天然氣平臺(tái)H2S評(píng)估及技改建議

杜圣道(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000)

1 概述

某海上油氣處理平臺(tái)，原工藝設(shè)計(jì)處理的天然氣不含H2S，而設(shè)備和管道選型時(shí)按照工藝介質(zhì)中最大H2S濃度為10×10-6考慮。投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)平臺(tái)油氣介質(zhì)中含H2S，初步判斷，H2S來自于上游平臺(tái)的海底輸氣海管。基于實(shí)際運(yùn)行工藝參數(shù)與原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，需要對(duì)油氣處理平臺(tái)因H2S帶來的一系列風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析校核，識(shí)別因H2S存在帶來的風(fēng)險(xiǎn)，從而提出裝置改造升級(jí)要求。

2 H2S腐蝕機(jī)理

根據(jù)《在濕H2S環(huán)境中金屬腐蝕行為機(jī)理研究概述》，調(diào)查表明金屬在干燥的H2S氣體中不發(fā)生開裂，只有在濕H2S環(huán)境下，即在H2S水溶液或水膜中才會(huì)發(fā)生開裂。H2S常見的腐蝕破壞如下：

(1)電化學(xué)反應(yīng)，陽(yáng)極鐵溶解導(dǎo)致的均勻腐蝕和局部腐蝕，與H2S濃度、溫度、pH值、暴露時(shí)間、流速以及水的狀態(tài)相關(guān)；

(2)H2S導(dǎo)致氫損傷，如硫化物應(yīng)力開裂、氫誘發(fā)裂紋、氫誘發(fā)的裂紋常伴隨著鋼表面的氫鼓泡。

3 平臺(tái)H2S評(píng)估

除H2S外，其它設(shè)計(jì)基礎(chǔ)引用原詳細(xì)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)不變，上游來天然氣H2S濃度按檢測(cè)的最大值的1.5倍考慮，即30×10-6。根據(jù)現(xiàn)存的設(shè)施流程，用HYSYS或OLGA軟件建模計(jì)算各個(gè)流程節(jié)點(diǎn)的H2S濃度。根據(jù)新的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，從各專業(yè)角度進(jìn)行重新評(píng)估，提出改造要求，以保證設(shè)施整體設(shè)計(jì)符合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)要求、符合安全要求。

3.1 工藝校核

通過對(duì)平臺(tái)現(xiàn)有的接收氣液分離系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、天然氣脫水系統(tǒng)等，在不同工況下進(jìn)行工藝流程模擬，得到實(shí)際運(yùn)行工況、三個(gè)典型年份(2013年、2016年、2018年)工況及極端工況下平臺(tái)處理流程各關(guān)鍵位置的模擬數(shù)據(jù)，校核工藝介質(zhì)中的H2S分壓是否滿足NACE MR 0175規(guī)范的要求。其中：

(1)實(shí)際運(yùn)行工況下：H2S分壓最高點(diǎn)發(fā)生在上游海管上平臺(tái)處，其H2S分壓為0.0984 kPa。H2S濃度最高點(diǎn)發(fā)生在氣液分離罐V-1530液相出口處，其H2S濃度為24.5×10-6，滿足規(guī)范要求。

(2)三個(gè)典型年份H2S分壓最高點(diǎn)均發(fā)生在PY34-1海管上平臺(tái)處，最大分壓發(fā)生在2013年，分壓值為0.2144 kPa。濃度最高點(diǎn)均發(fā)生在平臺(tái)V-1530液相出口處，三個(gè)典型年份的濃度值相同，最大濃度為53.3×10-6，滿足規(guī)范要求。

(3)極端工況下三個(gè)典型年份H2S分壓最高點(diǎn)均發(fā)生在平臺(tái)干氣壓縮機(jī)出口處，其H2S分壓分別為：0.3349 kPa、0.3344 kPa、0.3343 kPa。H2S分壓滿足規(guī)范NACE MR 0175的要求，但是工藝流程幾個(gè)關(guān)鍵位置的H2S分壓比較接近0.345 kPa，建議后期在此操作工況下，平臺(tái)操作人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中需要加強(qiáng)對(duì)設(shè)備設(shè)施的腐蝕監(jiān)測(cè)和防控。

3.2 儀表校核

在設(shè)計(jì)之初，平臺(tái)所有與火氣探測(cè)相關(guān)圖紙(包括生活樓)，均是按物流組分中不含H2S進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此目前未設(shè)置H2S探測(cè)器，故需對(duì)平臺(tái)及生活樓進(jìn)行相關(guān)改造。如，在平臺(tái)組塊現(xiàn)場(chǎng)及生活樓通風(fēng)入口處增設(shè)H2S探測(cè)器并接入平臺(tái)火氣系統(tǒng)，更改相應(yīng)因果邏輯，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)H2S泄漏自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能[1]。

(1)H2S探測(cè)器布置原則：根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》、《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》，在下列位置考慮設(shè)置固定式H2S探測(cè)器。如，氣體壓縮機(jī)和液體泵的密封處、液體采樣口和氣體采樣口、液體排液(水)口和放空口、設(shè)備和管道的法蘭和閥門組等位置。

(2)H2S探測(cè)器報(bào)警級(jí)別確定原則：GB 50493—2009規(guī)定有毒氣體的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)采用兩級(jí)報(bào)警，根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)H2S濃度達(dá)到10×10-6時(shí)，發(fā)出一級(jí)報(bào)警，提示平臺(tái)人員予以警示；當(dāng)H2S濃度達(dá)到25×10-6時(shí)，發(fā)出二級(jí)報(bào)警，警示平臺(tái)人員立即采取應(yīng)急措施。

(3)儀表接液材質(zhì)評(píng)估：根據(jù)防腐專業(yè)分析，此次評(píng)估中各種工況下，工藝介質(zhì)中H2S的最高分壓均低于規(guī)范的允許值，接液材質(zhì)不需要考慮抗硫化物應(yīng)力開裂、應(yīng)力腐蝕的影響。根據(jù)廠家儀表數(shù)據(jù)表，儀表接液材質(zhì)通常是316SS，其抗腐蝕性優(yōu)于管線材質(zhì)，滿足規(guī)范要求。

(4)儀表防爆等級(jí)評(píng)估：根據(jù)API RP 505安全專業(yè)危險(xiǎn)區(qū)劃分評(píng)估原則，平臺(tái)工藝介質(zhì)中含有H2S，氣體組別應(yīng)該變更為C組。根據(jù)廠家儀表數(shù)據(jù)表，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)儀表的防爆等級(jí)均按ExdIIBT4進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用于含有乙烯類(C組)代表性氣體的防爆要求，滿足規(guī)范要求。

3.3 機(jī)械材質(zhì)校核

(1)關(guān)鍵設(shè)備H2S濃度分壓。根據(jù)NACE MR 0175 規(guī)定，總壓高于450 kPaA，H2S分壓高于0.345 kPaA的濕天然氣為酸性氣體，需要根據(jù)NACE MR 0175進(jìn)行機(jī)械設(shè)備材質(zhì)選擇。

根據(jù)工藝流程模擬分析結(jié)果，在當(dāng)下運(yùn)行工況下，H2S分壓最大的設(shè)備為收球筒，其H2S分壓為0.2142 kPaA，小于標(biāo)準(zhǔn)值0.345 kPaA，因此工藝設(shè)備選擇使用的鋼材不需要考慮抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕，現(xiàn)有設(shè)備無需更換材質(zhì)。

(2)透平壓縮機(jī)評(píng)估。根據(jù)壓縮機(jī)廠家設(shè)計(jì)文件規(guī)定，H2S濃度小于在10 000×10-6w之內(nèi)，都不需要做特殊規(guī)定，只需要考慮好泄漏問題即可。H2S質(zhì)量濃度10 000×10-6w換算成體積濃度為6588 ppmv，遠(yuǎn)大于三個(gè)典型年份中H2S的濃度。因此，透平設(shè)備本身可以適應(yīng)此H2S含量的天然氣組份。

3.4 管道材質(zhì)校核

(1)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)出口管線材質(zhì)及H2S分壓。金屬材料在含H2S烴類氣體時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂(SSC)或者應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)，根據(jù)配管規(guī)格書所列出的材質(zhì)，設(shè)備進(jìn)出口管線材質(zhì)分別A106Gr.B碳鋼、A790 S31803雙向不銹鋼。

根據(jù)工藝流程模擬分析結(jié)果，在現(xiàn)運(yùn)行工況下，平臺(tái)上出現(xiàn)的H2S分壓最大為0.0984 kPa，分壓值小于0.345 kPa。根據(jù)PID圖中的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)出口管線及撬內(nèi)管線材質(zhì)及H2S含量表顯示，平臺(tái)上出現(xiàn)的H2S分壓，最大為0.213 kPa；只考慮上游來氣時(shí)，平臺(tái)上出現(xiàn)的最大分壓為0.33 kPa，也都小于0.345 kPa。因此，管道材質(zhì)是滿足使用要求。

對(duì)于如生產(chǎn)水系統(tǒng)等液態(tài)含H2S的管道，主要是發(fā)生電化學(xué)腐蝕。根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，飽和H2S的年腐蝕率只有0.01 mm，而整個(gè)管線設(shè)計(jì)初考慮了至少3 mm腐蝕余量，滿足要求。建議在條件允許時(shí)，增加腐蝕掛片及探針，確?？刂聘g速率小于0.076 mm/a。

3.5 防腐評(píng)估

平臺(tái)現(xiàn)有關(guān)鍵設(shè)備、管線的材質(zhì)主要為碳鋼或雙相不銹鋼材質(zhì)。由于硫化氫溶解在水中具有腐蝕性，并引起硫化物應(yīng)力開裂、應(yīng)力腐蝕、電化學(xué)腐蝕等，因此含有硫化氫的設(shè)備、管道需要進(jìn)行H2S評(píng)估。目前，平臺(tái)在第一級(jí)處理設(shè)備的入口、外輸管線、混輸及注水海管入口和分離器的氣相出口均設(shè)置了腐蝕掛片。同時(shí)在收球筒入口設(shè)置了腐蝕掛片和腐蝕探針，在段塞流捕集器的氣相出口和液相出口設(shè)置有腐蝕掛片，在去往陸上終端發(fā)球筒入口處設(shè)置有腐蝕掛片。從目前設(shè)置的腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)位看，能夠滿足內(nèi)腐蝕監(jiān)測(cè)需求。

另外，根據(jù)工藝流程模擬分析結(jié)果，在目前的運(yùn)行工況下、三個(gè)典型年份工況下、極端工況下，最大H2S分壓值為0.3349 kPa，均低于0.345 kPa，現(xiàn)有設(shè)備、管線可以繼續(xù)使用，無需更換材質(zhì)。建議運(yùn)行過程中加強(qiáng)腐蝕監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)腐蝕異常應(yīng)及時(shí)采取措施[2]。

3.6 安全評(píng)估

(1)平臺(tái)安全分析：依據(jù)《海洋石油作業(yè)H2S防護(hù)安全要求》，結(jié)合油田生產(chǎn)實(shí)際情況，含有硫化氫的油氣田應(yīng)組織編寫相關(guān)平臺(tái)作業(yè)措施及應(yīng)急預(yù)案。要求中提出人員防護(hù)安全臨界濃度為20×10-6，危險(xiǎn)臨界濃度為100×10-6，當(dāng)硫化氫濃度達(dá)到10×10-6時(shí)H2S探測(cè)系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。其中安監(jiān)總局25號(hào)令《海洋石油安全管理細(xì)則》中提到對(duì)含H2S介質(zhì)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，全員配備正壓式呼吸器，并配備一定數(shù)量的備用氣瓶及1臺(tái)呼吸器空氣壓縮機(jī)。當(dāng)空氣中H2S達(dá)到10×10-6時(shí)應(yīng)佩戴正壓式呼吸器。因此，平臺(tái)應(yīng)制定預(yù)防H2S的生產(chǎn)防護(hù)措施。

(2)作業(yè)防護(hù)措施：根據(jù)《海洋石油作業(yè)H2S防護(hù)安全要求》、SY 6137—2012以及安監(jiān)總局25號(hào)令要求對(duì)于含有H2S的生產(chǎn)作業(yè)人員培訓(xùn)，并從個(gè)人防護(hù)裝備、應(yīng)急預(yù)案(包括應(yīng)急程序)指南、設(shè)計(jì)和制造、作業(yè)方法、海上作業(yè)、密閉空間作業(yè)、天然氣處理裝置的H2S防護(hù)，清管作業(yè)等方面進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)整考慮[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，此次適應(yīng)性改造方案按照規(guī)范要求的正壓式呼吸器進(jìn)行工程概算編制。建議定期進(jìn)行H2S防護(hù)培訓(xùn)，同時(shí)結(jié)合平臺(tái)實(shí)際情況制定應(yīng)對(duì)H2S事故應(yīng)急程序。

(3)危險(xiǎn)區(qū)域劃分：現(xiàn)由于平臺(tái)處理的工藝介質(zhì)中含有硫化氫，根據(jù)規(guī)范API RP 505《石油設(shè)施上電氣安裝區(qū)域分級(jí)推薦作法》中氣體組分劃分依據(jù)，原設(shè)計(jì)的D組變更為C組(含有H2S)。因此，需要重新劃分危險(xiǎn)區(qū)劃分圖及防火控制圖并重新審核認(rèn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)各專業(yè)H2S評(píng)估結(jié)果，后續(xù)工作建議如下：

(1)極端工況下，H2S分壓滿足規(guī)范NACE MR 0175的要求，但是工藝流程幾個(gè)關(guān)鍵位置的H2S分壓比較接近0.345 kPa，建議后期在此操作工況下，平臺(tái)操作人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中需要加強(qiáng)對(duì)設(shè)備設(shè)施的腐蝕監(jiān)測(cè)和防控。在條件允許的情況，增加腐蝕掛片及探針的監(jiān)測(cè)。

(2)火氣報(bào)警設(shè)置方面，需對(duì)平臺(tái)及生活樓進(jìn)行相關(guān)改造。如，在平臺(tái)組塊現(xiàn)場(chǎng)及生活樓通風(fēng)入口處增設(shè)H2S探測(cè)器并接入平臺(tái)火氣系統(tǒng)，更改相應(yīng)因果邏輯，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)H2S泄漏自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。

(3)安全方面，制定H2S的安全生產(chǎn)防護(hù)措施，定期進(jìn)行硫化氫防護(hù)培訓(xùn)，同時(shí)結(jié)合平臺(tái)實(shí)際情況制定應(yīng)對(duì)硫化氫事故應(yīng)急程序。

(4)需要重新劃分危險(xiǎn)區(qū)劃分圖及防火控制圖并重新審核認(rèn)證。