高含硫化氫氣田儀表選型設(shè)計

王志強

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026)

高含硫化氫氣田儀表選型設(shè)計

王志強

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026)

天然氣介質(zhì)中硫化氫的含量比較高，由于硫化氫的劇毒性和腐蝕性，以及天然氣中硫磺顆粒的沉積等工況，儀表的接液材質(zhì)、選型設(shè)計與普通的天然氣相比，存在很多不同之處。介紹了壓力儀表、溫度儀表、液位儀表、流量儀表的選型設(shè)計與安裝；結(jié)合氣田在生產(chǎn)運行中儀表維護的經(jīng)驗，探討了高含硫化氫天然氣儀表選型設(shè)計的注意事項和建議。

高含硫化氫氣田 接液材質(zhì) 儀表選型 儀表安裝

根據(jù)相關(guān)的石油天然氣行業(yè)標準[1]，高含硫化氫氣田通常是指硫化氫體積分數(shù)不小于5%的天然氣氣田。硫化氫不僅是一種劇毒氣體，而且對金屬材料具有很強的腐蝕性。用于高含硫化氫氣田的儀表，接液材質(zhì)必須滿足美國防腐工程師協(xié)會(NACE)的標準[2]以及國內(nèi)的相關(guān)標準[3]，可以有效防止硫化物應(yīng)力開裂(SSC)、應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)以及氫致開裂(HIC)等現(xiàn)象。中石化普光氣田采用濕氣輸送工藝，天然氣中硫化氫體積分數(shù)高達12%～17%，氣田采出水中氯離子質(zhì)量濃度達到4×104mg/L，這對儀表的選型、選材及安裝方式提出了很高的要求。本文針對高含硫化氫氣田的壓力儀表、溫度儀表、液位儀表以及流量儀表的選型和安裝分別進行介紹。

1 壓力儀表的選型和安裝設(shè)計

壓力表和壓力變送器均選擇了隔離膜片密封的形式，膜片的材質(zhì)采用哈氏合金C。這種做法的好處是僅隔離膜片需要采用耐腐蝕合金，檢測元件和儀表采用普通材質(zhì)，節(jié)省投資。

壓力儀表的安裝主要考慮減少過程連接的數(shù)量，也就是減少潛在的泄漏點，從設(shè)計上減小硫化氫泄漏的可能性[4]。壓力儀表的安裝采用了工藝截止閥和雙閥組儀表閥串聯(lián)安裝的形式。該氣田井口管線壓力等級為Class2500，管線材質(zhì)為鎳基合金08825，壓力儀表的安裝采用焊接式截止閥加雙閥組儀表閥的形式，如圖1所示。

圖1中焊接式截止閥和雙閥組儀表閥均為鎳基合金材質(zhì)，該種安裝方式優(yōu)點是潛在的泄漏點少，只有工藝截止閥和雙閥組之間、雙閥組與壓力表之間2個泄漏點；缺點是工藝截止閥是焊接在管道上的，維修和更換困難。

該氣田外輸管線壓力等級為Class900，管線材質(zhì)為抗硫碳鋼，壓力儀表的安裝采用一端法蘭一端螺紋的截止閥加雙閥組儀表閥的形式，如圖2所示。

圖1 井口管線壓力表安裝示意

圖2 外輸管線壓力表安裝示意

圖2中一體焊接式法蘭為抗硫碳鋼材質(zhì)，截止閥和儀表閥為鎳基合金。由于抗硫碳鋼和鎳基合金差異很大，兩種金屬接觸在一起且有水存在的情況下，會產(chǎn)生電偶腐蝕[5-6]，所以兩者的法蘭連接處需要配套絕緣墊片。對于抗硫碳鋼的工藝管線，如果采用圖1的安裝方式，由于焊接式截止閥采用鎳基合金，鎳基合金和抗硫碳鋼之間的焊接難度非常大，且沒有相應(yīng)的焊接規(guī)程，無法焊接。如果焊接式截止閥采用抗硫碳鋼，儀表閥采用鎳基合金，則截止閥與儀表閥之間的螺紋連接會產(chǎn)生電偶腐蝕。所以對于抗硫碳鋼工藝管線，采用了圖2的安裝方式。圖2中與圖1中的安裝方式相比，多了法蘭處的泄漏點，但優(yōu)點是截止閥易于維修和更換。需要注意的是，抗硫碳鋼的一體焊接法蘭需要由第三方根據(jù)NACE規(guī)范進行SSC，HIC腐蝕試驗，并提供試驗報告。

高含硫化氫氣田在生產(chǎn)的過程中，單質(zhì)硫磺會析出堵塞工藝截止閥和儀表閥[7]，造成壓力儀表無法正常工作。為了緩解硫沉積堵塞情況，通常應(yīng)采用加注硫溶劑、化學藥劑和加電伴熱的方法。從儀表選型的角度考慮，可以選擇大通徑的工藝截止閥和儀表閥，減少硫堵的發(fā)生，從而減輕工人解堵操作的勞動強度。元壩氣田采用了大通徑截止閥和儀表閥，內(nèi)部通徑達到了12.7mm，遠大于通常儀表閥4.7mm的內(nèi)部通徑，有效減少了硫堵的發(fā)生。

2 溫度儀表的選型和安裝設(shè)計

溫度儀表均配套外保護套管，保證溫度儀表可以不停產(chǎn)維修和更換。外保護套管作為接液件，采用鎳基合金材質(zhì)。

1) 該氣田井口管線溫度儀表的安裝采用焊接式外保護套管，直接與工藝管道焊接連接，溫度儀表與外保護套管采用螺紋連接。

2) 該氣田外輸管線溫度儀表的安裝采用法蘭式外保護套管，與工藝管道法蘭連接，溫度儀表與外保護套管采用螺紋連接。法蘭式外保護套管采用鎳基合金材質(zhì)，工藝法蘭為抗硫碳鋼，法蘭端面采用絕緣墊片以避免電偶腐蝕。外輸管線溫度儀表外保護套管的安裝沒有選擇井口管線溫度儀表的焊接方式，同樣沒有相應(yīng)的焊接規(guī)程。還有一種方案是外保護套管采用抗硫碳鋼材質(zhì)，采用井口管線溫度儀表的焊接連接方式，但外保護套管需要按照NACE規(guī)范進行相應(yīng)的抗硫試驗。

3 液位儀表的選型設(shè)計

高含硫化氫氣田的集氣站場中，需要測量分離器、分液罐、緩沖罐等的液位，特別是上游流程中的分酸分離器、計量分離器等，受井底返排酸液和硫磺析出的影響，容器底部會沉積厚厚的硫磺、沙子等沉積物，嚴重影響液位的測量。這些容器的液位遠傳檢測主要采用雙法蘭差壓式液位變送器，隔離膜片采用哈氏合金C。雖然硫磺等沉積物會導(dǎo)致液位檢測的誤差增大，但只要壓力能傳導(dǎo)到法蘭膜片，還是可以實現(xiàn)液位的測量。通過現(xiàn)場定期進行沖砂和排污操作，雙法蘭液位變送器可以較好地實現(xiàn)高含硫分離器的液位檢測。

分離器上常用的就地液位檢測儀表是磁翻板液位計。利用連通器原理，在旁通的測量腔體內(nèi)設(shè)置磁浮子，通過磁耦合使得磁翻柱翻轉(zhuǎn)而顯示不同的顏色，從而顯示容器內(nèi)的液位。

磁翻板液位計不適用于硫磺沉積嚴重的分離器，因為硫磺會填滿浮子與腔體之間的空隙，使得浮子卡住而無法隨液面浮動。針對這一問題，該氣田二期工程將側(cè)裝式磁翻板改為頂裝式，裝在容器頂部，以避免浮子卡在腔體內(nèi)的情況。但現(xiàn)場工況過于嚴苛，硫磺等沉積物厚度達到300mm，浮子陷入硫磺中無法浮起。經(jīng)與供貨廠商溝通，將浮子改為水平多排布置，情況有所改觀，但浮子仍會沉積硫磺，需要定期清洗。

對于壓力等級Class900及以上的容器，由于硫化氫分壓和氯離子含量均很高，磁翻板液位計的腔體采用不銹鋼無法滿足NACE規(guī)范的要求，而采用哈氏合金則造價非常高，因而磁翻板液位計并不適用。鑒于工況過于惡劣，其他形式的就地液位計也很難取得滿意的效果，建議采用雙法蘭液位變送器進行遠傳顯示。

對于火炬分液罐、酸液緩沖罐等處于流程下游的低壓容器，可以選用磁翻板液位計。一是因為硫化氫分壓低，采用不銹鋼可以滿足NACE規(guī)范要求；二是硫磺沉積情況較輕。為了避免氯離子對不銹鋼的腐蝕，可以采用全內(nèi)襯的磁翻板，在腔體內(nèi)和浮子外襯一層聚四氟乙烯(PTFE)，將不銹鋼與介質(zhì)隔離。需要注意的是： 這種襯層的做法只適合低壓工況，中高壓工況襯層容易脫落。對于有少量硫磺沉積的工況，可以選用大腔體的磁翻板液位計。

4 流量儀表的選型和安裝設(shè)計

天然氣的流量計量通常采用差壓式流量計、超聲波流量計、渦輪流量計和渦街流量計等。對于高含硫化氫氣田，流量計的選擇主要考慮硫化氫的腐蝕、氣體臟污情況、氣體組分等。經(jīng)過對幾種流量計的對比，該氣田流量計選擇了高級孔板閥[8]。

高級孔板閥是一種孔板計量裝置，屬于差壓式流量計。高級孔板閥與普通孔板的區(qū)別在于可以實現(xiàn)帶壓更換孔板片。高級孔板閥設(shè)有上下兩個閥體，兩者之間通過滑閥實現(xiàn)隔離密封。在計量狀態(tài)時孔板片處于下閥腔，與管道同心，更換孔板時打開滑閥，通過搖柄、齒輪或螺桿等孔板提升裝置將孔板片提升至上閥腔，關(guān)閉滑閥，將上閥腔壓力泄放，打開上閥蓋取出孔板。將待更換的孔板片放入上閥腔，采用與上述相反的步驟，完成孔板的在線帶壓更換。

在該氣田的實際應(yīng)用中，由于氣體中存在硫磺顆粒和其他雜質(zhì)且黏度高，取壓管經(jīng)常被堵塞，影響了流量計的正常計量[9]。現(xiàn)場通過定期清洗、吹掃和電伴熱等措施進行解堵操作，緩解了硫堵的情況，但無法從根本上解決堵塞問題。鑒于上述情況，元壩氣田流量計選用外夾式超聲波流量計。

外夾式超聲波流量計是一種非接觸式流量計量儀表，其檢測元件不與測量介質(zhì)直接接觸，采用外貼綁扎的安裝方式將流量計固定在被測管道的外壁，采用超聲波時差的原理實現(xiàn)流量的計量。

外夾式超聲波流量計精度可以達到±2%，如果采用雙聲道型，經(jīng)標定精度可以達到±0.5%，適用于絕大多數(shù)的金屬管和塑料管等無內(nèi)襯的管道。根據(jù)西門子公司的數(shù)據(jù)，外夾式超聲波流量計所能測的管道最大壁厚為31.8mm，并且管壁越厚，要求的氣體密度越高，即要求管道內(nèi)氣體的壓力越高，這樣才能實現(xiàn)流量的測量。根據(jù)GE公司提供的數(shù)據(jù)，對于壁厚為25.4mm，DN300的天然氣管道，管道內(nèi)天然氣的壓力必須達到5.62MPa以上才能采用外夾式超聲波流量計進行有效計量。另外，由于二氧化碳會吸收超聲波，造成超聲波信號的衰減，通常要求天然氣中二氧化碳的體積分數(shù)不超過20%[10]。元壩氣田的天然氣中二氧化碳的體積分數(shù)最高為11.53%，管道的壁厚和操作壓力均滿足外夾式超聲波的使用要求，現(xiàn)場取得了滿意的計量效果，避免了普光的高級孔板閥堵塞的問題。

5 結(jié)束語

對于儀表的選型與安裝設(shè)計，高含硫化氫氣田的特殊之處在于： 硫化氫的腐蝕性，要求儀表的接液材質(zhì)必須符合NACE規(guī)范的要求；硫化氫的劇毒性，要求儀表的安裝盡量減少中間連接環(huán)節(jié)，減少潛在的泄漏點；單質(zhì)硫磺等雜質(zhì)的影響，要求儀表能防堵塞、防沉積。

[1] 李文光，張慶華，劉來福，等.SY 6779—2010 高含硫化氫氣田集氣站場安全規(guī)程[S].北京： 石油工業(yè)出版社，2010.

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Instrument Selection for High Hydrogen Sulfide Gas Field

Wang Zhiqiang

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation， Dongying， 257026， China)

Due to hypertoxicity， corrosion and sulfur particle deposition in natural gas for high hydrogen sulfide content， the wet parts materials and type selection of instrument are quite different comparing to that for normal natural gas. Instrument selection and installation of pressure， temperature， level and flow are introduced. Combining with instrument maintenance experience during production operation for gas field， some design attentions and suggestions of instrument selection for high hydrogen sulfide content natural gas are discussed.

high hydrogen sulfide gas field; wet part material; instrument selection; instrument installation

王志強(1976—)，男，山東諸城人，1998年畢業(yè)于石油大學(華東)生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，從事國際工程管理，任高級工程師。

TH862

B

1007-7324(2016)06-0009-03

稿件收到日期： 2016-08-05。