高含硫天然氣用先導(dǎo)式安全閥頻繁起跳誘因分析與整改效果評(píng)價(jià)

楊林，蘭云霞，胡吉，羅國(guó)民，張俊良，趙云

中國(guó)石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司（四川 成都 610021）

某高含硫天然氣氣田，原料氣中H2S 平均含量為9.45%，集輸系統(tǒng)共有17 臺(tái)工藝介質(zhì)為原料氣的先導(dǎo)式安全閥，分別安裝在井站水套爐出口管線放空及集氣站過(guò)濾分離器和收發(fā)球區(qū)域，所處工況環(huán)境均為濕氣環(huán)境。在近年生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，因安全閥故障原因造成安全閥起跳頻繁。在歷次檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，主要是由于安全閥密封O型圈失效、導(dǎo)閥彈簧腐蝕斷裂等原因發(fā)生泄漏，導(dǎo)致安全閥起跳。由于工藝流程原因，部分安全閥一旦出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)處理難度大，甚至只能選擇停產(chǎn)檢修。安全閥頻繁故障導(dǎo)致硫化氫氣體外漏可能性增大，有可能引起硫化氫報(bào)警聯(lián)鎖關(guān)停裝置甚至造成人員傷亡。因此開(kāi)展高含硫天然氣用先導(dǎo)式安全閥頻繁起跳誘因分析，并對(duì)整改效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 先導(dǎo)式安全閥簡(jiǎn)介

集輸系統(tǒng)安全泄放由先導(dǎo)式安全閥、放空管線、放空分液罐、放空火炬4 個(gè)主要部分組成，當(dāng)裝置或管線工作壓力超過(guò)設(shè)定壓力后，先導(dǎo)式安全閥動(dòng)作，主動(dòng)進(jìn)行泄放工藝介質(zhì)至火炬系統(tǒng)，從而保證裝置及管線的完整性和現(xiàn)場(chǎng)安全[1]。

集輸系統(tǒng)采用的先導(dǎo)式安全閥，均為帶隔離氣室的先導(dǎo)式安全閥，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，隔離氣為清潔的氮?dú)?，正常工況下，導(dǎo)閥閥座區(qū)域和主閥氣室氮?dú)獠慌c工藝介質(zhì)接觸[2]。工作中依靠從導(dǎo)閥排出氮?dú)鈦?lái)驅(qū)動(dòng)或控制主閥，導(dǎo)閥本身是標(biāo)準(zhǔn)的彈簧直接載荷式安全閥。

圖1 帶隔離氣室的先導(dǎo)式安全閥簡(jiǎn)圖

2 故障統(tǒng)計(jì)

跟蹤統(tǒng)計(jì)先導(dǎo)式安全閥2020 年1 月至12 月全年故障檢修記錄，發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)式安全閥幾乎每月都有故障檢修，最多的一個(gè)月有9次，見(jiàn)表1。

從表1中數(shù)據(jù)得出，安全泄放系統(tǒng)17臺(tái)先導(dǎo)式安全閥月平均故障次數(shù)2.25次，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的安全性。從表1 中數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)閥和管路泄漏導(dǎo)致先導(dǎo)式安全閥起跳故障的次數(shù)均占48%以上，是先導(dǎo)式安全閥故障率高的癥結(jié)所在。

表1 2020年全年先導(dǎo)式安全閥故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 原因排查分析

從2021年先導(dǎo)式安全閥的故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)得出，導(dǎo)閥泄漏是導(dǎo)致安全閥故障率高的主要原因。因此，主要針對(duì)導(dǎo)閥及附屬管路，并結(jié)合安全閥歷次拆檢情況進(jìn)行原因排查。

3.1 導(dǎo)閥彈簧以及反饋活塞彈簧斷裂

對(duì)先導(dǎo)式安全閥拆檢發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)閥彈簧以及反饋活塞彈簧有斷裂現(xiàn)象（圖2）。如果導(dǎo)閥彈簧斷裂，則無(wú)法對(duì)導(dǎo)閥反饋活塞形成與工藝介質(zhì)壓力相反的作用力，導(dǎo)致反饋活塞向上運(yùn)動(dòng)，氮?dú)馀欧?，壓力降低，安全閥起跳。如果反饋活塞彈簧斷裂則會(huì)造成反饋活塞在動(dòng)作時(shí)失去反饋?zhàn)饔?，?dǎo)致安全閥平穩(wěn)性下降[3-5]。

圖2 導(dǎo)閥彈簧斷裂情況

查閱彈簧材質(zhì)并聯(lián)系先導(dǎo)式安全閥生產(chǎn)廠家咨詢(xún)彈簧使用壽命，判斷這種斷裂是一種不正常狀況。將斷裂彈簧外送至某酸性油氣田材料評(píng)價(jià)與腐蝕控制中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得出是濕硫化氫環(huán)境下造成的應(yīng)力腐蝕斷裂。但是在安全閥正常工藝條件下，導(dǎo)閥彈簧以及反饋活塞彈簧均不與原料氣接觸，導(dǎo)閥為大氣環(huán)境，反饋活塞彈簧為氮?dú)猸h(huán)境。出現(xiàn)這種情況，只能是導(dǎo)閥內(nèi)部密封發(fā)生了泄漏，導(dǎo)致含有H2S 的濕原料氣進(jìn)入了導(dǎo)閥閥座和彈簧區(qū)域。

3.2 先導(dǎo)閥密封O型圈破損

先導(dǎo)式安全閥內(nèi)部工藝介質(zhì)與大氣、工藝介質(zhì)與氮?dú)?、氮?dú)馀c大氣之間的密封均采用橡膠O型圈，在拆檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)密封O 型圈有破損現(xiàn)象，如圖3所示。O型圈損壞會(huì)導(dǎo)致先導(dǎo)式安全閥內(nèi)部密封不嚴(yán)，如氮?dú)馀c大氣之間的密封泄漏，則會(huì)導(dǎo)致氮?dú)馔饴?，壓力持續(xù)下降，到一定程度后引起安全閥起跳。如工藝介質(zhì)與大氣之間的密封泄漏，則會(huì)造成原料氣外漏，進(jìn)入彈簧區(qū)域并外漏到大氣環(huán)境，根據(jù)漏量大小輕則腐蝕損壞導(dǎo)閥彈簧，安全閥起跳；重則導(dǎo)致觸發(fā)H2S 報(bào)警，引發(fā)安全事故。如工藝介質(zhì)與氮?dú)庵g的密封泄漏，則會(huì)造成原料氣污染氮?dú)猸h(huán)境，引起安全閥內(nèi)部件發(fā)生濕硫化氫環(huán)境下的腐蝕損壞。

圖3 先導(dǎo)閥密封O型圈損壞情況

針對(duì)密封O型圈破損情況，首先對(duì)O型圈尺寸、安全閥檢修質(zhì)量、維修記錄進(jìn)行了調(diào)查確認(rèn)，確認(rèn)了O 型圈尺寸、安裝都符合要求。將破損O 型圈與新的備件O 型圈進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用后的破損O 型圈材質(zhì)變硬，外送至某酸性油氣田材料評(píng)價(jià)與腐蝕控制中心進(jìn)行分析。根據(jù)對(duì)破損O 型圈材質(zhì)、硬度和硫化氫環(huán)境測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析認(rèn)為送檢的橡膠密封圈經(jīng)紅外光譜測(cè)試為氫化丁晴橡膠（HNBR）材質(zhì)，密封圈材質(zhì)與硫化氫環(huán)境的不適應(yīng)導(dǎo)致了密封圈開(kāi)裂損壞[6]。

3.3 安全閥附屬管路泄漏

現(xiàn)場(chǎng)檢查先導(dǎo)式安全閥附屬管路的連接情況，發(fā)現(xiàn)主閥與導(dǎo)閥之間，導(dǎo)閥與氮?dú)馄恐g管件閥門(mén)采用螺紋連接點(diǎn)較多，如果任意一處連接接頭發(fā)生外漏，安全閥內(nèi)部氮?dú)舛紝o(wú)法保壓，當(dāng)壓力降低到一定程度后，現(xiàn)場(chǎng)操作人員如沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)（通過(guò)氮?dú)馄繅毫Ρ?，如圖4 所示），將由于氮?dú)鈮毫Σ蛔阋鸢踩y起跳?，F(xiàn)場(chǎng)用驗(yàn)漏液對(duì)17 臺(tái)先導(dǎo)式安全閥氮?dú)夤苈愤B接處進(jìn)行泄漏檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有泄漏情況。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)減壓閥壓力指示

根據(jù)查閱安全閥歷史起跳故障統(tǒng)計(jì)，維護(hù)人員更換氮?dú)馄坎僮鬟^(guò)程中經(jīng)常會(huì)因附屬管路泄漏引發(fā)安全閥起跳。按照操作規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)氮?dú)馄繅毫Φ陀诠に嚱橘|(zhì)工作壓力1.5 MPa 時(shí)，則按要求更換氮?dú)馄?，更換氮?dú)馄啃枰獙?duì)連接管路進(jìn)行泄壓操作，很容易引起先導(dǎo)式安全閥內(nèi)部氮?dú)鈮毫Σ蛔?，?dǎo)致安全閥起跳[7]。

綜上所述，最終排查分析出造成集輸系統(tǒng)先導(dǎo)式安全閥故障起跳的根本原因有2 條：一是安全閥密封O 型圈不適用于高含硫天然氣環(huán)境；二是安全閥附屬管路設(shè)計(jì)不合理，在更換氮?dú)馄窟^(guò)程中容易發(fā)生泄漏。

4 整改措施

4.1 優(yōu)化安全閥密封件材質(zhì)

高含硫天然氣中選用橡膠密封圈首先要考慮橡膠能夠耐受高濃度硫化氫介質(zhì)的腐蝕，參照GB/T 34903.2—2017《石油、化工與天然氣工業(yè)與油氣開(kāi)采相關(guān)介質(zhì)接觸的非金屬材料第2 部分：彈性體》表C.1常用彈性體材料的特性，根據(jù)安全閥密封O型圈使用工況，選擇氟橡膠材質(zhì)。要求供應(yīng)商對(duì)密封O型圈進(jìn)行老化試驗(yàn)、硫化氫環(huán)境測(cè)試實(shí)驗(yàn)，提供相應(yīng)測(cè)試報(bào)告[8-10]。

4.2 優(yōu)化安全閥附屬管路配置

考慮更換氮?dú)馄繒r(shí)需對(duì)連接管線進(jìn)行泄壓操作，易造成先導(dǎo)式安全閥內(nèi)部氮?dú)鈮毫Σ蛔闱闆r，在附屬管路泄放閥前增加切斷閥，更換氮?dú)馄繒r(shí)，先關(guān)閉切斷閥，保證安全閥內(nèi)氮?dú)鈮毫Ψ€(wěn)定（圖5）。查詢(xún)先導(dǎo)式安全閥附屬管路規(guī)格，選擇直徑為12 mm，壓力等級(jí)為34.47 MPa（5 000 psi），型號(hào)為SS-1RS6螺紋卡套式針型閥安裝在泄壓閥前的水平管段。

圖5 先導(dǎo)式安全閥氮?dú)夤苈吩黾忧袛嚅y前后對(duì)比

5 結(jié)論

集輸系統(tǒng)17 臺(tái)工作介質(zhì)為原料氣的先導(dǎo)式安全閥經(jīng)過(guò)對(duì)密封件材質(zhì)優(yōu)化升級(jí)，并于2021年5月全部完成安全閥附屬氮?dú)夤苈放渲脙?yōu)化改造后，至今未發(fā)生一起因安全閥本身泄漏原因造成的起跳事故，提升了高含硫天然氣用先導(dǎo)式安全閥的運(yùn)行可靠性。引起先導(dǎo)式安全閥內(nèi)部密封失效的因素較多，密封圈材質(zhì)的選擇、附屬管路的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)安裝、操作維護(hù)等任何環(huán)節(jié)發(fā)生問(wèn)題，都有可能導(dǎo)致密封失效，從而引發(fā)安全閥起跳事故。需要從多方面、多角度去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)分析原因，針對(duì)性去解決，在工作中不斷總結(jié)，提高高含硫天然氣集輸系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理水平。