海洋平臺天然氣壓縮機(jī)管線研究

張瑞峰

海洋平臺天然氣壓縮機(jī)管線研究

張瑞峰

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司，天津 300450）

針對海上油田上采用的往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)裝置管道系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，主要是根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、管道內(nèi)介質(zhì)的腐蝕性能、管道外環(huán)境要求、材料加工工藝性能、焊接性能、合理的經(jīng)濟(jì)性或設(shè)計壽命等因素來綜合考慮。并考慮到在海洋大氣環(huán)境下的腐蝕狀況，對選出材料強(qiáng)度進(jìn)行了判斷。

天然氣壓縮機(jī)；管道材料；材料腐蝕；振動

壓力管道中最常用的材料是金屬材料，而且不同元素組成的金屬材料其性能差別很大，既是相同的材料，在不同的環(huán)境下，其性能也不同。海洋平臺上的管線材料主要是用碳鋼、不銹鋼和有色金屬材料。在管道設(shè)計中要除了要考慮管線材料本身的各種性能外，還要根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、介質(zhì)的特殊要求、以及管材合理的經(jīng)濟(jì)性或耐用年限等因素綜合考慮、研究，來選擇合適的鋼管材質(zhì)和壁厚。

1 天然氣壓縮機(jī)裝置處理介質(zhì)分析

以旅大CEP平臺上部天然氣壓縮機(jī)為例分析。旅大10-1井口平臺各井井流經(jīng)油嘴節(jié)流后經(jīng)生產(chǎn)管與來自旅大4-2井口平臺的井流匯合，進(jìn)入一級換熱器換熱后進(jìn)入一級分離器。一級分離器分離出的氣體與從旅大4-2原油緩沖罐分離出的氣體匯合后去天然壓縮機(jī)。本項(xiàng)目的天然氣壓縮，采用兩級往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)，每一級都包括有入口洗滌器、壓縮機(jī)和海水冷卻器。根據(jù)流程圖和物料熱平衡表分析每級壓縮機(jī)的進(jìn)出口參數(shù)如表1。

表1 每級壓縮機(jī)的進(jìn)出口參數(shù)

通過壓縮流程的分析可以得出，天然氣經(jīng)過壓縮機(jī)后，壓力和溫度都大幅度提高，根據(jù)水蒸汽的特點(diǎn)可知：壓力升高后，水蒸汽的露點(diǎn)溫度也相應(yīng)提高；經(jīng)過海水冷卻器后，天然氣的溫度大幅度降低（一級出口冷卻器由136 ℃降到45 ℃，二級出口冷卻器由135 ℃降到45 ℃），可能會有游離水出現(xiàn)，因此，物料號106和211這兩個段管線是腐蝕最嚴(yán)重的地方(見表2)，以這兩處計算其CO2年腐蝕速率，以此確定碳鋼管線能否滿足其腐蝕要求，運(yùn)用ECE4軟件計算得出以下結(jié)果如表2。

表2 兩個段管線的腐蝕速率

2 天然氣壓縮機(jī)裝置成橇管線腐蝕分析

一般用于平臺管道系統(tǒng)的碳鋼在某些工藝條件下可能發(fā)生腐蝕，含有水、鹽和二氧化碳、硫化氫、氧氣或它們混合物的生產(chǎn)工藝流體，可能對系統(tǒng)裝置中使用的金屬材料產(chǎn)生腐蝕，腐蝕的類型（均勻的金屬損失、麻點(diǎn)腐蝕、腐蝕／沖蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等）以及具體的腐蝕速率在同一系統(tǒng)可能不同，并且可能隨著時間而變化。工藝系統(tǒng)中流體的腐蝕性是一個復(fù)雜、多變的作用過程，它包括：烴、水、鹽和腐蝕性氣體的含量；烴的濕潤性；流速、流態(tài)及管道的布置；溫度、壓力和pH值；固體含量（砂、泥、細(xì)菌性殘?jiān)⑽⑸?、腐蝕產(chǎn)物和結(jié)垢）。

從而可以發(fā)現(xiàn)，天然氣壓縮機(jī)裝置成橇管線腐蝕主要分為兩類：外部腐蝕和內(nèi)部腐蝕。

（1）外部腐蝕。由于海上潮濕的環(huán)境，在海上平臺的外部環(huán)境中有著較高的濕度和鹽霧，因此存在一定的外部腐蝕。在海洋大氣環(huán)境下，沒有保護(hù)層的碳鋼腐蝕率可達(dá)0.5 mm/a以上，一般的，濕度和鹽霧月大，腐蝕越厲害。因此，某些文獻(xiàn)指出，海洋大氣中鋼鐵的腐蝕速度，比內(nèi)陸大氣中要高4～5倍。海洋大氣中鋼鐵的腐蝕表面比較均勻，添加某些化學(xué)成分的低合金鋼，對提高鋼鐵在海洋大氣中的耐蝕性有一定的作用。在碳鋼表面增加與環(huán)境和工況匹配的防護(hù)層也是防腐的常用辦法。不銹鋼在內(nèi)陸大氣中有極好的耐蝕表現(xiàn)，然而在海洋環(huán)境中就不完全一樣了。國內(nèi)外的許多研究人員對馬氏體、鐵素體和奧氏體3種類型的不銹鋼在海洋環(huán)境中的腐蝕，進(jìn)行了多年的研究，一般地說，3種不銹鋼在海洋大氣中都有極好的耐蝕性。在大氣區(qū)，如果表面有污物沉積，特別是在縫隙處沉積，易發(fā)生局部腐蝕，因?yàn)槌练e對鈍化膜有破壞作用。

（2）內(nèi)部腐蝕。船體、設(shè)備以及管道的內(nèi)部腐蝕主要與內(nèi)部介質(zhì)和操作環(huán)境有關(guān)，介質(zhì)主要有腐蝕性液體、碳?xì)浠衔镆约昂Ｋ?。主要的氣體介質(zhì)分為兩類：一是無酸腐蝕（主要是二氧化碳腐蝕）；二是酸性腐蝕（主要是硫化氫或硫化氫與二氧化碳的混合物腐蝕）。

3天然氣壓縮機(jī)裝置成橇管線的選材探討

根據(jù)介質(zhì)的種類不同，本天然氣壓縮機(jī)橇共包括以下幾種管線系統(tǒng)：天然氣管線，海水管線、凝析液管線、放空管線、排放管線、儀表氣管線等，本文主要對流經(jīng)壓縮機(jī)的天然氣管線選材進(jìn)行研究，對于其他管線系統(tǒng)的選材和平臺其他管線整體考慮。

工程上，為解決材料的腐蝕問題，一般采用四種解決方案，并對重要的場合采用腐蝕掛片和腐蝕探針來監(jiān)測腐蝕情況。

（1）碳鋼+腐蝕余量；

（2）碳鋼+緩蝕劑；

（3）抗腐蝕的合金材料；

（4）碳鋼+內(nèi)襯。

由于本壓縮橇的管線腐蝕速率并不大，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性，采用 CS(碳鋼)+3 mm CA這種方案，選用碳鋼ASTM A106 B?？紤]到在平臺上為減少管道的外部腐蝕，對管道加了防腐涂層，對于不保溫管線一般是用3層防腐涂層，分別為：車間底漆、中間漆、面漆；而對于經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后溫度比較高，超過60 ℃，因此要加人員保護(hù)，防止人員燙傷，其做法為：除了管道上加防腐涂層外加玻璃棉進(jìn)行保溫；為防止靜電產(chǎn)生要采用跨接或者是接地。

考慮露天、太陽輻射和潮濕、多鹽的海洋大氣環(huán)境，對于保溫的管線，采用花紋鋁皮外護(hù)層。在鋁皮內(nèi)側(cè)設(shè)了聚乙烯防潮層。所有的接口都盡量布置在管線的下側(cè)，接頭部分都進(jìn)行了合理的搭接，所有的外部縫隙都采用硅膠封死。以避免水氣的進(jìn)入，造成UIC（Under Insulation Corrosion）腐蝕。

4 天然氣壓縮機(jī)裝置成橇管線系統(tǒng)動力分析

天然氣壓縮機(jī)裝置成橇管系振動會引起管系和管架的疲勞損壞、建筑物誘發(fā)振動以及噪聲等。因此，管道設(shè)計時要考慮控制管線發(fā)生振動。對振動的主要情況如往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的振動。流體（氣體或液體）脈動是往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道振動的主要原因，當(dāng)脈動流體在管道中流動，對不同的位置，達(dá)到壓力脈動峰值的時間是不同的，遇到彎頭、異徑管、控制閥、盲板等元件后將產(chǎn)生隨時間變化的激振力，從而引起管道機(jī)械振動。

管道振動的第二個原因是施工振。對于往復(fù)式壓縮機(jī)管道，通常把管道結(jié)構(gòu)本身和內(nèi)部氣流看成兩個系統(tǒng)，他們均有各自的固有頻率，管道設(shè)計時即要避免氣流共振，又要避免結(jié)構(gòu)共振。

管道振動的第三個原因常常是由于機(jī)泵本身的振動引起。機(jī)組本身的動平衡性能差，安裝不對中，基礎(chǔ)設(shè)計不當(dāng)?shù)染梢饳C(jī)泵振動，從而使與之連接的管道也發(fā)生振動。

因此在設(shè)計天然氣壓縮機(jī)裝置成橇管線時需要進(jìn)行防振設(shè)計，主要有以下幾個方面：

（1）在往復(fù)式機(jī)泵的訂貨階段，應(yīng)明確向制造廠提出在進(jìn)出口管道法蘭連接處，由于流體脈動而產(chǎn)生的壓力不均勻度的允許值（要參照AIP-618）。由制造廠采取抑制流體脈動的措施，在靠近氣缸處設(shè)置緩沖罐或采取其他有效措施。制造廠應(yīng)明確向設(shè)計單位提供可能達(dá)到的壓力不均勻度。

（2）根據(jù)工藝流程和設(shè)備布置等條件，并考慮靜力分析的要求，擬定初步的管道設(shè)計方案。

（3）根據(jù)壓力不均勻度以及管道的結(jié)構(gòu)尺寸計算各管段的激振力。

（4）參照求得的激振力，在管道的適當(dāng)位置設(shè)置一定數(shù)量、具有一定剛度的支架。

（5）計算管道結(jié)構(gòu)的固有頻率，判斷是否有機(jī)械共振的可能，避開共振后，計算管道在激振力作用下的應(yīng)力和振幅。

（6）驗(yàn)算管內(nèi)氣柱的固有頻率，判斷是否有氣柱共振的可能。

（7）當(dāng)缺乏制造廠提供的壓力不均勻度時，可對管內(nèi)流體的壓力不均勻度進(jìn)行核算。

5 結(jié)論

以實(shí)際工程設(shè)計為例，在旅大CEP平臺天然氣成撬壓縮機(jī)進(jìn)出口管線用ASTM A106 B鋼既能滿足經(jīng)濟(jì)要求又能滿足安全性能。

由于ASTM A106 B為美國標(biāo)準(zhǔn)的材料，在工程設(shè)計中，考慮降低成本和材料的采辦，采用20#（GB8163）來代替A106-B。

因?yàn)?種材料的內(nèi)部成分、機(jī)械性能以及工藝性能等各方面性能相差不多，因此，選用國產(chǎn)材料20#（GB8163），這樣節(jié)約成本，便于采辦。

由上述可以看出20鋼的優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足工況下的腐蝕，價格相對便宜，國內(nèi)生產(chǎn)。旅大CEP平臺燃?xì)鈮嚎s機(jī)進(jìn)出管線選擇20鋼滿足了經(jīng)濟(jì)和安全的原則。

［1］岳進(jìn)才. 壓力管道技術(shù)［M］. 北京：中國石化出版社, 2001．

［2］蔡爾輔. 石油化工管道設(shè)計［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2002．

［3］ASME B31.3 ASME CODE FOR PROCESS PIPING B31 AN AMERICAN NATIONAL STANDARD．

Research on the Pipelines of Natural Gas Compressor on Offshore Platforms

（Offshore Oil Engineering Co.,Ltd. Design Company, Tianjin 300450，China）

The pipeline system ofreciprocating natural gas compressor unit in offshore oil fields was analyzed and researched, mainly according to the design pressure, design temperature, corrosion of the pipe inner medium, pipe external environment requirements, material processing technology, reasonable economy performance, welding performance and design life. Considering the corrosion conditions in the marine atmosphere, the selection of material strength was discussed.

natural gas compressor; piping materials ; material corrosion ; vibration

2017-08-04

張瑞峰（1985-），男，工程師，黑龍江省安達(dá)市人，2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：從事海洋石油工程技術(shù)工作。

TQ 052

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1004-0935（2017）11-1091-03