天然氣膜法脫碳在海上平臺(tái)的應(yīng)用

朱 文 張 帥 嚴(yán)少剛 孫 舫

（中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司 天津 300457）

引言

部分海上石油在開采過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)含有酸性腐蝕介質(zhì)的伴生天然氣，酸性氣體中的CO2在溶于油水中會(huì)對(duì)輸油管線有極強(qiáng)的腐蝕破壞性。在相同pH值條件下，CO2水溶液的腐蝕性強(qiáng)于鹽酸溶[1]。二氧化碳腐蝕可能使油氣管道的壽命大大低于設(shè)計(jì)壽命，CO2引起輸油鋼管迅速的全面腐蝕和嚴(yán)重的局部腐蝕，使得管道和設(shè)備發(fā)生腐蝕破壞[2]。渤海某平臺(tái)混輸海管腐蝕比較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響海管使用壽命，容易引起管道泄漏，對(duì)人員安全和海洋環(huán)境產(chǎn)生極大的威脅。對(duì)海管的腐蝕情況進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)海上脫除CO2的方法進(jìn)行了分析。

1 海上輸油管道腐蝕分析

圖1 60℃時(shí)碳鋼表面的腐蝕形貌

經(jīng)過(guò)CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，碳鋼表面形成黑色疏松的腐蝕產(chǎn)物。圖1為60℃時(shí)掃描的腐蝕電鏡圖，溫度碳鋼表面多孔，腐蝕產(chǎn)物疏松，為FeCO3。

根據(jù)漏磁檢測(cè)結(jié)果可知鋼管內(nèi)壁呈多孔狀，根據(jù)過(guò)CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，海管內(nèi)的低腐蝕點(diǎn)滿足CO2腐蝕的表觀特征。

圖2 海管清管垢樣組分分析

通過(guò)對(duì)海管內(nèi)垢樣進(jìn)行X射線衍射分析（XRD），海管清管垢樣成分以SiO2和FeCO3為主，還有鐵的氧化物，表明海管內(nèi)存在CO2腐蝕，同時(shí)還存在泥沙，這與旁路式內(nèi)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)維護(hù)時(shí)所取垢樣成分一致。

2 天然氣膜法脫碳技術(shù)

常規(guī)的天然氣脫碳技術(shù)有化學(xué)吸收法、物理吸收法、吸附法、低溫分離法、膜分離法等，針對(duì)海上平臺(tái)面積小、設(shè)備重量和電力有限制、環(huán)境惡劣等因素，有高大笨重吸收塔和解析塔的化學(xué)吸收法和物理吸收法應(yīng)用受到了限制，變壓吸附法和變溫吸附法針對(duì)氣量較小的天然氣脫碳應(yīng)用，同時(shí)吸附劑要定時(shí)更換增加了操作成本。低溫分離法耗能較高，海上供能不足，此方法在海上天然氣脫碳應(yīng)用方面競(jìng)爭(zhēng)力較弱。因此投資少、占用空間小、重量輕的膜分離技術(shù)在海上平臺(tái)有很好的應(yīng)用前景[3][4]。

3 膜法脫碳工藝過(guò)程設(shè)計(jì)

3.1 天然氣脫碳設(shè)計(jì)要求

表1 海管中天然氣組分及設(shè)計(jì)要求

3.2 天然氣膜法脫碳工藝設(shè)計(jì)

由于天然氣中的雜質(zhì)（H2O、固體顆粒、重?zé)N）對(duì)脫碳膜的使用效果有很大的影響，因此在進(jìn)入膜處理系統(tǒng)前需對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理，脫除天然氣中的雜質(zhì)。

首先原料天然氣經(jīng)過(guò)海水換熱器將溫度降至22℃以下，然后利用節(jié)流閥制冷，將溫度降低至15℃以下，壓力降至4MPa，經(jīng)過(guò)這兩個(gè)設(shè)備會(huì)有大量的重?zé)N和水析出，然后通過(guò)高效氣液聚結(jié)過(guò)濾器去除大部分的水、重?zé)N和固體顆粒物，從聚結(jié)過(guò)濾器出來(lái)的天然氣經(jīng)過(guò)電加熱器，將氣體溫度升到至60℃，然后進(jìn)入活性炭吸附器，除去重?zé)N、壓縮機(jī)機(jī)油等，在經(jīng)過(guò)過(guò)濾器去除天然氣中的固體顆粒物，然后進(jìn)入膜分離系統(tǒng)。

天然氣膜分離單元分為兩級(jí)膜分離，在膜法脫碳過(guò)程中，CO2從高壓側(cè)經(jīng)過(guò)膜低壓側(cè)滲透過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)，會(huì)發(fā)生天然氣溫度明顯下降，天然氣中的CO2濃度越高，焦耳—湯姆遜效應(yīng)越明顯，產(chǎn)生的天然氣溫度下降的越嚴(yán)重。天然氣溫度降低會(huì)使重?zé)N在膜表面冷凝，降低膜的使用性能和使用壽命，甚至?xí)粘擅撎寄さ膿p壞，因此采用兩級(jí)膜分離，同時(shí)在兩級(jí)膜分離中間設(shè)計(jì)電加熱器將天然氣溫度升高至60℃，防止重?zé)N冷凝，并保證膜的分離性能。

分離出來(lái)的CO2（含少量烴類）進(jìn)入火炬放空，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的天然氣脫除了水和CO2然后，進(jìn)入混輸管線輸送到陸地，由于混輸管線中去除了CO2并較少了H2O的含量，能有效減緩海底管線的使用壽命。天然氣膜法脫碳工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 天然氣膜法脫碳工藝流程圖

結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)過(guò)大量調(diào)研海底混輸管線腐蝕主要是天然氣中的CO2造成的。

（2）針對(duì)海上天然氣脫碳，膜分離技術(shù)有占地面積小，重量輕，設(shè)備高度低，投資少，公用工程依賴性小。

（3）采用膜分離技術(shù)脫除天然氣中的CO2和水，將有效減緩海底混輸管線的腐蝕，延長(zhǎng)海管使用壽命。