eun。
2.4、微观分析:
   扫描电子显微镜下观察测量管刺口形貌,如图5所示,由图可知,刺口上游部位壁厚很薄,刺口内壁为犁沟特征,为刺漏流体与管壁切向摩擦所致;刺口下游较钝,为刺漏流体迎面撞击所致。
表1所送流量计测量管化学成分分析结果(VVt.%)
图4 测量管焊缝处金相组织
图5

    刺口外壁形貌如图6所示。由图可知,刺口边沿存在较多外卷的薄边,是高压流体沿管壁切线向外喷射所致,高速流体由刺口喷至管外壁翼板焊缝部位,硬度较低的基体被冲刷掉,硬度较高的硬质相呈凸起分布。
    对这些硬质相进行EDS分析,结果如图7和表2所示。由EDS分析结果可知,该析出相中B和Cr含量较高,按原子量百分比计算可知,B:Cr约为2:1,可推知该析出相为CrBz硬质点相。
图6 图7

表2测量管焊缝处EDS分析结果(VVt.%)

表2测量管焊缝处EDS分析结果(VVt.%)

3、综合分析:
   根据上述检验,该流量计测量管的化学成分符合316L不锈钢的要求,弯曲管段翼板的焊缝热影响区为31um,对管体的组织影响较小。宏观分析表明,测量管入口、中部和出口均存在弯曲,这些弯曲部位内壁均存在冲蚀沟槽,出口处冲蚀***严重(己刺漏),中部次之,入口***轻微。因此,所送流量计钡四量管刺漏的主要原因为高速流体经过弯曲管段时冲蚀,导致测量管壁厚减薄而刺漏。    该流量计使用时间为3.6年,测量管材料为316L不锈钢,规定壁厚为1.4435mm。按设计要求,流量计内质量流速***高可达150kg/min,***高承受压力35MPa,设计使用温度为一50~十125°C。实际使用中,该批流量计实际承受压力***高为20MPa,常态下15~17MPa,工作温度为:夏季627°C、冬季-26~15 0C。
   该卸气站天然气的水露点-15°C,烃露点一140C 0因此,当流量计使用环境气温高于一14℃时,流量计内介质为纯气相流体。当流量计使用环境气温低于一14°C时,达到烃露点,介质内有烃的液相成分出现;随着温度的降低,低于一巧℃时,达到水的露点,介质内存在液态烃和液态水。
   当流量计内介质为气相和液相两相流体时,液相密度远大于气相密度,流体经过测量管弯段时,受离心力作用的影响,液相介质大部分集中在外侧壁面,同时向测量管对称面与外侧壁面的交线汇聚,且随主流向下游流动。这些液相经过弯段,会与外侧壁面剧烈摩擦,将外侧壁面冲蚀出一条沟道。这正是宏观分析中冲蚀沟形成的原因。    此外,若天然气内混有粉尘等固相杂质,会导致冲蚀速率急剧增大。
   测量管入口端与气站相连,出口端与天然气运输车储罐相连,显然,气站的气压高于天然气运输车储罐,尤其是卸气初期,气压差值***大,约达20MPao两端口天然气压力不同,会造成流体的流速和气液两相的比例不同。根据流体力学的伯努力方程[[3]可得,
计算公式
  即入口端天然气流速小于出口端,出口端流速的增大,冲蚀作用增强,是造成出口端冲蚀严重的原因之一。    天然气为多组分流体,在一定温度范围内降压过程中会存在反凝析现象,在压力反凝析区,随着压力降低,天然气的凝析率上升。出口端压力低于入口端,流体凝析率上升,液相所占比例增大。液相的密度远大于气相,二者以同样的速度冲击测量管壁时,液相的冲击力较大,冲蚀更为严重。这也是出口端冲蚀严重的原因之一。根据以上分析可以推知,流量计测量管刺漏的主要原因是,环境温度较低时,天然气中存在液态水和液态烃等液相高速冲刷测量管壁,导致管壁减薄而刺漏。
   高速流体通过弯管流量计时会产生强烈的冲刷作用,因此可以将流量计的弯曲测量管改为直管式测量管,考虑到直管式测量管的科氏效应不明显,对信号检测系统的灵敏度要求特别高,因此,应该综合考虑在满足要求的检测精度下,适当地减小测量管的弯曲度。另外,考虑到测量管出口部位冲刷严重,可将出口端弯曲部位的曲率设计得相对小一些。

4、结论:
   (1)所送流量计测量管的刺漏失效的主要原因是高速流体经过弯曲管段时造成测量管冲蚀,导致其壁厚减薄,***终发生刺漏。
   (2)所送流量计测量管的化学成分符合316L不锈钢的化学成分要求。
   (3)在满足要求的检测精度下,适当地减小测量管的弯曲度。另外,考虑到测量管出口部位冲刷严重,可将出口端弯曲部位的曲率设计得相对小一些。

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