高含硫氣田集氣站原料氣分離器密封的修復(fù)

楊 林，何培東，劉博強，林萬洲，韓榮學(xué)

(中國石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川 成都 610021)

某高含硫氣田GSB站第3列原料氣分離器設(shè)備位號為F-020701-3，生產(chǎn)廠家為加拿大ESF公司。該容器為立式固定壓力容器，屬于第Ⅱ類中壓容器，制造日期是2011年8月，2015年12月投用。頂部封頭采用快開盲板結(jié)構(gòu)(見圖1)，密封圈采用浮動唇形密封圈。其工藝流程如下：從井場接收的含硫濕氣通過重力分離器處理后，含硫濕氣混合送往過濾分離器中過濾，過濾處理之后的濕酸氣送往三套并列運行的TEG 脫水裝置的原料氣分離器，以除去濕酸氣中的大部分液滴和固體雜質(zhì)，經(jīng)過原料氣分離器處理后的濕酸氣進入TEG吸收塔。

1 原料氣分離器密封泄漏[1，2]

2020年5月，對原料氣分離器進行濾芯更換作業(yè)。更換完濾芯，回裝封頭后試壓，發(fā)現(xiàn)密封圈出現(xiàn)泄漏，取下密封圈后發(fā)現(xiàn)，密封圈骨架彈簧剝離(見圖2)。重新更換新的密封墊后，于次日對設(shè)備進行試壓，再次發(fā)生泄漏。泄壓后打開原料氣分離器快開盲板，發(fā)現(xiàn)密封凹槽內(nèi)安裝的密封圈有一小段因受內(nèi)部高壓原料氣擠壓而變形(見圖3)。取下密封圈檢查發(fā)現(xiàn)，骨架彈簧剝離現(xiàn)象依然存在，且在密封圈擠壓變形處發(fā)現(xiàn)密封圈彈簧的定位面高度方向有腐蝕減薄現(xiàn)象，經(jīng)過現(xiàn)場測量，定位面腐蝕減薄發(fā)生在東側(cè)方向，約1/3圈。

圖1 快開盲板結(jié)構(gòu)

圖2 密封圈骨架彈簧剝離

圖3 密封圈擠壓變形

經(jīng)查看現(xiàn)場，結(jié)合密封圈骨架彈簧剝離的情況，判斷原料氣分離器快開盲板密封發(fā)生泄漏的原因如下：密封圈彈簧的定位面高度方向有腐蝕減薄，不能對內(nèi)徑為4mm的唇形密封圈彈簧提供足夠的定位支撐力。當(dāng)原料氣分離器進氣升壓時，原料氣壓力作用在唇形密封圈唇口，并通過平壓孔作用在密封圈的馬鞍形底部，隨著壓力不斷增高，唇形密封圈向上有一定浮動。密封槽彈簧定位面給予密封圈彈簧的支撐力與原料氣作用在唇形密封圈上的壓力不在同一平面，形成的剪切力不斷增大(見圖4)，導(dǎo)致骨架彈簧從密封圈剝離、變形，從而使快開盲板密封發(fā)生泄漏。

圖4 浮動唇形密封圈橫截面受力示意

唇形密封圈彈簧的定位面高度方向腐蝕減薄的原因分析如下：原料氣分離器封頭密封槽外側(cè)排水孔長期堵塞未疏通，導(dǎo)致雨水在腐蝕減薄面少量積聚；未徹底清理干凈的原料氣雜質(zhì)隨著雨水掉落至腐蝕面，同時快開盲板密封一直有非常微小的泄漏，酸性氣體進入積聚的少量雨水中，造成酸性腐蝕；原料氣雜質(zhì)、微小的泄漏酸氣與雨水形成酸性環(huán)境，共同作用下導(dǎo)致局部腐蝕。

3 密封修復(fù)方案[3]

原料氣分離器缺陷修復(fù)主要采用堆焊后機加工的方法，對東側(cè)方向約1/3圈范圍腐蝕減薄面進行局部修復(fù)，即對設(shè)備密封定位面高度方向(見圖4所示的腐蝕減薄面)進行補焊，然后進行消應(yīng)力熱處理，最后采用機加工的方式來徹底消除缺陷。

原料氣分離器密封修復(fù)工藝如下：密封面浮銹、雜質(zhì)清理→打磨→PT檢測→焊道打磨→PT檢測→消氫熱處理→預(yù)熱(溫度120℃)→補堆(層間溫度控制在200℃以內(nèi))→自然冷卻(預(yù)防延遲裂紋)→MT、PT檢測→焊后熱處理→焊接接頭硬度檢測(不大于200HBW)→機械加工→水壓試驗→氣密試驗。

4 修復(fù)過程問題處理[4-7]

4.1 密封面打磨擦傷

2020年8月27日開始，按修復(fù)方案進行打磨工作，為了防止在打磨過程中產(chǎn)生過多熱量，將砂輪片更換為磨頭，同時考慮磨頭材質(zhì)選擇與本體材質(zhì)成分相近，能避免污染密封面金屬。完成打磨后進行PT檢查，無裂紋缺陷，但檢查過程中發(fā)現(xiàn)外側(cè)密封面有4處打磨磨頭擦傷(見圖5)。經(jīng)現(xiàn)場查看、分析磨頭擦傷狀況，相對于密封槽外環(huán)密封面高度，其擦傷較小，但對密封效果有無影響無法評估，只有待修復(fù)完成后進行壓力試驗測試，故暫時未做處理。

圖5 磨頭擦傷處

4.2 快開盲板蓋密封面缺陷

在檢查快開盲板蓋密封面時，發(fā)現(xiàn)存在小沙眼、積碳、不平整的情況(見圖6)?，F(xiàn)場用細(xì)砂紙打磨，將積碳不平整清理，但密封面小沙眼無法清除。經(jīng)現(xiàn)場分析認(rèn)為：小沙眼獨立存在，密封面無貫穿性損傷；根據(jù)以往發(fā)生泄漏時的檢查后果，密封圈彈簧存在脫離現(xiàn)象，說明泄漏主要是由于彈簧定位面高度不夠?qū)е旅芊馊椈擅撾x，密封圈損壞發(fā)生泄漏。因此，決定密封面小沙眼不做徹底清除，現(xiàn)場采用粒度為600的油石條將密封面打磨光亮至Ra0.4。同時，檢查GSB站第1、2列原料氣分離器快開盲板蓋密封面，發(fā)現(xiàn)其有相同小沙眼的情況，但第1、2列原料氣分離器未發(fā)生過密封泄漏，進一步驗證了現(xiàn)場分析結(jié)果。

圖6 快開盲板蓋密封面缺陷

4.3 堆焊高度不足

原料氣分離器堆焊完成后，現(xiàn)場技術(shù)人員、機加工人員、焊工對堆焊厚度進行了肉眼觀察，厚度2～3mm，判斷無問題。但機加工人員利用可移動車床對密封圈彈簧圓弧定位面進行機加工作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)圓弧定位面未堆焊側(cè)刀具已經(jīng)車到，而圓弧定位面堆焊側(cè)刀具不能車到，判斷堆焊側(cè)堆焊高度不足。

組織相關(guān)人員進行現(xiàn)場查看、分析判斷，認(rèn)為其原因為堆焊過程中腐蝕減薄面與圓弧定位面相交的棱角熔化，產(chǎn)生咬邊，導(dǎo)致棱角處堆焊高度不足(見圖7)。討論后決定繼續(xù)堆焊，并在堆焊完成后進行數(shù)據(jù)測量；針對可移動車床安裝。要求安裝支撐點打磨干凈，調(diào)校中心時以密封槽內(nèi)側(cè)密封面為基準(zhǔn)，保證可移動車床旋轉(zhuǎn)中心與原料氣分離器密封槽中心一致。

圖7 要求堆焊與實際堆焊對比示意

繼續(xù)堆焊完成后，現(xiàn)場對腐蝕減薄面與圓弧定位面相交的棱角堆焊處在圓周方向選取10個點進行高度測量，厚度均在2～3mm之間，結(jié)果符合要求?？梢苿榆嚧舶惭b、調(diào)整中心到位后，密封槽圓弧定位面堆焊側(cè)刀具能夠車到。

4.4 腐蝕減薄面堆焊層劃傷

在機加工過程中，可移動車床刀具產(chǎn)生振動跳刀，造成已加工出的腐蝕減薄面堆焊層劃傷，出現(xiàn)多道劃痕，其中最深的一道寬約0.7mm，深約1mm，且處于密封圈骨架彈簧圓弧定位面邊緣。

分析腐蝕減薄面堆焊層劃傷原因如下：可移動車床旋轉(zhuǎn)臂與刀具夾具連接剛度不足，造成刀具與堆焊肉接觸時發(fā)生抖動；進刀速度由儀表風(fēng)壓力控制，速度過快。采取的措施如下：更換了刀具夾具的緊固螺栓；在機加工最后階段，進刀速度改為人工轉(zhuǎn)動可移動車床旋轉(zhuǎn)臂進行控制，防止振動跳刀；機加工完成后，對腐蝕減薄面堆焊層用粒度為400的油石打磨光滑(見圖8)。

圖8 腐蝕減薄面堆焊層打磨光滑

5 水壓試驗

原料氣分離器設(shè)計壓力為9.653 MPa(g)，正常工作壓力為8.1MPa(g)，根據(jù)相關(guān)規(guī)程并結(jié)合使用情況，選擇強度試驗壓力為設(shè)計壓力，保壓壓力為正常工作壓力。

采用試驗流程如下：設(shè)備與系統(tǒng)隔離→設(shè)備與試壓管道系統(tǒng)連接→設(shè)備灌水(在離密封面高度差約50mm時停止)→快開盲板安裝→檢查系統(tǒng)有無滲水漏水→啟動試壓泵逐步升壓→升壓至3MPa(g)，穩(wěn)壓10min(期間檢查是否泄漏)→升壓至6MPa(g)，穩(wěn)壓10min(期間檢查是否泄漏)→升壓至9.65MPa(g)，穩(wěn)壓30min→檢查壓力是否下降→降壓至8.1 MPa(g)，持續(xù)穩(wěn)壓24h(期間檢查是否泄漏)→檢查壓力是否下降。

5.1 第一次水壓試驗

壓力升至9.65MPa(g)，保壓0.5h后壓力無明顯變化。將壓力降至工作壓力8.1MPa(g)，保壓12h。次日早上檢查，發(fā)現(xiàn)壓力降至6.5MPa(g)。檢查原料氣分離器密封槽外側(cè)排水孔，一直有水滲出，判斷密封滲漏。泄壓打開快開盲板檢查，發(fā)現(xiàn)唇形密封圈骨架彈簧在未修補范圍內(nèi)有一小段(約50mm)出現(xiàn)擠出、變形現(xiàn)象。

分析原因如下：原料氣分離器密封腐蝕減薄面堆焊修補后，機加工唇形密封骨架彈簧圓弧定位面進刀量不足(因無法查找到密封槽尺寸原始數(shù)據(jù)，現(xiàn)場機加工只能采用未補焊位置作為參考基準(zhǔn)面，采取了保守進刀量)，造成整圈密封彈簧支撐圓弧面內(nèi)徑減小。安裝唇形密封圈時沒有異常顯示，一旦唇形密封圈受壓擴張，內(nèi)徑增大，骨架彈簧會從相對薄弱部位被擠出、變形(見圖9)。

圖9 唇形密封圈骨架彈簧擠出、變形

5.2 第二次水壓試驗

第二次水壓試驗采用國產(chǎn)唇形密封圈(內(nèi)徑稍小于原廠家密封圈)在8.1 MPa(g)持續(xù)穩(wěn)壓24h，水壓試驗合格。

6 氣密試驗

水壓試驗合格后進行氣密試驗，壓力確定為8.1MPa(g)，要求試驗用氣體的溫度不低于15℃；氣密試驗所用氣體應(yīng)為干燥、清潔的氮氣；原料氣分離器安全附件應(yīng)安裝齊全；試驗過程中，如發(fā)生異常聲音、壓力下降等現(xiàn)象，應(yīng)立即停止試驗，查明原因；升壓壓力穩(wěn)定后，才進行檢查；試驗結(jié)束后，應(yīng)緩慢泄壓。

采用試驗流程如下：設(shè)備與系統(tǒng)隔離→快開盲板安裝→設(shè)備與試壓管道系統(tǒng)連接→啟動供氮氣設(shè)備逐步升壓→升壓至3MPa(g)，穩(wěn)壓10min(期間檢查是否泄漏)→升壓至6MPa(g)，穩(wěn)壓10min(期間檢查是否泄漏)→升壓至8.1MPa(g)，穩(wěn)壓→持續(xù)穩(wěn)壓24h(期間檢查是否泄漏)→檢查壓力是否下降→試驗合格緩慢泄壓。

氣密試驗采用國產(chǎn)唇形密封圈，升壓至8.1 MPa(g)持續(xù)穩(wěn)壓24h，現(xiàn)場檢查無泄漏，水壓試驗合格。

7 結(jié)語

原料氣過濾分離器F-020701-3如果不能正常投用，會造成TEG系統(tǒng)污染嚴(yán)重、發(fā)泡，給生產(chǎn)操作帶來嚴(yán)重困難，甚至?xí)斐稍蠚獬稣舅饵c不合格。對此次密封面修復(fù)，前期制定了詳細(xì)的堆焊、機加工、水壓試驗、氣密試驗方案。從開始修復(fù)工作到氣密試驗合格，歷時21d，克服密封槽無原始數(shù)據(jù)、位置空間狹小、作業(yè)難度大等諸多困難，順利完成了密封面修復(fù)工作。進行了水壓及氣壓測試，在開產(chǎn)前的氦氮試驗中順利通過，同時試用國產(chǎn)化密封圈，自10月18日進氣投用至今運行正常，為某高含硫項目設(shè)備的長周期、穩(wěn)定運行提供保障，給企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。