注氮氣增壓機二級排氣管路與空冷箱二級冷卻管束爆裂原因

孫同成 ,劉 強 ,王毛毛 ,王修云

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

隨著油氣田的深入開發,大部分油氣井失去了自噴能力,必須采用新的開采技術,如注水、注氣和注聚合物等采油技術。氮氣具有不易燃、不助燃、壓縮系數大、膨脹能力強和彈性能量大等優點,是聚合物舉升與驅油工藝中常用的氣體,因此,注氮氣采油技術在國內外各大油田得到了廣泛應用[1]。然而,在實際生產過程中,若管理與操作不當,注氮氣增壓機會停機,甚至發生爆炸事故。

2017年7月10日,某油井開始實施注氮氣驅油技術,采用增壓機將純度為99%(質量分數)的氮氣進行增壓后,通過高壓注氣管線由油管注入井筒內。該增壓機為往復活塞式增壓機,采用四級增壓技術,冷卻方式為空冷,進氣溫度不高于50 ℃,進氣壓力為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12分,該增壓機二級排氣管路與空冷箱二級冷卻管束發生爆裂,截止爆裂發生時,該增壓機已運行2 700 h。

現場視頻記錄顯示,增壓機四級排空管先發生排氣、冒火,而后其附近的增壓機二級管路才發生爆裂。報警系統顯示:在爆炸事故前的7月24日,二級進氣裝置曾出現5次高溫報警和1次高溫故障,三級進氣裝置出現1次高溫報警;7月25日,出現1次進氣壓力低報警和1次進氣壓力低故障,1次排氣閥片未關故障;在爆炸事故后的8月10日,增壓機開機顯示二級排氣高壓報警、四級排氣壓力高報警與高溫報警。二級壓縮缸無明顯積油和積炭現象,三級和四級壓縮缸積油、積炭嚴重,二級、三級和四級增壓管路中均存在積油和積炭現象。三級和四級壓縮缸閥片損壞嚴重,活塞環磨損嚴重。經檢驗,一級進氣、排氣安全閥完好,二級、三級安全閥閥瓣和閥座密封面發生泄漏,無法修復。四級安全閥閥瓣和閥座密封面發生泄漏,調節螺紋損壞,無法修復。

本工作通過一系列的檢驗,對該注氮氣增壓機的爆炸原因進行了分析,并提出了相應的防范措施,以期避免該類問題的再次發生。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀觀察

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

圖1 爆炸注氮氣增壓機二級增壓系統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 化學成分分析

在二級排氣管路未爆裂區域和爆裂區域取樣,采用Baird Spectro-vac2000型直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析。由表1可見,試樣的化學成分均符合GB/T 9711-2017《石油天然氣工業管線輸送用鋼管》標準中對L245N/BN 管材的技術要求。

表1 二級排氣管的化學成分Tab.1 Chemical composition of secondary exhaust pipe %

1.3 金相檢驗

由圖2可見,二級排氣管路未爆裂區域和爆裂區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《石油天然氣工業管線輸送用鋼管》標準中對L245N/BN 管材的技術要求。

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

1.4 硬度測試

在二級排氣管路未爆裂區域和爆裂區域取樣,采用YLINST-HR-150A 型洛氏硬度計對試樣進行洛氏硬度測試。由圖3 可見,試樣的硬度均符合GB/T 9711-2017《石油天然氣工業管線輸送用鋼管》標準中對L245N/BN 管材的技術要求(不大于35 HRC)。

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

1.5 潤滑油開口閃點與紅外光譜測試

該壓縮機壓縮缸所用的潤滑油為美孚格高460,主要成分為聚乙二醇,開口閃點為265℃。通過現場調研發現,三級、四級壓縮缸與三級排氣緩沖罐內積存了大量的潤滑油,取樣進行紅外光譜分析。由圖4可見:相比于未使用的潤滑油,三級進氣緩沖罐內潤滑油的紅外光譜分別在官能團區1 720 cm-1處與指紋區675 cm-1處多了一個吸收峰,且在3 423 cm-1處的吸收峰強度增大;1 720 cm-1處的特征吸收峰為C=O 雙鍵的吸收振動峰,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 鍵的伸縮振動峰與面外彎曲振動峰。由此可知,三級排氣緩沖罐內的潤滑油有機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生了氧化和分解,形成了較多含有羰基的小分子物質。

圖4 未使用的潤滑油和三級排氣緩沖罐內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GB/T 267-1988《石油產品閃點與燃點測定法(開口杯法)》標準,采用開口閃點測試儀,分別對未使用的潤滑油以及三級排氣緩沖罐內的潤滑油進行閃點測試。未使用的潤滑油開口閃點為265 ℃,符合產品的技術要求,三級排氣緩沖罐內的潤滑油開口閃點為110 ℃,遠遠低于產品的技術要求,其在高溫高壓環境中使用可能會引起爆炸。

1.6 物相分析

分別在二級排氣管路爆裂區域、三級壓縮缸和四級排氣管路的內壁取樣,采用X射線衍射儀對積炭進行物相分析。由圖5可見,3個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行,滲氮或滲碳的溫度不低于450 ℃,二級排氣管路內壁在爆裂時經歷了高溫過火,表面會生成FeN,Fe3N 和Fe7C3等高溫化合物[5-7]。

圖5 二級排氣管路爆裂區域、三級壓縮缸和四級排氣管路內壁積炭的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

通過現場調研發現,二級排氣管路、三級壓縮缸、四級進氣管路及四級排氣管路的內壁均存在積炭,三級壓縮缸、四級壓縮缸和三級排氣緩沖罐內均積存了大量的潤滑油,三級、四級壓縮缸內壓縮桿活塞環磨損嚴重,導致高溫壓縮氣體無法被全部排出,從而滯留在壓縮缸內,這會使壓縮缸內的溫度和壓力均升高。此時,壓縮缸內過多的潤滑油會在高溫高壓共同作用下發生蒸發、分餾和氧化,形成酸瀝青和其他化合物。這些物質在壓縮機內會形成變質的油霧,并與壓縮氣體中的灰塵和磨損的金屬顆粒混合在一起,在壓縮缸和排氣管內壁形成積炭[8-9]。積炭會使壓縮缸排氣閥片不能及時關閉或關閉不嚴,導致已經被排出的壓縮空氣從排氣系統經排氣閥返流至壓縮缸內,造成重復壓縮。從排氣閥返流的壓縮空氣的溫度較高,經再次壓縮后其溫度會更高,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,可以促進潤滑油氧化[2]。當壓縮機的溫度超過某一極限值時,會加速沉積物的氧化,產生自動加熱效應,導致積碳發生陰燃。受壓縮氮氣中氧含量的限制,溫度達到自燃點時積炭不會發生自燃,其溫度會逐漸升高,直至發生陰燃、分解或碳化。同時,潤滑油分解產生的低分子可燃性物質也會發生氧化反應,釋放出熱量,使體系內的溫度和壓力升高。因此,爆炸發生前二級進氣裝置和三級進氣裝置會出現高溫報警與高溫故障提示。爆炸發生當晚,壓縮機的進氣壓力為1.05～1.10 MPa,注氣壓力為31 MPa,二級排氣溫度為192 ℃。假設進氣溫度為30 ℃,進氣壓力為1.10 MPa,一級排氣溫度為151 ℃,通過式(1)可計算出一級排氣壓力為2.72 MPa。二級進氣裝置出現高溫故障提示,表明其進氣溫度高于55 ℃。二級進氣壓力為2.72 MPa,排氣溫度為192 ℃時,二級排氣壓力為7.88 MPa。三級進氣裝置出現高溫報警提示,表明其進氣溫度高于53 ℃。由于三級排氣溫度高于二級排氣溫度,推測三級排氣溫度高于192 ℃,計算出排氣壓力為22.82 MPa。四級進氣溫度為51 ℃,進氣壓力為22.82 MPa,排氣溫度為160 ℃,計算出四級排氣壓力為55.07 MPa,這高于四級排氣安全閥的整定壓力(53 MPa)。因此,爆炸發生前四級排氣安全閥開啟,大量煙霧從四級排空閥管路中排出。

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

四級排空閥打開,含有可燃性小分子物質的氣體與空氣混合后會發生燃燒,燃燒產生的熱輻射導致附近的二級排氣管路溫度升高,積炭發生陰燃,可燃性物質快速發生氧化反應,進一步促使二級排氣管路的溫度和壓力升高。常壓下C3H7NO3的閃點為150 ℃,C4H3NO2的閃點為97～103 ℃,兩者均是含氮有機物,分子結構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發生分解,引起二級排氣管路爆裂。此外,在高溫高壓含氧體系中,積炭在發生緩慢氧化與陰燃過程中均會產生CO。趙增繼[9]在研究空氣壓縮機爆炸原因時發現,增壓機內壓縮空氣中的CO 含量為1.5%～7.5%(質量分數)時,會引起增壓機爆裂。通過式(2)和式(3)可以計算出CO 在高溫高壓下引起爆炸所需的最低氧含量為0.75%(質量分數),即氮氣純度為99%(質量分數)。綜上可知,C3H7NO3與C4H3NO2高溫分解以及CO 燃燒是導致二級排氣管路發生爆裂的主要原因。

式中:x下為引起有機可燃氣爆炸的最低氧質量分數;x上為引起有機可燃氣爆炸的最高氧質量分數;N為1 mol可燃性氣體完全燃燒所需的氧原子摩爾數。

受積油、積炭和三級、四級壓縮桿活塞環磨損的影響,運行過程中三級、四級增壓管路內壓縮氣體的溫度和壓力均升高,從而進一步促進潤滑油的氧化分解,形成大量可燃性小分子物質,或與其他雜質混合形成積炭,積油、積炭的存在會使體系內的溫度和壓力均升高,導致四級排氣壓力高于安全閥開啟壓力,四級排氣安全閥打開,可燃性氣體從四級排空閥排出后發生燃燒,燃燒產生的輻射熱又會使二級排氣管路內氣體的溫度和壓力均升高。在高溫高壓環境中,混合有C3H7NO3與C4H3NO2的積炭會發生高溫分解,產生較多的熱量,引起管路爆裂。同時,在高溫環境中,二級排氣管路內積炭陰燃會產生大量CO,其與含氧的高壓氮氣混合后也會引起管路爆裂,導致壁厚較薄、抗壓能力較差的二級排氣管路與空冷箱二級冷卻管束發生爆裂和前端二級進氣管路發生鼓脹。

3 結論與建議

(1) 增壓機二級、三級和四級增壓管路內積油和積炭嚴重,三級、四級壓縮缸內壓縮桿活塞環磨損嚴重,這使得體系內的溫度和壓力均升高,排空閥打開,加速了低閃點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,排空管高溫熱輻射進一步加速了低閃點可燃性物質的氧化與積炭的陰燃,導致CO 含量達到爆炸極限,從而引起二級排氣管路與空冷箱二級冷卻管束發生爆裂。

(2) 建議進一步完善增壓機設備使用和管理制度,做好設備運行前的檢查、啟動、運行、停機和日常維護工作,尤其是設備運行過程中發生報警等異常現象,應及時進行排查或停機檢查。

(3) 記錄和統計增壓機在單位運行時間內的耗油量,實時監測油箱液位,對耗油量異常的設備及時進行停機檢查。

(4) 定期排放分離器及緩沖罐內的潤滑油,清理壓縮缸、管路中的積炭,定期檢修壓縮缸進/排氣閥和活塞環,發現磨損、卡阻和斷裂等問題應及時更換。