高含硫天然氣輸送機組運行風險與應對體系研究

張鵬

摘 要：高含H2S天然氣輸送機組長期受到腐蝕、振動及高噪聲等的困擾，在運行時具有很高的風險，控制不當可能導致重大安全事故。本研究應用有關理論、標準及規范、實踐調研成果，主要針對天然氣輸送過程中H2S氣體對整個系統可能造成的風險進行了較為全面的評估，找出了相關風險源與識別方法，建立起了監測技術體系與管理應對體系。

本文首先介紹了輸氣站的系統組成及其設備的工藝用途;接著對高含H2S氣體對本系統的腐蝕及控制做了說明;然后分析評估了高含H2S氣體對輸送機組的運行風險;最后提出了針對高含H2S天然氣輸送機組運行風險而建立的監測技術與管理應對體系。本次建立的應對體系具有響應速度快、系統自動監控面廣、風險系數低、工程成本低、經濟性好等特點，實用性很強，具有較好的推廣價值。

關鍵詞：高含硫輸氣站;運行風險;應對體系研究

1高含H2S氣體對系統的腐蝕

H2S氣體是一種有毒氣體，且具有強烈的腐蝕性，所以高含H2S天然氣會對輸氣系統造成嚴重的腐蝕，從而引發重大的生產事故。為了避免事故的發生我們需要對腐蝕的原理進行研究。腐蝕機理：

H2S氣體的腐蝕性只有在含水條件下才會表現出來。所以高含H2S天然氣只有在潮濕的環境下才能夠與管道發生電化學反應。反應式如下：

H2S → H++HS-

HS- → H++S2-

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

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。當金屬表面吸附的氫原子越來越多時，部分氫原子就會侵入金屬內部，從而破壞金屬表面的光潔度;而 Fe2+ 會與S2- 結合生成硫化鐵。

鐵的硫化物是中性鹽，在電化學腐蝕反應中作為陰極，管道的金屬體在丟失電子時一般作為電化學腐蝕反應的陽極，從而兩者構成腐蝕電池的兩極，促使電化學腐蝕較快反應。腐蝕的厲害程度主要由最終形成硫化物的結構和性質決定。最終生成的硫化物主要有Fe9S8、Fe3S4、FeS2、FeS 等。如果腐蝕產物能夠均勻致密的分布在管道內壁上，且與管道結合良好，形成一層抗腐蝕壁則可以很好地起到抑制腐蝕反應發生的作用;如果反應形成的是Fe9S8等組織疏松、易脫落（如、Fe3S4、FeS2等）的物質，這些物質又可以繼續參加到電化學腐蝕反應中去，反而使得金屬的腐蝕反應速率加快，從而造成本系統管網的嚴重腐蝕。

2.系統對腐蝕的控制

系統采用“低碳鋼+緩蝕劑+清管+監控”的腐蝕配套方案，而且該方案較為經濟，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 標準管材選用抗硫性好的材料。管道一般采用碳當量不會超過0.43%的低碳鋼，嚴格控制材料化學成分。管道材料的強度和硬度都必須受到嚴格的檢查。

（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，加注時一定要注意加注的方式和加注時長，還必須按照一定的周期進行加注。對于關閉時間較長的輸氣管，先要對管道進行緩蝕預處理，并在管內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有清管器，而利用清管器和緩蝕劑相結合的方式對管道進行清洗時，既可以起到清管的作用，也可以起到防止腐蝕的作用。

（4）腐蝕監控

利用RUT（遠程測控終端）技術對場站的腐蝕進行在線監控，監控點一般都安裝掛片試樣、氫探針、電阻探針（EFR）等傳感器，從而對整個系統進行實時監控。若經濟條件足夠可以從外國引進先進的智能清管器對金屬管道壁厚作有效檢測。

3.管路及其他輸氣設備的危險源分析

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境等條件的變化對輸氣設備的影響非常顯著，管道內部的壓力隨外部環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。當管道中的含H2S天然氣中的濕氣含量也較高時，不僅促進水合物的形成，也使得管道的腐蝕速度增高，從而帶來一系列的安全問題，提高了設備的故障發生率，并使得系統的維護成本提高。

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

清管器裝置的運行如果不按規章制度嚴格進行，就會出現卡球、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，擴散在空氣中不易察覺，管理不善或操作不當都可能引起火災、爆炸、中毒等嚴重事故。

4輸送機組運行危險的評估

輸送機組在運行過程中會伴隨排氣壓力波動、氣體溫度高、壓縮機的異常振動和噪聲、壓縮機喘振、壓縮機漏氣、軸承故障、密封系統工作不正常、 壓縮機葉輪破損、原動機超負載等故障，而與其連接的其它輔助設備也可能出現與之相對應的故障。如果對這些故障不進行及時處理，就可能引發一系列的安全事故，造成設備損壞和人員傷亡。特別對于壓縮機內部的一些零部件損壞或安裝不良，由于問題比較小，監測系統和人工檢查都未能發現，從而讓其發展趨勢擴大造成巨大的損失。設備的故障率一般不能高于0.02，當設備的故障率高于0.02時就必須對設備進行全面檢修。所以對于一些微小的故障，當其發生的頻率高于0.02時我們就應當對其有所警惕，在能及時進行檢修的條件下必定對其進行檢修。特別對于壓縮機組來說，其輸送的天然氣是易燃易爆的危險氣體，設備的微小故障都有可能引發火災、爆炸等重大安全事故。

對于天然氣輸送機組我們必須嚴格按照API STD標準和HSE管理體系對設備進行制造、安裝、運行和維護。設立對應的操作指南和安全準則，嚴格按照公司的設備管理制度對設備進行相關的操作，避免一切的違章操作和不規范運行。

5 監測分析軟件技術體系

由于壓縮機組在運行過程中出現故障造成的危害及損失比較嚴重，所以系統對其可能發生故障點的零部件都進行在線監測。利用RUT（遠程測控終端）監測體系對壓縮機組的進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、軸承等進行遠程監控，在這些監測點放置合適的傳感器和壓力表，同時也加入對設備腐蝕監測探針，結合人工檢查對系統形成全面的監測體系。運用RUT系統對壓縮機組進行實時畫面監控，嚴格監視控制壓縮機組的運行狀況。并要求檢維修人員隨時做好應對故障應急響應。

系統組態軟件采用OpenBSI軟件工具包、組態軟件Control Wave Designer等。

CPU 的組態程序組態軟件Control Wave Designer編程組態軟件符合IEC61131-3標準，是基于Windows操作系統建立的技術平臺， 能提供Windows系統所擁有的標準的功能， 提供有多種標準化編程語言，并且系統自帶有200多個軟件模塊方便快捷的為用戶提供幫助。而且內部裝有多種計算方法，為用戶分析數據提供了理論依據和方便的計算公式。Control Wave Designer除了擁有基本的功能模塊及函數公式外，還提供了ACCOL III功能塊庫，從而大大加強了系統的使用范圍，能夠應用與天然氣輸氣站等多個控制體系中。

在輸氣站中場內的RTU系統與第三方設備的通訊實現連接，通過RS232的通訊接口將輸氣站的總控系統與第三方通訊設備進行連接，然后通過TCP/IP通訊協議進行通訊連接。并將系統中所有的流量計與儀表通過RUT系統連接起來。實現測量儀器與UPS之間的通訊、火炬系統的與所轄單井及與控制中心的通訊。

總結

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的腐蝕機理進行說明，并根據其電化學腐蝕原理提出相對應的預防措施。預防措施主要從材料、緩蝕劑、清管工藝及腐蝕監控四個方面做出應對方法。再對輸送機組及其它場站設備在運行時發生故障的類型和原因進行了分析說明，并對輸送機組的運行風險進行分析和評估。詳細的說明了這些故障和風險對場站人員和設備造成的危險性。也為維修人員的檢修提供了詳細的指導和啟發，從而提高維修人員檢修的效率。然后對RTU監測技術在本輸氣站中的應用進行介紹，并利用RTU技術建立對整個場站的監控體系。并詳細的介紹了RTU監測系統的硬件技術體系與軟件技術體系。該監測體系應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。