注氮?dú)庠鰤簷C(jī)二級(jí)排氣管路與空冷箱二級(jí)冷卻管束爆裂原因

孫同成 ,劉 強(qiáng) ,王毛毛 ,王修云

(1.中石化西北油田分公司,烏魯木齊 830011;2.安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司,北京 100083)

隨著油氣田的深入開發(fā),大部分油氣井失去了自噴能力,必須采用新的開采技術(shù),如注水、注氣和注聚合物等采油技術(shù)。氮?dú)饩哂胁灰兹?、不助燃、壓縮系數(shù)大、膨脹能力強(qiáng)和彈性能量大等優(yōu)點(diǎn),是聚合物舉升與驅(qū)油工藝中常用的氣體,因此,注氮?dú)獠捎图夹g(shù)在國內(nèi)外各大油田得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,若管理與操作不當(dāng),注氮?dú)庠鰤簷C(jī)會(huì)停機(jī),甚至發(fā)生爆炸事故。

2017年7月10日,某油井開始實(shí)施注氮?dú)怛?qū)油技術(shù),采用增壓機(jī)將純度為99%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氮?dú)膺M(jìn)行增壓后,通過高壓注氣管線由油管注入井筒內(nèi)。該增壓機(jī)為往復(fù)活塞式增壓機(jī),采用四級(jí)增壓技術(shù),冷卻方式為空冷,進(jìn)氣溫度不高于50 ℃,進(jìn)氣壓力為1.60～1.80 MPa,排氣壓力為40～50 MPa,排氣溫度不高于65 ℃。2017年7月26日凌晨3點(diǎn)12分,該增壓機(jī)二級(jí)排氣管路與空冷箱二級(jí)冷卻管束發(fā)生爆裂,截止爆裂發(fā)生時(shí),該增壓機(jī)已運(yùn)行2 700 h。

現(xiàn)場視頻記錄顯示,增壓機(jī)四級(jí)排空管先發(fā)生排氣、冒火,而后其附近的增壓機(jī)二級(jí)管路才發(fā)生爆裂。報(bào)警系統(tǒng)顯示:在爆炸事故前的7月24日,二級(jí)進(jìn)氣裝置曾出現(xiàn)5次高溫報(bào)警和1次高溫故障,三級(jí)進(jìn)氣裝置出現(xiàn)1次高溫報(bào)警;7月25日,出現(xiàn)1次進(jìn)氣壓力低報(bào)警和1次進(jìn)氣壓力低故障,1次排氣閥片未關(guān)故障;在爆炸事故后的8月10日,增壓機(jī)開機(jī)顯示二級(jí)排氣高壓報(bào)警、四級(jí)排氣壓力高報(bào)警與高溫報(bào)警。二級(jí)壓縮缸無明顯積油和積炭現(xiàn)象,三級(jí)和四級(jí)壓縮缸積油、積炭嚴(yán)重,二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)增壓管路中均存在積油和積炭現(xiàn)象。三級(jí)和四級(jí)壓縮缸閥片損壞嚴(yán)重,活塞環(huán)磨損嚴(yán)重。經(jīng)檢驗(yàn),一級(jí)進(jìn)氣、排氣安全閥完好,二級(jí)、三級(jí)安全閥閥瓣和閥座密封面發(fā)生泄漏,無法修復(fù)。四級(jí)安全閥閥瓣和閥座密封面發(fā)生泄漏,調(diào)節(jié)螺紋損壞,無法修復(fù)。

本工作通過一系列的檢驗(yàn),對(duì)該注氮?dú)庠鰤簷C(jī)的爆炸原因進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的防范措施,以期避免該類問題的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

經(jīng)事故現(xiàn)場勘查,爆炸位置主要集中在二級(jí)增壓系統(tǒng),經(jīng)壓縮缸增壓后,二級(jí)排氣管路在進(jìn)入空冷箱前的管段有兩處發(fā)生臌脹。爆裂二級(jí)排氣管壁厚小于25 mm,鋼管等級(jí)為PSL2,材料牌號(hào)為L245N/BN。如圖1所示:空冷箱中的二級(jí)冷卻管損壞嚴(yán)重,整體移出空冷箱,冷卻管斷裂,斷口呈撕裂狀;經(jīng)空冷箱冷卻后的二級(jí)排氣管路有兩處彎管和兩處直管發(fā)生爆裂,斷口呈撕裂狀。受爆炸沖擊,進(jìn)入三級(jí)氣液分離器的二級(jí)排氣管路發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形。

圖1 爆炸注氮?dú)庠鰤簷C(jī)二級(jí)增壓系統(tǒng)不同位置的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of different positions of secondary booster system of explosive nitrogen injection booster: (a) secondary cooling pipeline fracture;(b) secondary exhaust pipeline elbow;(c) secondary exhaust pipeline straight pipe

1.2 化學(xué)成分分析

在二級(jí)排氣管路未爆裂區(qū)域和爆裂區(qū)域取樣,采用Baird Spectro-vac2000型直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可見,試樣的化學(xué)成分均符合GB/T 9711-2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)L245N/BN 管材的技術(shù)要求。

表1 二級(jí)排氣管的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of secondary exhaust pipe %

1.3 金相檢驗(yàn)

由圖2可見,二級(jí)排氣管路未爆裂區(qū)域和爆裂區(qū)域的顯微組織均為鐵素體+珠光體,這說明其熱處理方式符合GB/T 9711-2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)L245N/BN 管材的技術(shù)要求。

圖2 二級(jí)排氣管路爆裂區(qū)域與未爆裂區(qū)域的顯微組織Fig.2 Microstructure of secondary exhaust pipeline unburst area (a) and burst area (b)

1.4 硬度測(cè)試

在二級(jí)排氣管路未爆裂區(qū)域和爆裂區(qū)域取樣,采用YLINST-HR-150A 型洛氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試。由圖3 可見,試樣的硬度均符合GB/T 9711-2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)L245N/BN 管材的技術(shù)要求(不大于35 HRC)。

圖3 二級(jí)排氣管路爆裂區(qū)域與未爆裂區(qū)域的硬度Fig.3 Hardness of unburst area and burst area of secondary exhaust pipeline

1.5 潤滑油開口閃點(diǎn)與紅外光譜測(cè)試

該壓縮機(jī)壓縮缸所用的潤滑油為美孚格高460,主要成分為聚乙二醇,開口閃點(diǎn)為265℃。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),三級(jí)、四級(jí)壓縮缸與三級(jí)排氣緩沖罐內(nèi)積存了大量的潤滑油,取樣進(jìn)行紅外光譜分析。由圖4可見:相比于未使用的潤滑油,三級(jí)進(jìn)氣緩沖罐內(nèi)潤滑油的紅外光譜分別在官能團(tuán)區(qū)1 720 cm-1處與指紋區(qū)675 cm-1處多了一個(gè)吸收峰,且在3 423 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度增大;1 720 cm-1處的特征吸收峰為C=O 雙鍵的吸收振動(dòng)峰,3 423 cm-1處的吸收峰與675 cm-1處的吸收峰分別為分子間O-H 鍵的伸縮振動(dòng)峰與面外彎曲振動(dòng)峰。由此可知,三級(jí)排氣緩沖罐內(nèi)的潤滑油有機(jī)分子中形成了較多的C=O 雙鍵,C=O 雙鍵與其他分子中的氫原子相互作用形成了分子間O-H鍵,說明潤滑油中的聚乙二醇分子發(fā)生了氧化和分解,形成了較多含有羰基的小分子物質(zhì)。

圖4 未使用的潤滑油和三級(jí)排氣緩沖罐內(nèi)的潤滑油的紅外圖譜Fig.4 Infrared spectra of unused oil (a) and oil in the tertiary exhaust buffer tank (b)

依據(jù)GB/T 267-1988《石油產(chǎn)品閃點(diǎn)與燃點(diǎn)測(cè)定法(開口杯法)》標(biāo)準(zhǔn),采用開口閃點(diǎn)測(cè)試儀,分別對(duì)未使用的潤滑油以及三級(jí)排氣緩沖罐內(nèi)的潤滑油進(jìn)行閃點(diǎn)測(cè)試。未使用的潤滑油開口閃點(diǎn)為265 ℃,符合產(chǎn)品的技術(shù)要求,三級(jí)排氣緩沖罐內(nèi)的潤滑油開口閃點(diǎn)為110 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于產(chǎn)品的技術(shù)要求,其在高溫高壓環(huán)境中使用可能會(huì)引起爆炸。

1.6 物相分析

分別在二級(jí)排氣管路爆裂區(qū)域、三級(jí)壓縮缸和四級(jí)排氣管路的內(nèi)壁取樣,采用X射線衍射儀對(duì)積炭進(jìn)行物相分析。由圖5可見,3個(gè)位置的積炭主要成分均為鐵的氧化物、碳化物、氮化物以及部分有機(jī)物,如C4H3NO2,C3H7NO3等。有研究表明,鋼鐵表面滲氮或滲碳均需要在高溫條件下進(jìn)行,滲氮或滲碳的溫度不低于450 ℃,二級(jí)排氣管路內(nèi)壁在爆裂時(shí)經(jīng)歷了高溫過火,表面會(huì)生成FeN,Fe3N 和Fe7C3等高溫化合物[5-7]。

圖5 二級(jí)排氣管路爆裂區(qū)域、三級(jí)壓縮缸和四級(jí)排氣管路內(nèi)壁積炭的XRD 譜Fig.5 XRD patterns of inner wall carbon deposits of secondary exhaust pipeline burst area (a),tertiary compression cylinder (b) and quaternary exhaust pipeline (c)

2 失效原因分析

通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),二級(jí)排氣管路、三級(jí)壓縮缸、四級(jí)進(jìn)氣管路及四級(jí)排氣管路的內(nèi)壁均存在積炭,三級(jí)壓縮缸、四級(jí)壓縮缸和三級(jí)排氣緩沖罐內(nèi)均積存了大量的潤滑油,三級(jí)、四級(jí)壓縮缸內(nèi)壓縮桿活塞環(huán)磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致高溫壓縮氣體無法被全部排出,從而滯留在壓縮缸內(nèi),這會(huì)使壓縮缸內(nèi)的溫度和壓力均升高。此時(shí),壓縮缸內(nèi)過多的潤滑油會(huì)在高溫高壓共同作用下發(fā)生蒸發(fā)、分餾和氧化,形成酸瀝青和其他化合物。這些物質(zhì)在壓縮機(jī)內(nèi)會(huì)形成變質(zhì)的油霧,并與壓縮氣體中的灰塵和磨損的金屬顆?；旌显谝黄?在壓縮缸和排氣管內(nèi)壁形成積炭[8-9]。積炭會(huì)使壓縮缸排氣閥片不能及時(shí)關(guān)閉或關(guān)閉不嚴(yán),導(dǎo)致已經(jīng)被排出的壓縮空氣從排氣系統(tǒng)經(jīng)排氣閥返流至壓縮缸內(nèi),造成重復(fù)壓縮。從排氣閥返流的壓縮空氣的溫度較高,經(jīng)再次壓縮后其溫度會(huì)更高,這使壓縮缸排氣溫度急劇上升[10]。有研究表明,積炭中的鐵銹具有氧化催化的作用,可以促進(jìn)潤滑油氧化[2]。當(dāng)壓縮機(jī)的溫度超過某一極限值時(shí),會(huì)加速沉積物的氧化,產(chǎn)生自動(dòng)加熱效應(yīng),導(dǎo)致積碳發(fā)生陰燃。受壓縮氮?dú)庵醒鹾康南拗?溫度達(dá)到自燃點(diǎn)時(shí)積炭不會(huì)發(fā)生自燃,其溫度會(huì)逐漸升高,直至發(fā)生陰燃、分解或碳化。同時(shí),潤滑油分解產(chǎn)生的低分子可燃性物質(zhì)也會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng),釋放出熱量,使體系內(nèi)的溫度和壓力升高。因此,爆炸發(fā)生前二級(jí)進(jìn)氣裝置和三級(jí)進(jìn)氣裝置會(huì)出現(xiàn)高溫報(bào)警與高溫故障提示。爆炸發(fā)生當(dāng)晚,壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力為1.05～1.10 MPa,注氣壓力為31 MPa,二級(jí)排氣溫度為192 ℃。假設(shè)進(jìn)氣溫度為30 ℃,進(jìn)氣壓力為1.10 MPa,一級(jí)排氣溫度為151 ℃,通過式(1)可計(jì)算出一級(jí)排氣壓力為2.72 MPa。二級(jí)進(jìn)氣裝置出現(xiàn)高溫故障提示,表明其進(jìn)氣溫度高于55 ℃。二級(jí)進(jìn)氣壓力為2.72 MPa,排氣溫度為192 ℃時(shí),二級(jí)排氣壓力為7.88 MPa。三級(jí)進(jìn)氣裝置出現(xiàn)高溫報(bào)警提示,表明其進(jìn)氣溫度高于53 ℃。由于三級(jí)排氣溫度高于二級(jí)排氣溫度,推測(cè)三級(jí)排氣溫度高于192 ℃,計(jì)算出排氣壓力為22.82 MPa。四級(jí)進(jìn)氣溫度為51 ℃,進(jìn)氣壓力為22.82 MPa,排氣溫度為160 ℃,計(jì)算出四級(jí)排氣壓力為55.07 MPa,這高于四級(jí)排氣安全閥的整定壓力(53 MPa)。因此,爆炸發(fā)生前四級(jí)排氣安全閥開啟,大量煙霧從四級(jí)排空閥管路中排出。

式中:Td為排氣溫度,℃;Ts為進(jìn)氣溫度,℃;Pd為排氣壓力,MPa;Ps為進(jìn)氣壓力,MPa;m為壓縮過程多變指數(shù),為便于計(jì)算,取1.30。

四級(jí)排空閥打開,含有可燃性小分子物質(zhì)的氣體與空氣混合后會(huì)發(fā)生燃燒,燃燒產(chǎn)生的熱輻射導(dǎo)致附近的二級(jí)排氣管路溫度升高,積炭發(fā)生陰燃,可燃性物質(zhì)快速發(fā)生氧化反應(yīng),進(jìn)一步促使二級(jí)排氣管路的溫度和壓力升高。常壓下C3H7NO3的閃點(diǎn)為150 ℃,C4H3NO2的閃點(diǎn)為97～103 ℃,兩者均是含氮有機(jī)物,分子結(jié)構(gòu)與硝酸類爆炸物類似,富含氧,尤其是C3H7NO3在高溫高壓下可能會(huì)發(fā)生分解,引起二級(jí)排氣管路爆裂。此外,在高溫高壓含氧體系中,積炭在發(fā)生緩慢氧化與陰燃過程中均會(huì)產(chǎn)生CO。趙增繼[9]在研究空氣壓縮機(jī)爆炸原因時(shí)發(fā)現(xiàn),增壓機(jī)內(nèi)壓縮空氣中的CO 含量為1.5%～7.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),會(huì)引起增壓機(jī)爆裂。通過式(2)和式(3)可以計(jì)算出CO 在高溫高壓下引起爆炸所需的最低氧含量為0.75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),即氮?dú)饧兌葹?9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。綜上可知,C3H7NO3與C4H3NO2高溫分解以及CO 燃燒是導(dǎo)致二級(jí)排氣管路發(fā)生爆裂的主要原因。

式中:x下為引起有機(jī)可燃?xì)獗ǖ淖畹脱踬|(zhì)量分?jǐn)?shù);x上為引起有機(jī)可燃?xì)獗ǖ淖罡哐踬|(zhì)量分?jǐn)?shù);N為1 mol可燃性氣體完全燃燒所需的氧原子摩爾數(shù)。

受積油、積炭和三級(jí)、四級(jí)壓縮桿活塞環(huán)磨損的影響,運(yùn)行過程中三級(jí)、四級(jí)增壓管路內(nèi)壓縮氣體的溫度和壓力均升高,從而進(jìn)一步促進(jìn)潤滑油的氧化分解,形成大量可燃性小分子物質(zhì),或與其他雜質(zhì)混合形成積炭,積油、積炭的存在會(huì)使體系內(nèi)的溫度和壓力均升高,導(dǎo)致四級(jí)排氣壓力高于安全閥開啟壓力,四級(jí)排氣安全閥打開,可燃性氣體從四級(jí)排空閥排出后發(fā)生燃燒,燃燒產(chǎn)生的輻射熱又會(huì)使二級(jí)排氣管路內(nèi)氣體的溫度和壓力均升高。在高溫高壓環(huán)境中,混合有C3H7NO3與C4H3NO2的積炭會(huì)發(fā)生高溫分解,產(chǎn)生較多的熱量,引起管路爆裂。同時(shí),在高溫環(huán)境中,二級(jí)排氣管路內(nèi)積炭陰燃會(huì)產(chǎn)生大量CO,其與含氧的高壓氮?dú)饣旌虾笠矔?huì)引起管路爆裂,導(dǎo)致壁厚較薄、抗壓能力較差的二級(jí)排氣管路與空冷箱二級(jí)冷卻管束發(fā)生爆裂和前端二級(jí)進(jìn)氣管路發(fā)生鼓脹。

3 結(jié)論與建議

(1) 增壓機(jī)二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)增壓管路內(nèi)積油和積炭嚴(yán)重,三級(jí)、四級(jí)壓縮缸內(nèi)壓縮桿活塞環(huán)磨損嚴(yán)重,這使得體系內(nèi)的溫度和壓力均升高,排空閥打開,加速了低閃點(diǎn)可燃性氣體的氧化和積炭的陰燃,潤滑油氧化和分解加速,積炭增多,排空管高溫?zé)彷椛溥M(jìn)一步加速了低閃點(diǎn)可燃性物質(zhì)的氧化與積炭的陰燃,導(dǎo)致CO 含量達(dá)到爆炸極限,從而引起二級(jí)排氣管路與空冷箱二級(jí)冷卻管束發(fā)生爆裂。

(2) 建議進(jìn)一步完善增壓機(jī)設(shè)備使用和管理制度,做好設(shè)備運(yùn)行前的檢查、啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)和日常維護(hù)工作,尤其是設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)生報(bào)警等異常現(xiàn)象,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行排查或停機(jī)檢查。

(3) 記錄和統(tǒng)計(jì)增壓機(jī)在單位運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的耗油量,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油箱液位,對(duì)耗油量異常的設(shè)備及時(shí)進(jìn)行停機(jī)檢查。

(4) 定期排放分離器及緩沖罐內(nèi)的潤滑油,清理壓縮缸、管路中的積炭,定期檢修壓縮缸進(jìn)/排氣閥和活塞環(huán),發(fā)現(xiàn)磨損、卡阻和斷裂等問題應(yīng)及時(shí)更換。