集輸管道系統(tǒng)安全閥拒動失效原因分析

王 琪 范永奇 胡 英 楊貴榮 徐仁朋

（河南油田分公司技術檢測中心 南陽 473132）

安全閥是特種設備（鍋爐、壓力容器、壓力管道等）上的一種起到限壓、泄壓作用的安全保護附件。它不借助任何外力而利用介質(zhì)本身的力來排出一定數(shù)量的流體,以防止壓力超過額定的安全值。當壓力恢復正常后,閥門再行關閉并阻止介質(zhì)繼續(xù)流出。[1]其動作可靠性和工作性能好壞直接關系到特種設備的運行安全。如果安全閥超過規(guī)定設置壓力值,不能及時開啟排出承壓設備內(nèi)介質(zhì)的現(xiàn)象稱之為拒動失效,這對運行中的特種設備危害非常大,一旦鍋爐、壓力容器和壓力管道中的介質(zhì)壓力超過額定值時,安全閥不動作,設備在超壓狀態(tài)下運行,極易造成運行設備損壞,進而有發(fā)生重大安全事故的可能。因此相關的規(guī)程標準要求應對其進行日常檢查維護,每年至少開展1次定期校驗,[1]以保證其工作正常有效。

2021年,筆者單位在開展海外某油田集輸系統(tǒng)安全閥校驗時,采用在線檢測技術進行一次校驗,發(fā)現(xiàn)X號集輸站內(nèi)10余只安全閥無法正常開啟,在線校驗儀器顯示整定壓力值嚴重超過標準要求,判定為拒動失效。為了查明失效原因,通過勘查現(xiàn)場、解體分析和實驗測試,找出了該站安全閥整體拒動失效的原因,消除了安全隱患,避免了安全事故的發(fā)生。

1 檢測現(xiàn)場的基本情況

1.1 安全閥安裝位置及工藝流程

該集輸站內(nèi)井口來油管線上安裝了13只安全閥,安裝位置見圖1。該管道設計壓力為4.5 MPa,正常工作壓力為1.2 MPa,考慮集輸管道需進行定期清管作業(yè),安全閥整定壓力設定為4.0 MPa。管道內(nèi)介質(zhì)為原油、伴生氣及水的混合物。因介質(zhì)為易燃、易爆物質(zhì),按標準要求不能直接外排到自然環(huán)境中,如果因管道超壓安全閥開啟,排出物將通過出口管道匯流進入地排罐中,其工藝流程如圖2所示。

圖1 安全閥安裝現(xiàn)場

圖2 工藝流程圖

1.2 校驗過程

采用在線校驗技術進行現(xiàn)場校驗X號集輸站內(nèi)集輸管道上的安全閥時,現(xiàn)場操作人員按照預設的參數(shù)輸入在線校驗儀,使用便攜式液壓泵對安全閥閥桿施加外加力,達到預設拉力值時,安全閥沒有及時開啟；再次確認參數(shù)設置無誤后,加大在線校驗儀拉力值到預設的120%,安全閥仍沒有開啟,初步判定為拒動失效。而后檢測該站內(nèi)其余的12只安全閥又出現(xiàn)同樣情況。為了確保生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行,采取隔離措施后,分批拆除該站所有安全閥,對其解體后發(fā)現(xiàn)閥體內(nèi)腔、壓緊彈簧及彈簧座等組件出現(xiàn)較嚴重的銹蝕,造成閥桿與下彈簧座、導向套粘連,致使在線校驗時達到預設拉力值后,無法完成起跳動作造成拒動失效。而在檢測該油田其他集輸站內(nèi)的安全閥時沒有出現(xiàn)此類情況。為了確保集輸管道的安全平穩(wěn)運行,十分有必要查明發(fā)生此類現(xiàn)象的原因,預防安全事故的發(fā)生。

2 安全閥解體及現(xiàn)場勘察情況

安全閥解體后觀察到：閥體內(nèi)出現(xiàn)少量水跡,腔體內(nèi)出現(xiàn)大量腐蝕銹跡（見圖3）,閥桿與彈簧下底座、閥桿與導向套之間銹死（見圖4）,致使閥桿不能上下活動,造成安全閥無法開啟。

圖3 出現(xiàn)大量銹跡的閥體內(nèi)情況

圖4 出現(xiàn)粘連的閥桿與下彈簧座

現(xiàn)場勘察觀測到：拆除管道上的安全閥后,觀測到進口側(cè)管道上截止閥及安全閥進口腔體內(nèi)無明顯腐蝕痕跡,其中3只安全閥出口及腔體內(nèi)有原油流出的痕跡,證明該集輸管道系統(tǒng)在運行過程中安全閥出現(xiàn)過超壓起跳現(xiàn)象,其余無原油流出跡象,腐蝕物質(zhì)應不是從進口處流入；觀察發(fā)現(xiàn)安全閥的出口管道內(nèi)有腐蝕痕跡并且有少量的水珠流出（見圖5、圖6）,水珠不斷地集聚在安全閥的腔體內(nèi),形成潮濕腐蝕環(huán)境。

圖5 安全閥出口處的腐蝕情況

圖6 出口處有水珠流出

3 腐蝕產(chǎn)生的原因分析

3.1 運行情況調(diào)查

查看站內(nèi)運行記錄,設備運行正常,無異常現(xiàn)象記錄。正常情況下,安全閥腔體及出口管線應保持干燥,只會出現(xiàn)輕微的自然腐蝕。查看其工藝流程及安裝位置,符合標準要求。

經(jīng)詢問站內(nèi)作業(yè)人員了解到,該站在2020年的一次管道通球清管作業(yè)時,由于通球卡堵,解堵作業(yè)采用泵車注水加壓的方式提高管道內(nèi)壓力,推動通球到達收球筒,由于作業(yè)時不慎,產(chǎn)生水擊效應,造成管道內(nèi)壓力迅速升高,收球筒安全閥、單井管道安全閥及主管道安全閥全部開啟,大量的油水混合物通過安全閥出口排入地排罐內(nèi),由于液位沒有超過警戒上限位,因此罐內(nèi)介質(zhì)長期沒有進行回收處理。

在現(xiàn)場勘察及解體修理中,發(fā)現(xiàn)有3只安全閥出現(xiàn)過超壓起跳現(xiàn)象,腔體內(nèi)及出口處有原油泄漏后的痕跡,見圖7、圖8,也證明了這次作業(yè)引起安全閥超壓起跳事件發(fā)生。

圖7 安全閥腔體內(nèi)的原油

圖8 出口管道內(nèi)的原油

同時受新冠肺炎疫情的影響,當?shù)夭扇》忾]管理,2020年度未能按規(guī)定開展安全閥年度校驗工作,到本次校驗間隔時間為26個月。

3.2 地排罐及呼吸閥檢查

●3.2.1 現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查地排罐,液位顯示為正常狀態(tài),罐內(nèi)液位不到滿液位的1/4,儲罐上壓力傳感器無數(shù)字顯示,不能準確確定其內(nèi)部壓力。后手動打開放空管道閥門目視可見有氣體排出,正常工作狀況呼吸閥會及時地排出罐內(nèi)的氣體與外界保持壓力平衡,放空管內(nèi)不應有大量氣體排出,與其相連接的管道及安全閥腔體內(nèi)也不應產(chǎn)生水等腐蝕介質(zhì),校驗其他相同工況的集輸站的安全閥也未出現(xiàn)此種情況,初步確定地排罐上單向呼吸閥已失效。

●3.2.2 呼吸閥的作用

呼吸閥是指既保證貯罐空間在一定壓力范圍內(nèi)與大氣隔絕,又能保證其在超過或低于此壓力范圍時與大氣相通（呼吸）的一種閥門。其作用是防止貯罐因超壓或真空導致破壞,同時可減少貯液的蒸發(fā)損失。主要由閥座、閥罩、保護罩及由真空和壓力控制的2組啟閉裝置組成。啟閉裝置包括閥瓣、導桿、彈簧、彈簧座及密封環(huán)等。當罐內(nèi)壓力達到額定呼出正壓時,壓力閥瓣開啟,罐內(nèi)蒸氣排出；當罐內(nèi)真空度達到額定吸入負壓時,真空閥瓣開啟,空氣進入。[2]其原理是利用正負壓閥盤的重量來控制儲罐的排氣正壓和吸氣負壓；當往罐外抽出介質(zhì),使罐內(nèi)上部氣體空間的壓力下降,達到呼吸閥的操作負壓時,罐外的大氣將頂開呼吸閥的負壓閥盤,外界氣體進入罐內(nèi),使罐內(nèi)的真空度不再繼續(xù)下降,罐內(nèi)與罐外的氣壓將維持平衡,保護儲罐的安全運行。

●3.2.3 呼吸閥失效原因分析

觀察地排罐上的呼吸閥,發(fā)現(xiàn)其上的連接管道出口有原油噴出痕跡,分析應為清管作業(yè)時安全閥起跳后大量的原油、伴生氣和水的混合物進入罐內(nèi),造成地排罐內(nèi)瞬間壓力升高導致油氣水混合物從呼吸閥出口噴出,致使呼吸閥內(nèi)正負壓閥盤上沾染大量油污,進而造成閥盤與閥盤之間粘連,導致呼吸閥損壞失效無法正常工作,其內(nèi)部產(chǎn)生的混合蒸氣也就無法及時排出。

因現(xiàn)場條件所限,不能及時更換該呼吸閥,只能采取打開放空閥排除多余氣體的應急措施,待購置后及時更換。

3.3 安全閥腔體內(nèi)水產(chǎn)生原因

為何地排罐呼吸閥失效損壞,會在安全閥腔體內(nèi)產(chǎn)生水跡,這與當?shù)氐淖匀画h(huán)境有很大的關系,該油田所在地為熱帶草原性氣候特征,全年高溫且晝夜溫差大,白天最高氣溫達43 ℃,太陽直射地表溫度可高達70 ℃以上,而夜間最低溫度降到20 ℃左右,白天油水混合物在熱量的作用下蒸發(fā)成霧氣,由于呼吸閥功能失效,排空罐內(nèi)產(chǎn)生的水汽不能及時向外排空,只能充滿管道及各個安全閥的腔體。

由水的三相圖（如圖9所示）可知,如果其溫度及水分壓的坐標在水相圖中OA線之下,則兩節(jié)點間不會出現(xiàn)游離水,也就意味著節(jié)點間的設備不會發(fā)生腐蝕；如果溫度及水分壓的坐標在水相圖中OA線之上,則兩節(jié)點間可能會有游離水出現(xiàn)。[3]白天隨著溫度的增高,儲罐內(nèi)水蒸氣的分壓不斷增高,當氣溫降低,罐內(nèi)壓力降低,飽和蒸汽冷凝析出游離水流入安全閥腔體內(nèi)聚集。

圖9 水的三相圖

3.4 腐蝕產(chǎn)生原因分析

●3.4.1 自然條件下的主要腐蝕類型

在自然條件下,各類金屬都會發(fā)生不同程度的腐蝕情況,主要的腐蝕類型為化學腐蝕和電化學腐蝕,化學腐蝕即金屬表面與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕；電化學腐蝕即金屬材料（合金或不純的金屬）與電解質(zhì)溶液接觸, 通過電極反應產(chǎn)生的腐蝕。電化學腐蝕發(fā)生的3個必備條件：1）不同金屬間必須存在電化學反應；2）金屬間必須有電接觸點；3）金屬必須暴露在同一電解質(zhì)中。[4]

●3.4.2 本案例為典型的電化學腐蝕

從解體的情況（見圖10）來看,此類型的安全閥閥體、下壓盤及下彈簧座材質(zhì)為WCB型鑄鋼,閥瓣、閥桿及導向套材質(zhì)為316型不銹鋼（見圖11）,屬于不同材質(zhì)的金屬組合構件,兩者之間存在電位差；閥桿與彈簧、上下彈簧座嚴密接觸,形成正負電極；因安全閥腔體內(nèi)有游離水的存在,形成電解質(zhì),在一定的條件下即可產(chǎn)生電化學腐蝕。

圖10 安全閥各部分組件

圖11 不同材質(zhì)的組合件

用下列反應式表示鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕的過程：

負極：2Fe-4e-=2Fe2+

正極：2H2O+2Fe2++O2+4e-=2Fe(OH)2

總反應式：2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2

Fe(OH)2繼續(xù)與空氣中的O2作用：

4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3

2Fe(OH)3脫去一部分水后生成Fe2O3·xH2O,即鋼鐵腐蝕后的主要產(chǎn)物。[5]

自然界中空氣相對濕度越高,金屬表面水膜越厚,空氣中的氧透過水膜到金屬表面作用越強。相對濕度達到一定數(shù)值時,腐蝕速度大幅上升,這個數(shù)值稱為臨界相對濕度,鋼的臨界相對濕度約為70%。同時環(huán)境溫度與相對濕度關聯(lián),干燥的環(huán)境（沙漠）下,即使氣溫較高,金屬也不容易銹蝕。當相對濕度達到臨界值時,溫度的影響明顯加劇,溫度每增加10 ℃,銹蝕速度提高1倍。[4]因此,在濕熱帶或雨季,氣溫越高,銹蝕越嚴重。當?shù)氐臍夂蛱卣髡洗朔N情況,安全閥腔體內(nèi)部在高溫積水潮濕的環(huán)境下,在電化學腐蝕的作用下使彈簧、彈簧座和下壓盤的腐蝕加劇。

隨著時間的推移,腐蝕產(chǎn)物不斷積累在兩者之間,最終造成閥桿、導向套與彈簧底座粘連,閥桿無法上下移動,致使該站內(nèi)的所有單井管線安全閥拒動失效。

4 措施及建議

4.1 解體維修

拆除站內(nèi)所有安全閥,解體清理閥桿與彈簧座、導向套間的銹蝕,用研磨膏研磨閥桿至光滑,加注潤滑油脂,重新裝配后離線調(diào)整至設置開啟壓力。

4.2 開展地排罐及呼吸閥排查

定期對油田內(nèi)部的所有地排罐及呼吸閥的工作情況開展一次檢查,及時清理地排罐內(nèi)的油水混合物,如呼吸閥損壞應及時更換,保證呼吸順暢,使罐內(nèi)混合蒸汽能及時排出,減少管道及安全閥腔體內(nèi)蒸汽的聚集,防止因腐蝕造成安全閥拒動失效的事件再次發(fā)生。

4.3 做好安全閥日常檢查及定期檢驗

定期檢查安全閥的工作情況,出現(xiàn)異常起跳要及時查明原因,同時檢查起跳后有無泄漏跡象,如有應及時更換或檢修。為保證安全閥可靠靈敏,每年至少進行1次定期校驗,設備運行過程中異常開啟后應及時校驗。

5 結束語

安全閥在運行過程中,由于設備內(nèi)部介質(zhì)、工況條件及外部環(huán)境等物理和化學因素的作用,其內(nèi)部構件可能會發(fā)生化學腐蝕或電化學腐蝕,造成安全閥的整定壓力和密封性能發(fā)生改變,導致其不能按規(guī)定的整定壓力準確開啟或在使用中發(fā)生泄漏,進而造成安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。使用單位應嚴格按相關規(guī)定進行日常檢查維護及定期校驗,及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)整定壓力超差、拒動失效和密封不嚴等問題的安全閥,必須采取更換、解體維修、重新校驗等措施,從而保證承壓類特種設備的安全穩(wěn)定運行。