基于關(guān)鍵部件的集輸氣設(shè)施工況適應(yīng)性評價

汪洋

中國石油西南油氣田分公司川東北氣礦（四川達(dá)州 635000）

在氣田開發(fā)生產(chǎn)過程中，因為生產(chǎn)的需要或特殊的情況，經(jīng)常會進(jìn)行地面集輸氣系統(tǒng)工況調(diào)整。在氣井產(chǎn)量、壓力等工況變化后，尤其是產(chǎn)量大幅提升后，隨著流速的增加，必定會導(dǎo)致沖蝕、應(yīng)力的加大，對生產(chǎn)設(shè)施造成不同程度的腐蝕和損害[1-2]?？赡茉斐晒艿来┛?、閥門泄漏、裝置零件斷裂[3]、連接部件螺栓松動、測量儀器精度變差、元器件不能工作等情況，甚至導(dǎo)致材料開裂并引發(fā)惡性事故[4]。其安全風(fēng)險如何，生產(chǎn)是否平穩(wěn)可控是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題[5]。因此有必要對整個地面集輸氣系統(tǒng)的工況適應(yīng)性進(jìn)行分析評價[6]，采取相應(yīng)措施，確保安全[7]。進(jìn)行評估和壽命預(yù)測，對保障集輸氣系統(tǒng)的安全平穩(wěn)生產(chǎn)是非常重要的，對井站風(fēng)險管控、高效開發(fā)具有重要的意義[8-9]。

1 H9井概況

H9 井為某氣田飛仙關(guān)氣藏的一口生產(chǎn)井，產(chǎn)氣量約10×104m3/d，輸壓6.2 MPa 左右，H2S 含量73 g/m3，產(chǎn)氣輸送到H1井集氣站后再外輸至下游。之前受下游集輸氣系統(tǒng)處理能力、H2S 承受能力的制約，產(chǎn)能未能充分發(fā)揮。為了完成生產(chǎn)任務(wù)，充分釋放氣井產(chǎn)能，增強(qiáng)天然氣保供能力，H9 井產(chǎn)量從10×104m3/d大幅提升至30×104m3/d，導(dǎo)致下游集輸氣系統(tǒng)工況發(fā)生了較大變化。特別是在彎頭區(qū)域和天然氣流動方向上變化的區(qū)域，對關(guān)鍵部位或閥門等造成重要影響，最終可能導(dǎo)致安全風(fēng)險增大。因此，H9井產(chǎn)氣量提高后，需要開展該井地面集輸氣系統(tǒng)的工況適應(yīng)性評價，對保障集輸氣系統(tǒng)安全平穩(wěn)生產(chǎn)十分必要，也為風(fēng)險防控提供技術(shù)指導(dǎo)和依據(jù)[10]。

2 技術(shù)路線

對設(shè)備裝置、管道完整性管理、安全隱患進(jìn)行準(zhǔn)確分析檢測，為生產(chǎn)運(yùn)維管理提供直接可靠的依據(jù)，可以降低故障、事故發(fā)生頻率[11]。由于分離器、水套爐等工藝裝置檢測評價技術(shù)相對成熟，安全系數(shù)較高，經(jīng)過復(fù)核處理能力也滿足工況變化后生產(chǎn)需要。本次重點(diǎn)對管道彎頭、閥門及密封等關(guān)鍵易損部位進(jìn)行檢測評價。

評價采用的主要技術(shù)思路：①根據(jù)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計、工程建設(shè)資料，以動力學(xué)、流體力學(xué)、有限元、疲勞腐蝕等理論為基礎(chǔ)[12]，圍繞重點(diǎn)設(shè)施、管道部件疲勞壽命與健康管理等關(guān)鍵技術(shù)問題，分析流體腐蝕碰撞磨損損傷、力學(xué)行為，以及工況誘發(fā)產(chǎn)生的脈沖等復(fù)雜附加載荷作用[13]。②結(jié)合現(xiàn)場檢測實(shí)際結(jié)果，應(yīng)用計算機(jī)模擬技術(shù)，進(jìn)行減薄量對比，分析硫化氫腐蝕速率和腐蝕量的變化趨勢[14]，以及閘閥刺漏和密封性失效等問題。③根據(jù)以上得到的腐蝕量、壁厚減薄量、安全系數(shù)、密封性等參數(shù)進(jìn)行綜合評價[15]。評價分為3個等級：一級為低風(fēng)險，可以正常使用；二級為中風(fēng)險，需要加強(qiáng)監(jiān)控使用；三級為高風(fēng)險，不能繼續(xù)使用，需要立即采取措施。④最后根據(jù)評價結(jié)果提出生產(chǎn)運(yùn)維與管理的意見和建議[16]。

3 評價現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 管道評價

3.1.1 流場分析

根據(jù)管道材質(zhì)、型號、類型、工作參數(shù)建立速度、壓力流場云圖，下面以H9井來氣進(jìn)H1井站后第一處DN100彎管GD1為例說明評價過程，分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 GD1現(xiàn)場圖

圖2 天然氣速度分布云圖（紅色區(qū)域最大39 m/s）

圖3 天然氣壓力分布云圖（紅色區(qū)域最大6.48 MPa）

3.1.2 腐蝕預(yù)測計算結(jié)果

根據(jù)管道材質(zhì)、型號、類型、工作參數(shù)、流場及腐蝕預(yù)測模型得到腐蝕預(yù)測結(jié)果。最大腐蝕速率為0.023 7 mm/a，最大累積減薄量為0.065 8 mm，為輕度腐蝕。

3.1.3 剛強(qiáng)度分析

根據(jù)管道材質(zhì)、型號、類型、工作參數(shù)、流場圖、腐蝕預(yù)測結(jié)果得到管道剛強(qiáng)度分析圖及應(yīng)力分布結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖4 彎管綜合應(yīng)力分布

圖5 管道變形情況示意圖

計算得到綜合應(yīng)力的最大值為126.1 MPa，位于彎頭的內(nèi)側(cè)。應(yīng)力的分布通過顏色變化來表示，紅色表示應(yīng)力最大的位置。評價表明目前GD1 是安全的，建議對該部位加強(qiáng)監(jiān)控。

經(jīng)分析計算，管道紅色位置的最大變形量為0.325 2 mm，屬微變形，對工藝安全無影響。計算GD1 管道剛強(qiáng)度安全系數(shù)，其最大綜合應(yīng)力為126.1 MPa，最小安全系數(shù)為1.983，工藝及運(yùn)行評價結(jié)論為安全。

3.1.4 評價結(jié)果

GD1 評價結(jié)果表明，管線腐蝕速率為0.023 7 mm/a，為輕度腐蝕。剛強(qiáng)度安全系數(shù)為二級風(fēng)險中值，說明目前安全，可以監(jiān)控使用。

從圖1～圖5 可以看出，天然氣在進(jìn)入管道后沿管道外壁速度較快，分析主要是受地下彎頭影響導(dǎo)致流向變化造成的。而在靠近管道后端，因為有閥門、法蘭等阻力件存在，導(dǎo)致流速有所下降，對應(yīng)壓力有所升高。管道變形情況也印證了這點(diǎn)。

由于管道彎頭壁厚選取的腐蝕余量為3 mm，根據(jù)現(xiàn)有腐蝕速率計算，能夠長期使用，且可以滿足目前安全生產(chǎn)的需要。

3.2 閘閥沖蝕、腐蝕、剛強(qiáng)度、密封性分析及評價

天然氣輸送過程中，天然氣內(nèi)的H2S 等腐蝕介質(zhì)將對閥門內(nèi)流道產(chǎn)生腐蝕，天然氣在管道設(shè)施內(nèi)流通過程中由于流道形狀變化、流動方向的變化也將對閥門內(nèi)流道產(chǎn)生沖蝕。而腐蝕和沖蝕將使壁厚減薄，安全風(fēng)險增加。本次重點(diǎn)關(guān)注H2S 對閥門內(nèi)流道的腐蝕，天然氣流動過程中對閥門內(nèi)流道的沖蝕。以H1井站DN100平板閥ZF1為例進(jìn)行介紹，如圖6所示。

圖6 H1井站平板閥ZF1現(xiàn)場圖

3.2.1 沖蝕計算結(jié)果

根據(jù)流場分析結(jié)果，利用開發(fā)的沖蝕量計算程序，計算流道最大沖蝕量隨開采年限的變化情況。計算結(jié)果表明，年度最大沖蝕深度為0.121 mm/a，累積最大沖蝕深度為1.475 mm。

3.2.2 腐蝕計算結(jié)果

流體的腐蝕與流體中腐蝕氣體的濃度、溫度、壓力、流體流動速度等密切相關(guān)，利用流場分析結(jié)果，結(jié)合構(gòu)建的腐蝕預(yù)測模型，預(yù)測年度最大腐蝕深度為0.114 mm/a，累積最大腐蝕深度為1.395 mm。

3.2.3 壁厚減薄預(yù)測

綜合考慮流體對壁面的沖蝕、腐蝕，開展壁厚最大減薄量預(yù)測。年度最大壁厚減薄量為0.235 mm/a，累積最大壁厚減薄量為2.869 mm。

3.2.4 剛強(qiáng)度分析

場站關(guān)鍵工藝部件，其可靠性決定了場站生產(chǎn)的安全。利用有限元分析技術(shù)，分析在腐蝕環(huán)境下，不同開發(fā)參數(shù)時閘板閥應(yīng)力、變形及其分布。以輸壓和產(chǎn)量為邊界條件，計算流體對閥門的內(nèi)流道壓力，根據(jù)沖蝕模型和腐蝕模型計算工作年度的壁厚減薄情況。利用建立的模型進(jìn)行求解后，獲得計算年度閥門的剛強(qiáng)度。

氣井開發(fā)生產(chǎn)過程中，由于H2S 對閥門內(nèi)流道腐蝕，天然氣對閥門的沖蝕結(jié)果導(dǎo)致壁厚減薄，在閥門分析裝配模型中，將根據(jù)預(yù)測的壁厚進(jìn)行閘板閥分析裝配模型的建立。將該年度的生產(chǎn)參數(shù)作為載荷進(jìn)行計算，獲得該年度的剛強(qiáng)度分析結(jié)果。

以閥門在2022 年的生產(chǎn)參數(shù)為邊界條件，利用流場分析獲得流道內(nèi)的壓力，其余的載荷條件不發(fā)生改變。考慮H2S 的腐蝕和沖蝕導(dǎo)致的壁面減薄，2022 年閘閥的剛強(qiáng)度分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 閥門的綜合應(yīng)力分布圖

圖8 閥門在通過管道中心的Z-X面的變形分布

閥門的最大綜合應(yīng)力為208.7 MPa，位于閥體，目前安全，建議對該部位加強(qiáng)監(jiān)控。閥門的最大變形紅色位置為0.024 35 mm，位于閥門閥板上，屬微變形，對工藝安全無影響。

3.2.5 剛強(qiáng)度安全系數(shù)

根據(jù)受力特點(diǎn)，結(jié)合流體的沖蝕和H2S腐蝕使其強(qiáng)度降低。利用有限元分析方法，計算其集中應(yīng)力變化規(guī)律。閘板閥所使用的材料為耐腐蝕合金結(jié)構(gòu)鋼，有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限。其力學(xué)性能指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度≥985 MPa，屈服強(qiáng)度≥835 MPa，條件屈服強(qiáng)度≥440 MPa。綜合考慮閥門在工作過程中因含有H2S等腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，閥門應(yīng)力最大的區(qū)域位于閘閥的閥體上。計算閘閥的最大綜合應(yīng)力212.93 MPa，最大變形為0.025 mm，最小剛強(qiáng)度安全系數(shù)為1.17，工藝和運(yùn)行評價結(jié)論為安全。

3.2.6 密封壽命預(yù)測

由于密封處在集輸氣系統(tǒng)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中，密封的材料均為耐沖刷、耐腐蝕的材料。在惡劣的工作環(huán)境和長期使用后，密封老化，功能逐漸下降，甚至發(fā)生失效，產(chǎn)生泄漏。對于含H2S 天然氣管線上的閥門開展密封失效的機(jī)理分析，進(jìn)行密封系統(tǒng)安全性及壽命預(yù)測，預(yù)判密封失效的時間，對安全生產(chǎn)具有非常重要的意義。

閥門密封性能是閥門最重要的指標(biāo)之一。閥門密封損傷主要的形式有氣蝕、沖蝕、磨損、腐蝕、沖擊等。各種因素之間會相互影響，相互促進(jìn)[17]。

閥門氣蝕發(fā)生在壓差較大的工況中，工作介質(zhì)流過閥芯與閥底的節(jié)流面處流速增大，壓力迅速降低形成氣泡。當(dāng)介質(zhì)里的氣泡由于壓力恢復(fù)爆裂后，會造成局部沖擊，導(dǎo)致密封表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕和腐蝕。

在氣井開采過程中，在管道內(nèi)流動的流體是氣、液、固體顆粒物的混合物。在流動過程中，固體顆粒沖刷會對閥門密封產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖蝕效應(yīng)，導(dǎo)致密封受損。通過氣體顆粒兩相流動分析，了解氣體及顆粒在閥內(nèi)的流動及其沖蝕特性，通過改變閥門開度、顆粒直徑和顆粒質(zhì)量流量可減少沖蝕對密封的影響。

在閥門啟閉過程中，密封面會受到磨損。密封磨損量受各種因素影響，閥門密封的沖擊與磨損是閥門長期運(yùn)行下常見的密封失效形式。

在進(jìn)行密封剩余壽命預(yù)測過程中，綜合考慮如下因素：裝置內(nèi)流道流體的壓力、產(chǎn)量，氣體中H2S、CO2的含量、溫度，裝配過程中密封圈受力的均勻性，密封件的維護(hù)。

通過開展密封工作過程中的受力、性能劣化、腐蝕、沖蝕、壽命預(yù)測等分析，結(jié)合密封的極端破壞實(shí)驗，對金屬密封、橡膠密封進(jìn)行壽命預(yù)測。

對閥門的密封進(jìn)行壽命預(yù)測，預(yù)測的參數(shù)為25 ℃，H2S 含量73 g/m3，設(shè)定安裝過程為規(guī)范安裝，生產(chǎn)過程中嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行保養(yǎng)。模擬計算獲得密封壽命與壓力、產(chǎn)量和H2S 含量的關(guān)系。密封性評價結(jié)論：當(dāng)前密封有效。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)預(yù)測密封壽命。在運(yùn)維保養(yǎng)中，嚴(yán)格按照操作規(guī)程定量、定頻次注脂保養(yǎng)的情況下，邊界條件設(shè)置為1。根據(jù)計算結(jié)果分析，在2024年8月前，密封處于安全狀態(tài)；2024年8月是臨界安全區(qū)，以后需要及時維修更換閥門或密封。

3.2.7 ZF1評價結(jié)果

ZF1評價結(jié)果表明：壁厚減薄2.869 mm、剛強(qiáng)度安全系數(shù)1.17，密封有效，可以正常生產(chǎn)。整個閥門評價為二級風(fēng)險，目前安全，可以加強(qiáng)監(jiān)控繼續(xù)使用。

3.3 超聲波檢測

為進(jìn)一步檢測關(guān)鍵部件的缺陷，同時采用超聲波進(jìn)行了測厚。測厚時，當(dāng)管壁厚度變化均勻時，可直接進(jìn)行厚度測量；當(dāng)壁厚變化不均勻時，采用超聲C掃描儀掃描測量。管道壁厚檢測主要檢測管道截面各個時鐘位置的厚度，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷時，采用超聲C掃描定量檢測該缺陷。

3.3.1 測厚

采用超聲相控陣對重點(diǎn)關(guān)注的11 段管道進(jìn)行測厚。為避免檢測誤差，進(jìn)行了兩次檢測。兩次檢測數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致，說明檢測數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。檢測發(fā)現(xiàn)集輸系統(tǒng)下游金山站閥室內(nèi)DN250 管道（GD10、GD11）存在腐蝕和異常點(diǎn)。對存在腐蝕的點(diǎn)附近進(jìn)行超聲C 掃描，檢測范圍內(nèi)最大剩余壁厚為12 mm，最小剩余壁厚為10.4 mm，最大最小剩余壁厚差值為1.6 mm。

3.3.2 C掃描

利用超聲相控陣對重點(diǎn)關(guān)注的5個閘閥進(jìn)行超聲C掃描。結(jié)果表明，通過兩次的現(xiàn)場檢測，所檢測的5個閘閥中，ZF1（H1井站G30平板閥）存在腐蝕，腐蝕部位在氣流方向右側(cè)上腔體（自編號C1）處，具體腐蝕部位和程度如圖9所示。

圖9 閘閥檢測圖

經(jīng)檢測閥體最大剩余壁厚為21 mm，最小剩余壁厚為17.8 mm，最大最小剩余壁厚差值為3.2 mm，建議監(jiān)控使用。

3.4 檢測評價結(jié)果

H9 井地面集輸氣系統(tǒng)工況適應(yīng)性檢測評價結(jié)果匯總顯示，對關(guān)鍵部位重點(diǎn)分析檢測的11 段管道、5個閘閥進(jìn)行綜合適應(yīng)性評價后，發(fā)現(xiàn)以上設(shè)施均為二級風(fēng)險，需要加強(qiáng)監(jiān)控，目前可繼續(xù)使用。

4 結(jié)論及建議

通過檢測和適應(yīng)性評價結(jié)果匯總可以看出，在30×104m3/d 的產(chǎn)量工況下，H9 井地面集輸氣系統(tǒng)是適應(yīng)的，工藝設(shè)施和生產(chǎn)運(yùn)行都是安全的。實(shí)際上，H9 井大幅提產(chǎn)后，整個集輸系統(tǒng)已安全運(yùn)行近1 年，目前生產(chǎn)正常平穩(wěn)，表明評價結(jié)果是可靠的，采用的評價技術(shù)是可行的。本次對H9井地面集輸氣系統(tǒng)進(jìn)行的工況適應(yīng)性評價，主要建立在重點(diǎn)關(guān)鍵部件檢測評價基礎(chǔ)上，為今后開展類似工作提供了參考，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

根據(jù)評價結(jié)果，提出生產(chǎn)管理建議如下：

1）構(gòu)建完善的井站安全生產(chǎn)監(jiān)管機(jī)制，建立完善的設(shè)備信息，定期對場站運(yùn)行情況進(jìn)行巡查。一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)險隱患，要立即進(jìn)行處理。加強(qiáng)設(shè)備設(shè)施維護(hù)，升級改造老舊落后裝置。

2）持續(xù)做好生產(chǎn)運(yùn)行動態(tài)監(jiān)測。加強(qiáng)對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的壓力、氣量、溫度、硫化氫含量等參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測和分析，加強(qiáng)上下游生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的溝通與聯(lián)系，及時采取有效措施，確保生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行正常。

3）進(jìn)一步完善場站完整性管理方案，制定場站管道裝置設(shè)施的完整性監(jiān)督檢測制度，開展安全性評估。構(gòu)建監(jiān)檢測大數(shù)據(jù)平臺，掌握工藝及運(yùn)行的變化規(guī)律和趨勢。提高風(fēng)險辨識和防控水平，確保安全生產(chǎn)。