高含硫天然气压缩机的设计和应用-行业资讯

核心提示：刘虎厂长、李德禄总工程师带领的中国石油天然气集团公司四川石油管理局成都天然气压缩机厂的技术团队，多年来紧密结合基层单位的运行实际，着力研发服务于油气田的高含硫天然气压缩机，技术成果丰硕，节能业绩斐然，为我国油气田的开发和运营作出了重要贡献
关键字：高含硫天然气压缩机设计应用
概述
西南油气田分公司川西北气矿雷三气藏天然气H2S含量7.08%，是国内H2S含量较高气藏之一，且含量烃3.5%，CO24.8%，凝析油 60g/m3。经过20余年的开采，压力衰减，产量下降，低压天然气不能进入集气管网，需采用压缩机增压。2000年，根据川西北矿区提出的技术要求，成都天然气压缩机厂设计制造了两台ZTY440MH9×9整体式天然气压缩机组(工况为：进气压力1～2.8MPaG，排气压力3.2～4MPaG)用于雷三气藏衰减气井含硫天然气的增压。该两台机组于2001年3月投入生产运行，至今已达5个年头，机组经受住了高含硫天然气的考验，抗硫效果明显。机组与天然气直接接触的零部件，如压缩缸、活塞、活塞杆、工艺管线等，没有因硫化氢的腐蚀而损坏现象，但运转初期，气阀弹簧，滑动轴承寿命短，出现弹簧断裂，轴承合金层脱落等。通过与采气作业区的技术人员和操作工人的共同探索，已基本解决了滑动轴承、气阀弹簧的寿命问题，使机组能稳定的运行在高含硫天然气的增压中。回顾ZTY440整体式天然气的设计制造和现场运行过程，说明我厂压缩机防止硫化氢腐蚀专有技术是成功的。下面就硫化氢的腐蚀机理，压缩机制抗硫设计、制造、现场运用等作一简述，期望对含硫气藏地面工艺设备的防腐问题起到抛砖引玉的效果，更好的保证高含硫气用天然气压缩机的可靠性、安全性。
硫化氢的腐蚀机理
硫化氢是强毒性的，是天然气开采中最严重的腐蚀剂，其对钢材腐蚀的形式有全面腐蚀和硫化物应力腐蚀开裂。硫化氢所造成的全面腐蚀，其特征是腐蚀产物具有成片、分层、易碎、气孔及附着力差，呈层状剥落，导致设备壁厚减薄。硫化物应力腐蚀开裂是当硫化氢腐蚀钢材时，在阴极区产生大量的氢，氢的产生受下列两个反应的速度所控制
H＋→→H (1)
H→→1/2H2 (2)
存在硫化氢的情况下式(2)若受到抑制，则在钢材表面上将集聚大量的氢原子，在一般情况下，氢原子结合成氢分子的速度很快，只有少量的氢原子向钢材内部扩散，但由于硫化氢的存在，氢原子结合成氢分子的速度会显著减慢，大量的氢原子向钢材内部扩散，而被金属内部缺陷处或空隙处所形成的隐阱捕集，继而结合成氢分子，在钢材内部产生巨大的内应力，使钢材脆化或开裂。其特征是属于低应力的破坏，多发生在设备使用初期，甚至在无任何预兆下，几十小时几十天内突然发生。开裂的断口无塑形变形，呈脆性破坏。
压缩机的抗硫设计和制造
早在1993年，成都天然气压缩机厂首次生产的ZTY整体式天然气压缩机用于川东卧龙河含硫天然气时，即对压缩机的抗硫问题作业重大科技项目进行研究探索，并将技术成果实施于该压缩机中，使机组运行至今未出现硫化氢的应力腐蚀开裂损坏。在不断总结经验的基础上，2000年又设计制造了两台ZTY440整体式天然气压缩机，用于高含硫的雷三气藏。根据硫化氢应力腐蚀开裂的因素，对压缩机的抗硫设计和制造有如下经验和体会。
一、压缩机设计符合AP111P《油气生产用配套往复式压缩机规范》的规定，材料选用符合MR0175-2000《油气设备用抗硫化物应力开裂的金属材料》的规定。
二、压缩缸、活塞、中体等铸铁件直接与天然气接触，其抗硫性能对整机的可靠性和安全性影响极大，通过多年的研究和摸索，研制出了我厂独有的抗硫铸铁。其一是在铸件加入一定的对抗硫有效的Cr、Mo、V、Ti等合金成分；其二是控制铸铁的显微组织，通过适当的热处理工艺，使铸铁的显微组织为回火素氏体(铁素体+ 球状碳化物)以获得抗硫化氢应力腐蚀开裂的良好性能；其三是合理先进的浇铸工艺，确保铸件无夹渣、气孔、疏松等缺隐，以避免氢原子的捕集。
三、材料的极限强度(或硬度)升高，材料对硫化氢应力腐蚀开裂的敏感性越大，因此，在压缩机设计中和制造中，严格控制了与天然气直接接触的零件强度极限不超过6200Kg/cm²，或硬度不超过HRC20～22。
四、工艺管线、压力容器等焊接构件，均采取保温缓冷和焊后适当的热处理，消除焊缝及热影响区的不良组织和残余应力，使硬度HRC≤22，和确保焊缝无未焊透、气孔、裂纹、夹渣、咬边等缺陷。且焊缝的机械强度及冷变形均不低于母体金属，有效地降低硫化氢应力腐蚀开裂的敏感性。
五、避免零件表面的机械损伤，因而机械伤痕容易生产应力集中和残余应力，是硫化氢应力腐蚀开裂的起爆口。
综上所述，压缩机的抗硫设计，就是在含硫天然气的环境下，为预防硫化氢应力腐蚀开裂而进行的设计，它包括选材、抗硫方法、抗硫结构设计、抗硫强度设计及抗硫加工方法等。
ZTY440MH9×9天然气压缩机的现场运用
压缩机的抗硫除设计和制造外，还与正常运转时的防蚀管理，异常运转的早期排除、维修、保养、监控、开、停车密切相关。两台ZTY440天然气压缩机在雷三增压站自2001年投产运行以来，雷三增压站的操作和管理人员，充分认识了压缩机的高含硫恶劣工作环境，逐步建立和完善了一系列压缩机维修、运行、操作故障处理等规章制度，加强了硫化氢应力腐蚀的教育，切实抓好压缩机的科学操作与检修，确保压缩机长期安全运转和生产的正常进行。
一、建立健全压缩机设备的技术档案
雷三增压站管理人员建立了下述压缩机技术档案：①压缩机主要系统、零部件图册；②压缩机主要技术参数及其性能曲线；③主要零部件的用材牌号、化学成分、机械性能、耐腐蚀性能；④压缩机安装和质量检验记录；⑤压缩机缺陷和事故处理记录；⑥压缩机的检修方案、检修记录和更改记录以及检修工作总结；⑦压缩机的运行纪录，通过上述记录，更好了解设备的历史，掌握规律，取得防腐工作主动权。
二、操作管理
严格的工艺操作和良好的管理，对于压缩机性能的发挥和自长使用寿命至关重要，为此，雷三增压站就压缩机的安装调试，操作使用，维护检修，安全技术制定了一系列措施和管理办法，并严格实施，取得了良好效果，为含硫天燃气设备的防腐、安全使用取得了较好的经验。
三、掌握影响硫化氢腐蚀的因素，采取相应的措施，确保高含硫天然气设备的安全运行。
1.PH值的影响：
含硫天然气中，随PH值的降低，其对钢材的腐蚀性加剧，材料对硫化氢应力腐蚀开裂的敏感性增强，特别当PH值小于6时，材料对硫化氢应力腐蚀开裂特别敏感。
2.温度的影响
当温度高于室温时，随着温度的升高，材料对硫化氢应力腐蚀开裂的敏感性降低，大约在室温左右，材料的硫化氢应力腐蚀开裂最为严重。
3.压力的影响
压力增高，硫化氢的分压增加，在溶液中的深解度加大，同时，氢向钢中的扩散速率也增大，从而促进钢材的应力腐蚀开裂。
4.浓度
硫化氢浓度愈高，材料至开裂的时间也愈短，反之，硫化氢浓度愈低，材料至开裂的时间也愈也。
5.液态烃
在烃一水相和气一液相界面，硫化氢对钢材产生严重的局部腐蚀。
6.雷三气藏天然气中不但含硫化氢高，且含二氧化碳，一般在20～90℃的条件下二氧化碳加速硫化氢对材料的腐蚀，因为介质的PH值取决于二氧化的含量。
根据以上所述，在压缩机使用中，控制影响硫化氢的腐蚀因素，采取相应的措施，更有效地保证设备的安全运行。
四、压缩机运行中出现的故障原因分析及处理。
任何机械设备，在使用中，都可能出现这样或那样的故障。ZTY440MH9×9天然气压缩机也不例外。自2001年4月该机组在雷三增压站投产运行以来，曾出现过场站管线振动厉害，空冷器泄漏，气阀弹簧早期断裂，阀片损坏，主轴承马氏合金脱层等，但雷三增压站的运行人员，检修人员、管理人员加强了对故障的管理，密切配合制造厂，对故障原因进行分析，采取了有效的改进措施，消除了故障，使机器得以可靠、安全的运行。
1.场站管线振动问题
初期，增压站与压缩机连接的进、排气管线，90°直弯多，从空中布置，且支撑不牢固，由于气流的脉动，造成管线振动很大，通过与设计院协商，将空中布置的管线埋地，减少弯道，需要转变处采用大半径的弯头，且加强了管线的支撑和固定。消除了站内管线振动大的问题。
2.气阀弹簧、阀片损坏问题
压缩机是否能够更合理、更有效、更经济地工作，很大程度上取决于气阀的结构和性能。缘于此，气阀也被称作压缩机的心脏。2001年4月两台ZTY440机组投产运行时，短的200小时，长的不到600小时，气阀弹簧就断裂，阀片损坏，经对损坏的弹簧、阀片进行化学成份分析，金属性能分析，强度分析，发现弹簧、阀片的材质，强度均不满足抗硫要求。咖外雷三含硫天然气还含凝析油，造成液击，损坏气阀，成都天然气压缩机厂联合上海贺尔碧格有限公司，针对雷三气藏天然气的特性研究攻关，重新设计制造了适应高含硫天然气的气阀。该气阀弹簧采用镍基合金，阀片采用塑料阀片，阀座、限制器进行回火处理，使其具有耐硫化氢腐蚀的能力，并设计了阻止异物和液体进入气阀的结构。该新型气阀从2002年3月使用至今，再未出现气阀弹簧，阀片早期损坏的情况。
3.空冷器泄漏问题
压缩机运行初其，空冷器冷却管束与管板箱连接处曾发生泄漏，分析其原因是管子与管箱胀紧不到位。采取重新胀紧的措施，解决了空冷器泄漏问题。
4.主轴承巴氏合金脱落问题
从2003 年3月到2005年6月，两台ZTY440机组曾多次发生第二、三道主轴承马氏合金脱落、表面发黑故障，轴承平均寿命只有4000小时左右。曾对主轴承的同轴度、润滑油等采取过措施，无明显效果。深入分析原因，一是ZTY440机组各道主轴承承受的负荷不是均匀的，二三道主轴承承受的负荷比一四道主轴承重；在机组满负荷运行或发生爆燃敲缸时，首先使二三道主轴承合金疲劳剥落，这说明轴承合金材料的疲劳强度不够，二是高含硫的天然气少量窜入油池腐蚀合金层，使其表面发黑，加速剥离。三是主轴承靠压缩端30主范围内是轴承受力方向的转变区，这时曲轴紧靠此区域，间隙变小，负荷集中，产生混合偏磨，进而导致合金层剥落。根据上述原因，成都天然气压缩机厂和轴瓦生产厂家就ZTY天然压缩机主轴瓦的设计，合金成份的选择，配比，浇铸和制造工艺进行了研讨，在提高轴瓦的疲劳强度和防硫化氢的腐蚀上采了了有效的措施，并根据主轴承靠飞溅润滑的特点，适当加大了轴承间隙。新设计制造的主轴瓦从2005年6月运行至今，没有发现合金层剥落现象。
5.ZTY440MH9×9天然气压缩机组的改进
ZTY440MH9 ×9天然气压缩机在雷三增压站使用中，超速控制、调速器、点火系统、空气滤清器是传统式结构，技术落后，且存在一定的安全隐患。2005年9月，对上述部分进行改造。一是将机组原有的转速表更换为具有数据远传功能的转速表，转速信号引入DCS系统，并安装点火系统高压接地保护，实现DCS系统和原机械超速装置联锁，达到双重停机保护；二是将人为因素大，可靠性差的机械调速器更换为自动控制WoodwardTG-13液压调速器；三是将非屏蔽的点火系统更换为屏蔽式点火系统以适应天然气危险环境；四是将油浴式空气滤清器更换为干式沙漠空气滤清器，以减少空气进气阻力和润滑油进入发动机气腔。
经过以上故障原因的分析和处理，以及对压缩机的改进，使机组安全性，可靠性得到了进一步提高，使机组运行率达到96%。保证了天然气增压集输任务的完成。
结束语
ZTY 整体式天然气压缩机在雷三增压站运用，经受了高含硫恶劣环境的考验，开创了适应高含硫天然气压缩机的先例。通过对故障的分析处理和改进，加深了对硫化氢腐蚀机理，主要类别和特征的认识，积累和丰富了压缩机设计、制造、使用、管理等各个环节防止硫化氢腐蚀的有效措施和实用技术，为进一步提高天然气压缩机的可靠性，安全性奠定了坚实的基础。

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