天然气场站旋风分离器异响分析及处理

马立林,孙健

摘要：旋风分离器是利用离心力分离气流中固体颗粒或液滴的设备。基本原理是靠气流切向引入造成的旋转运动，使具有较大惯性离心力的固体颗粒或液滴甩向外壁面分开的一种工业常用分离设备。2013年，XB管道公司采购了国产厂家（以及简称：HT公司)生产的18台国产旋风分离器，设备投用后连续发生异响，甚至有设备在2次返修后还存在异响，管道公司委托第三方机构调查分析设备异响原因并出具了指导性意见，工厂根据调查分析结论和意见连续调整了设备返修制造参数，最终消除了设备异响问题。

关键词：旋风分离器 异响 返修 分析 处理

一、设备基本信息

2013年，某管道公司天然气场站采购了HT公司制造的18台国产旋风分离器设备，该厂使用的旋风子由上海AL公司参考美国PL公司产品样式制作，采用了焊接样式代替了一体化铸造样式。该批旋风分离器基本参数为：设计压力12.6MPa，操作压力8.44MPa，设计温度-30~80℃，操作温度-10~60℃，设计年限20年，腐蚀裕量2mm，单台处理量765000Nm³/h，设备压降≤0.05MPa，水压试验压力18MPa，筒内径1480mm，筒体和封头材质16MnDR，设备进出气口内径均为565mm。设备投产运行不久，旋风分离器陆续发生异响。

二、事件经过

2016年8月至2017年1月期间，HT公司返厂第一台编号为CYC3202的旋风分离器（以下简称：CYC3202分离器），投用一个月后再次出现异响。2019年XB管道公司组织拆解了CYC3202分离器，发现旋风分离器位于进气口侧、旋风管与下管板连接处、旋风管与旋风子连接处存在12处断裂或裂纹。随即组织召开了多次专家会，结合管道断口分析，最终确定了设备异响的原因为：旋风组件由于管板和旋风管厚度问题，导致在内外压差较大的状况下，旋风组件上下管板和旋风管强度不足，管板沿旋风管轴向产生振动，旋风分离器旋风组件与筒体间由于存在断续焊接和焊缝熔深不足，轴向振动导致管板焊缝断裂，在轴向振动和气流冲击的共同作用下，旋风管的振动声和断裂旋风管碰撞产生的敲击声是异响。工厂在2019年5月10日制定了返修方案，返修主要内容有：1）加强旋风管和管板强度，将管板厚度从20mm增加至30mm；旋风管材质20#变更为Q345D无缝管，单根旋风管壁厚由2.4mm增加至4.55mm；2）防气流冲刷改进，将设备进口部位第1排和第2排旋风管采用L30X30X4的角钢进行加强。CYC3202分离器最早返回，但是安装投用后再次发生异响。

2020年10月20日对CYC3202的分离器再一次拆解，发现旋风分离器位于进气口侧中间位置一根旋风管上端于上管板穿孔处断裂、下端与下管板焊接处脱落。旋风管与上管板焊接处共有19处焊缝开裂，与下管板连接处有6处焊缝开裂。综合考虑了被参考的国外设备并未出现此类情况，最终断定此次异响的直接原因为：旋风管组与上下管板焊接强度不足（焊缝不均匀且熔深不足），在内外压差较大的状况下，管板沿旋风管轴向产生振动，在进口气流的冲击作用下，旋风管产生径向振动。最终导致旋风管与管板间焊缝开裂，旋风管的振动声和断裂旋风管碰撞产生的敲击声是异响噪音。工厂在2021年1月1日再次制定了新的返修方案，返修主要内容有：1）旋风内件上下管板材质不变（16MnDR），厚度30mm；2）旋风管材质为Q345E无缝钢管（屈服强度345MPa），单根旋风管壁厚5mm,旋风管数量为230根/台；3）对进气口侧受气流冲刷的情况，调整了旋风管布局，采用正三角形排列，相邻管间距85mm，布管限定圆Φ1360mm，在进气口迎风侧留部分区域不布管，并在进气口侧扇形区域最外2层旋风管迎风面增加防冲刷角钢；4）加强旋风管与管板焊缝强度，同时在管板管孔位于管束腔的一侧孔边沿按1x45°倒角；5）缩短旋风管长度（对旋风分离效率无影响）,旋风管板间距(外表面/外表面)为由1350调整为1200mm。

三、问题处理

虽然HT公司制定了设备返厂维修方案，但是两次设备拆解均发现旋风管与管板连接角焊缝存在质量问题，且由于旋风管排列密集的原因，导致内圈管板角焊缝和防冲刷角焊缝无法焊接，反映出HT公司对设备返修问题重视程度不够、质保体系也无法有效运转。2021年XB管道公司委托了第三方单位对设备返修关键工序质量进行监造控制，关键工序有原材料验收、原材料加工、焊接、无损检测，情况如下：

3.1 原材料质量控制

旋风组件所用钢板采用16MnDR、旋风管采用Q345E、旋风子为碳钢铸件，除旋风子外，钢板和旋风管均采用压力容器用钢，原材料供应商均为HT公司合格供应商，现场监造人员对依据工厂质量体系文件要求对合格供应商评价文件进行了审查。

原材料均有材料质量证明书，并在制造过程中按照压力容器质量控制体系执行，现场监造人员对质量证明书进行文件审查确保原材料的采购、下料、机加工、组装焊接等工序均可追溯。

3.2 材料加工过程控制

旋风组件上下管板坡口及开孔将采用机加工方式，确保坡口及开孔尺寸要求符合图纸规定。

3.3 焊接过程控制

旋风组件的焊接主要有：a.旋风子与旋风管焊接；b.旋风子或旋风管与管板焊接；c.焊后热处理要求；d.旋风组件管板与设备筒体焊接；e.焊接试件。

旋风子与旋风管焊接，对接接头应采用全焊透形式，角接接头应确保焊脚高不低于旋风管壁厚。

旋风组件上下管板与旋风分离器筒体焊接应采用全焊透结构，且角焊缝焊脚高≥10mm。

旋风管与上下管板采用开坡口角焊缝，坡口深度5mm，焊角高5mm。

对旋风管与管板焊接，采用氩弧焊接。对于旋风子与管板的焊接采用手工焊条焊，焊接按焊接工艺进行。旋风管板与承压壳体采用手工焊条焊，焊接前应将承压筒体内壁的切割残余金属打磨去除，要求打磨光滑。旋风组件与耐压壳体组装尺寸及方位按内件安装图，焊接应按焊接工艺进行。

旋风组件管板与筒体焊缝，管板与旋风管焊缝应制备焊接试件，焊接试件应与旋风组件、容器本体同炉进行焊后消除应力热处理。

筒体与上封头对接焊缝为压力容器A类焊缝，按照施工图纸及及相关工艺文件（坡口加工、组装及焊接）进行过程质量控制。

3.4 无损检测过程控制

旋风子与管板焊缝、旋风管与管板焊缝、管板与承压壳体焊缝均做了100%MT或100%PT,符合NB/T47013-2015Ⅰ级合格。筒体和上封头对接焊缝进行100%RT检测，按照NB/T47013-2015的规定，技术等级AB级，≥Ⅱ级合格。

四、结论

2022年9月14日CYC3202分离器重新返回YD压气站，投用至本稿发表时间再无异响发生。通过几次设备返修，总结出国产旋风分离器设备异响与设备进口位置布置、旋风管尺寸规格选型、焊接质量及制造单位质保体系有直接关系。建议在以后采购国产旋风分离器时，务必做好以下几项工作：

1）在确保分离效率和精度的前提下，计算、选择强度适当的旋风组件。可参照国外成熟的旋风分离器的设计参数，另外设计时应考虑硫腐蚀的工况。

2）严格按照已有的国家和行业标准对旋风管焊接质量进行控制，确保焊接强度。

3）调整设备进出口流程方向，可以将侧面进气的设计方式改为垂直方向进气的方式，减小压差和气流对旋风管的直接冲击。

4）委托监造单位对设备驻厂监造，重点控制原材料、焊接、热处理、无损检测和试压工序。

参考文献：

［1］ 顾然，旋风分离器接管角焊缝裂纹原因分析及处理：特种设备安全技术，2005

［2］ 刘福顺，谷春荣，徐冰，许世根，王铁．旋风分离器的设计选型及工程应用：中国环境监测，1996

［3］ 丰大成，高效分离器油气水分离研究[D].中国石油大学,2007.