高含硫天然氣輸送機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對體系研究

張鵬

摘 要：高含H2S天然氣輸送機(jī)組長期受到腐蝕、振動及高噪聲等的困擾，在運(yùn)行時(shí)具有很高的風(fēng)險(xiǎn)，控制不當(dāng)可能導(dǎo)致重大安全事故。本研究應(yīng)用有關(guān)理論、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、實(shí)踐調(diào)研成果，主要針對天然氣輸送過程中H2S氣體對整個(gè)系統(tǒng)可能造成的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了較為全面的評估，找出了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)源與識別方法，建立起了監(jiān)測技術(shù)體系與管理應(yīng)對體系。

本文首先介紹了輸氣站的系統(tǒng)組成及其設(shè)備的工藝用途;接著對高含H2S氣體對本系統(tǒng)的腐蝕及控制做了說明;然后分析評估了高含H2S氣體對輸送機(jī)組的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn);最后提出了針對高含H2S天然氣輸送機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)而建立的監(jiān)測技術(shù)與管理應(yīng)對體系。本次建立的應(yīng)對體系具有響應(yīng)速度快、系統(tǒng)自動監(jiān)控面廣、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)低、工程成本低、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，實(shí)用性很強(qiáng)，具有較好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高含硫輸氣站;運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn);應(yīng)對體系研究

1高含H2S氣體對系統(tǒng)的腐蝕

H2S氣體是一種有毒氣體，且具有強(qiáng)烈的腐蝕性，所以高含H2S天然氣會對輸氣系統(tǒng)造成嚴(yán)重的腐蝕，從而引發(fā)重大的生產(chǎn)事故。為了避免事故的發(fā)生我們需要對腐蝕的原理進(jìn)行研究。腐蝕機(jī)理：

H2S氣體的腐蝕性只有在含水條件下才會表現(xiàn)出來。所以高含H2S天然氣只有在潮濕的環(huán)境下才能夠與管道發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)式如下：

H2S → H++HS-

HS- → H++S2-

H2S 在與水反應(yīng)的過程中產(chǎn)生的H+具有較強(qiáng)的氧化性，并將金屬中的電子吸引出來，從而使金屬氧化并導(dǎo)致其快速腐蝕，腐蝕反應(yīng)式為：

陽極：Fe-2e- → Fe2+

陰極：2H++2e- → Had+Had → H2↑

Had是指被金屬表面吸附的氫粒子。當(dāng)金屬表面吸附的氫原子越來越多時(shí)，部分氫原子就會侵入金屬內(nèi)部，從而破壞金屬表面的光潔度;而 Fe2+ 會與S2- 結(jié)合生成硫化鐵。

鐵的硫化物是中性鹽，在電化學(xué)腐蝕反應(yīng)中作為陰極，管道的金屬體在丟失電子時(shí)一般作為電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的陽極，從而兩者構(gòu)成腐蝕電池的兩極，促使電化學(xué)腐蝕較快反應(yīng)。腐蝕的厲害程度主要由最終形成硫化物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定。最終生成的硫化物主要有Fe9S8、Fe3S4、FeS2、FeS 等。如果腐蝕產(chǎn)物能夠均勻致密的分布在管道內(nèi)壁上，且與管道結(jié)合良好，形成一層抗腐蝕壁則可以很好地起到抑制腐蝕反應(yīng)發(fā)生的作用;如果反應(yīng)形成的是Fe9S8等組織疏松、易脫落（如、Fe3S4、FeS2等）的物質(zhì)，這些物質(zhì)又可以繼續(xù)參加到電化學(xué)腐蝕反應(yīng)中去，反而使得金屬的腐蝕反應(yīng)速率加快，從而造成本系統(tǒng)管網(wǎng)的嚴(yán)重腐蝕。

2.系統(tǒng)對腐蝕的控制

系統(tǒng)采用“低碳鋼+緩蝕劑+清管+監(jiān)控”的腐蝕配套方案，而且該方案較為經(jīng)濟(jì)，對腐蝕的控制性也較好。

（1）管道的材料對腐蝕的速率有直接的影響，按照SY/TO 0599—1997 標(biāo)準(zhǔn)管材選用抗硫性好的材料。管道一般采用碳當(dāng)量不會超過0.43%的低碳鋼，嚴(yán)格控制材料化學(xué)成分。管道材料的強(qiáng)度和硬度都必須受到嚴(yán)格的檢查。

（2）輸氣管道還可以通過加注緩蝕劑來減緩腐蝕速率，一般使用的是胺類和二乙基胺腐蝕劑，加注時(shí)一定要注意加注的方式和加注時(shí)長，還必須按照一定的周期進(jìn)行加注。對于關(guān)閉時(shí)間較長的輸氣管，先要對管道進(jìn)行緩蝕預(yù)處理，并在管內(nèi)通入純度較高的惰性氣體，來減緩管道的腐蝕。

（3）清管

輸氣場站中一般都設(shè)有清管器，而利用清管器和緩蝕劑相結(jié)合的方式對管道進(jìn)行清洗時(shí)，既可以起到清管的作用，也可以起到防止腐蝕的作用。

（4）腐蝕監(jiān)控

利用RUT（遠(yuǎn)程測控終端）技術(shù)對場站的腐蝕進(jìn)行在線監(jiān)控，監(jiān)控點(diǎn)一般都安裝掛片試樣、氫探針、電阻探針（EFR）等傳感器，從而對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。若經(jīng)濟(jì)條件足夠可以從外國引進(jìn)先進(jìn)的智能清管器對金屬管道壁厚作有效檢測。

3.管路及其他輸氣設(shè)備的危險(xiǎn)源分析

由于H2S的濃度與形成水合物的量成正比，所以管道中能更容易形成水合物。場地地形條件及天氣狀況和環(huán)境等條件的變化對輸氣設(shè)備的影響非常顯著，管道內(nèi)部的壓力隨外部環(huán)境的溫度變化而變化。由于地形不平，氣體在上坡處受到重力的作用更容易使水合物形成并聚集。當(dāng)管道中的含H2S天然氣中的濕氣含量也較高時(shí)，不僅促進(jìn)水合物的形成，也使得管道的腐蝕速度增高，從而帶來一系列的安全問題，提高了設(shè)備的故障發(fā)生率，并使得系統(tǒng)的維護(hù)成本提高。

閥門常見的故障有閥門關(guān)閉不嚴(yán)、密封填料滲漏、閥桿轉(zhuǎn)動不靈活、閥體與閥蓋間法蘭漏氣;自動控制閥的電機(jī)不轉(zhuǎn)、閥門行程發(fā)生變化等。

清管器裝置的運(yùn)行如果不按規(guī)章制度嚴(yán)格進(jìn)行，就會出現(xiàn)卡球、球破裂等諸多的事故，從而影響場站的工作效率。

天然氣是易燃物質(zhì)，擴(kuò)散在空氣中不易察覺，管理不善或操作不當(dāng)都可能引起火災(zāi)、爆炸、中毒等嚴(yán)重事故。

4輸送機(jī)組運(yùn)行危險(xiǎn)的評估

輸送機(jī)組在運(yùn)行過程中會伴隨排氣壓力波動、氣體溫度高、壓縮機(jī)的異常振動和噪聲、壓縮機(jī)喘振、壓縮機(jī)漏氣、軸承故障、密封系統(tǒng)工作不正常、 壓縮機(jī)葉輪破損、原動機(jī)超負(fù)載等故障，而與其連接的其它輔助設(shè)備也可能出現(xiàn)與之相對應(yīng)的故障。如果對這些故障不進(jìn)行及時(shí)處理，就可能引發(fā)一系列的安全事故，造成設(shè)備損壞和人員傷亡。特別對于壓縮機(jī)內(nèi)部的一些零部件損壞或安裝不良，由于問題比較小，監(jiān)測系統(tǒng)和人工檢查都未能發(fā)現(xiàn)，從而讓其發(fā)展趨勢擴(kuò)大造成巨大的損失。設(shè)備的故障率一般不能高于0.02，當(dāng)設(shè)備的故障率高于0.02時(shí)就必須對設(shè)備進(jìn)行全面檢修。所以對于一些微小的故障，當(dāng)其發(fā)生的頻率高于0.02時(shí)我們就應(yīng)當(dāng)對其有所警惕，在能及時(shí)進(jìn)行檢修的條件下必定對其進(jìn)行檢修。特別對于壓縮機(jī)組來說，其輸送的天然氣是易燃易爆的危險(xiǎn)氣體，設(shè)備的微小故障都有可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等重大安全事故。

對于天然氣輸送機(jī)組我們必須嚴(yán)格按照API STD標(biāo)準(zhǔn)和HSE管理體系對設(shè)備進(jìn)行制造、安裝、運(yùn)行和維護(hù)。設(shè)立對應(yīng)的操作指南和安全準(zhǔn)則，嚴(yán)格按照公司的設(shè)備管理制度對設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的操作，避免一切的違章操作和不規(guī)范運(yùn)行。

5 監(jiān)測分析軟件技術(shù)體系

由于壓縮機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障造成的危害及損失比較嚴(yán)重，所以系統(tǒng)對其可能發(fā)生故障點(diǎn)的零部件都進(jìn)行在線監(jiān)測。利用RUT（遠(yuǎn)程測控終端）監(jiān)測體系對壓縮機(jī)組的進(jìn)出口氣體壓力和流量、主軸、葉輪、齒輪箱、平衡盤、防喘閥、回流器、軸承等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在這些監(jiān)測點(diǎn)放置合適的傳感器和壓力表，同時(shí)也加入對設(shè)備腐蝕監(jiān)測探針，結(jié)合人工檢查對系統(tǒng)形成全面的監(jiān)測體系。運(yùn)用RUT系統(tǒng)對壓縮機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)畫面監(jiān)控，嚴(yán)格監(jiān)視控制壓縮機(jī)組的運(yùn)行狀況。并要求檢維修人員隨時(shí)做好應(yīng)對故障應(yīng)急響應(yīng)。

系統(tǒng)組態(tài)軟件采用OpenBSI軟件工具包、組態(tài)軟件Control Wave Designer等。

CPU 的組態(tài)程序組態(tài)軟件Control Wave Designer編程組態(tài)軟件符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，是基于Windows操作系統(tǒng)建立的技術(shù)平臺， 能提供Windows系統(tǒng)所擁有的標(biāo)準(zhǔn)的功能， 提供有多種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言，并且系統(tǒng)自帶有200多個(gè)軟件模塊方便快捷的為用戶提供幫助。而且內(nèi)部裝有多種計(jì)算方法，為用戶分析數(shù)據(jù)提供了理論依據(jù)和方便的計(jì)算公式。Control Wave Designer除了擁有基本的功能模塊及函數(shù)公式外，還提供了ACCOL III功能塊庫，從而大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的使用范圍，能夠應(yīng)用與天然氣輸氣站等多個(gè)控制體系中。

在輸氣站中場內(nèi)的RTU系統(tǒng)與第三方設(shè)備的通訊實(shí)現(xiàn)連接，通過RS232的通訊接口將輸氣站的總控系統(tǒng)與第三方通訊設(shè)備進(jìn)行連接，然后通過TCP/IP通訊協(xié)議進(jìn)行通訊連接。并將系統(tǒng)中所有的流量計(jì)與儀表通過RUT系統(tǒng)連接起來。實(shí)現(xiàn)測量儀器與UPS之間的通訊、火炬系統(tǒng)的與所轄單井及與控制中心的通訊。

總結(jié)

首先對輸氣站的輸氣工藝流程和含H2S天然氣對本輸氣系統(tǒng)的腐蝕機(jī)理進(jìn)行說明，并根據(jù)其電化學(xué)腐蝕原理提出相對應(yīng)的預(yù)防措施。預(yù)防措施主要從材料、緩蝕劑、清管工藝及腐蝕監(jiān)控四個(gè)方面做出應(yīng)對方法。再對輸送機(jī)組及其它場站設(shè)備在運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障的類型和原因進(jìn)行了分析說明，并對輸送機(jī)組的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評估。詳細(xì)的說明了這些故障和風(fēng)險(xiǎn)對場站人員和設(shè)備造成的危險(xiǎn)性。也為維修人員的檢修提供了詳細(xì)的指導(dǎo)和啟發(fā)，從而提高維修人員檢修的效率。然后對RTU監(jiān)測技術(shù)在本輸氣站中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并利用RTU技術(shù)建立對整個(gè)場站的監(jiān)控體系。并詳細(xì)的介紹了RTU監(jiān)測系統(tǒng)的硬件技術(shù)體系與軟件技術(shù)體系。該監(jiān)測體系應(yīng)用于輸氣站能夠極大的提高場站的輸氣能力，極大的提高了輸氣站的安全性，也極大的改善了員工的工作條件和工作積極性。