高含硫天然气输送机组运行风险与应对体系研究

张鹏

摘 要：高含H2S天然气输送机组长期受到腐蚀、振动及高噪声等的困扰，在运行时具有很高的风险，控制不当可能导致重大安全事故。本研究应用有关理论、标准及规范、实践调研成果，主要针对天然气输送过程中H2S氣体对整个系统可能造成的风险进行了较为全面的评估，找出了相关风险源与识别方法，建立起了监测技术体系与管理应对体系。

本文首先介绍了输气站的系统组成及其设备的工艺用途;接着对高含H2S气体对本系统的腐蚀及控制做了说明;然后分析评估了高含H2S气体对输送机组的运行风险;最后提出了针对高含H2S天然气输送机组运行风险而建立的监测技术与管理应对体系。本次建立的应对体系具有响应速度快、系统自动监控面广、风险系数低、工程成本低、经济性好等特点，实用性很强，具有较好的推广价值。

关键词：高含硫输气站;运行风险;应对体系研究

1高含H2S气体对系统的腐蚀

H2S气体是一种有毒气体，且具有强烈的腐蚀性，所以高含H2S天然气会对输气系统造成严重的腐蚀，从而引发重大的生产事故。为了避免事故的发生我们需要对腐蚀的原理进行研究。腐蚀机理：

H2S气体的腐蚀性只有在含水条件下才会表现出来。所以高含H2S天然气只有在潮湿的环境下才能够与管道发生电化学反应。反应式如下：

H2S → H++HS-

HS- → H++S2-

H2S 在与水反应的过程中产生的H+具有较强的氧化性，并将金属中的电子吸引出来，从而使金属氧化并导致其快速腐蚀，腐蚀反应式为：

阳极：Fe-2e- → Fe2+

阴极：2H++2e- → Had+Had → H2↑

Had是指被金属表面吸附的氢粒子。当金属表面吸附的氢原子越来越多时，部分氢原子就会侵入金属内部，从而破坏金属表面的光洁度;而 Fe2+ 会与S2- 结合生成硫化铁。

铁的硫化物是中性盐，在电化学腐蚀反应中作为阴极，管道的金属体在丢失电子时一般作为电化学腐蚀反应的阳极，从而两者构成腐蚀电池的两极，促使电化学腐蚀较快反应。腐蚀的厉害程度主要由最终形成硫化物的结构和性质决定。最终生成的硫化物主要有Fe9S8、Fe3S4、FeS2、FeS 等。如果腐蚀产物能够均匀致密的分布在管道内壁上，且与管道结合良好，形成一层抗腐蚀壁则可以很好地起到抑制腐蚀反应发生的作用;如果反应形成的是Fe9S8等组织疏松、易脱落（如、Fe3S4、FeS2等）的物质，这些物质又可以继续参加到电化学腐蚀反应中去，反而使得金属的腐蚀反应速率加快，从而造成本系统管网的严重腐蚀。

2.系统对腐蚀的控制

系统采用“低碳钢+缓蚀剂+清管+监控”的腐蚀配套方案，而且该方案较为经济，对腐蚀的控制性也较好。

（1）管道的材料对腐蚀的速率有直接的影响，按照SY/TO 0599—1997 标准管材选用抗硫性好的材料。管道一般采用碳当量不会超过0.43%的低碳钢，严格控制材料化学成分。管道材料的强度和硬度都必须受到严格的检查。

（2）输气管道还可以通过加注缓蚀剂来减缓腐蚀速率，一般使用的是胺类和二乙基胺腐蚀剂，加注时一定要注意加注的方式和加注时长，还必须按照一定的周期进行加注。对于关闭时间较长的输气管，先要对管道进行缓蚀预处理，并在管内通入纯度较高的惰性气体，来减缓管道的腐蚀。

（3）清管

输气场站中一般都设有清管器，而利用清管器和缓蚀剂相结合的方式对管道进行清洗时，既可以起到清管的作用，也可以起到防止腐蚀的作用。

（4）腐蚀监控

利用RUT（远程测控终端）技术对场站的腐蚀进行在线监控，监控点一般都安装挂片试样、氢探针、电阻探针（EFR）等传感器，从而对整个系统进行实时监控。若经济条件足够可以从外国引进先进的智能清管器对金属管道壁厚作有效检测。

3.管路及其他输气设备的危险源分析

由于H2S的浓度与形成水合物的量成正比，所以管道中能更容易形成水合物。场地地形条件及天气状况和环境等条件的变化对输气设备的影响非常显著，管道内部的压力随外部环境的温度变化而变化。由于地形不平，气体在上坡处受到重力的作用更容易使水合物形成并聚集。当管道中的含H2S天然气中的湿气含量也较高时，不仅促进水合物的形成，也使得管道的腐蚀速度增高，从而带来一系列的安全问题，提高了设备的故障发生率，并使得系统的维护成本提高。

阀门常见的故障有阀门关闭不严、密封填料渗漏、阀杆转动不灵活、阀体与阀盖间法兰漏气;自动控制阀的电机不转、阀门行程发生变化等。

清管器装置的运行如果不按规章制度严格进行，就会出现卡球、球破裂等诸多的事故，从而影响场站的工作效率。

天然气是易燃物质，扩散在空气中不易察觉，管理不善或操作不当都可能引起火灾、爆炸、中毒等严重事故。

4输送机组运行危险的评估

输送机组在运行过程中会伴随排气压力波动、气体温度高、压缩机的异常振动和噪声、压缩机喘振、压缩机漏气、轴承故障、密封系统工作不正常、 压缩机叶轮破损、原动机超负载等故障，而与其连接的其它辅助设备也可能出现与之相对应的故障。如果对这些故障不进行及时处理，就可能引发一系列的安全事故，造成设备损坏和人员伤亡。特别对于压缩机内部的一些零部件损坏或安装不良，由于问题比较小，监测系统和人工检查都未能发现，从而让其发展趋势扩大造成巨大的损失。设备的故障率一般不能高于0.02，当设备的故障率高于0.02时就必须对设备进行全面检修。所以对于一些微小的故障，当其发生的频率高于0.02时我们就应当对其有所警惕，在能及时进行检修的条件下必定对其进行检修。特别对于压缩机组来说，其输送的天然气是易燃易爆的危险气体，设备的微小故障都有可能引发火灾、爆炸等重大安全事故。

对于天然气输送机组我们必须严格按照API STD标准和HSE管理体系对设备进行制造、安装、运行和维护。设立对应的操作指南和安全准则，严格按照公司的设备管理制度对设备进行相关的操作，避免一切的违章操作和不规范运行。

5 监测分析软件技术体系

由于压缩机组在运行过程中出现故障造成的危害及损失比较严重，所以系统对其可能发生故障点的零部件都进行在线监测。利用RUT（远程测控终端）监测体系对压缩机组的进出口气体压力和流量、主轴、叶轮、齿轮箱、平衡盘、防喘阀、回流器、轴承等進行远程监控，在这些监测点放置合适的传感器和压力表，同时也加入对设备腐蚀监测探针，结合人工检查对系统形成全面的监测体系。运用RUT系统对压缩机组进行实时画面监控，严格监视控制压缩机组的运行状况。并要求检维修人员随时做好应对故障应急响应。

系统组态软件采用OpenBSI软件工具包、组态软件Control Wave Designer等。

CPU 的组态程序组态软件Control Wave Designer编程组态软件符合IEC61131-3标准，是基于Windows操作系统建立的技术平台， 能提供Windows系统所拥有的标准的功能， 提供有多种标准化编程语言，并且系统自带有200多个软件模块方便快捷的为用户提供帮助。而且内部装有多种计算方法，为用户分析数据提供了理论依据和方便的计算公式。Control Wave Designer除了拥有基本的功能模块及函数公式外，还提供了ACCOL III功能块库，从而大大加强了系统的使用范围，能够应用与天然气输气站等多个控制体系中。

在输气站中场内的RTU系统与第三方设备的通讯实现连接，通过RS232的通讯接口将输气站的总控系统与第三方通讯设备进行连接，然后通过TCP/IP通讯协议进行通讯连接。并将系统中所有的流量计与仪表通过RUT系统连接起来。实现测量仪器与UPS之间的通讯、火炬系统的与所辖单井及与控制中心的通讯。

总结

首先对输气站的输气工艺流程和含H2S天然气对本输气系统的腐蚀机理进行说明，并根据其电化学腐蚀原理提出相对应的预防措施。预防措施主要从材料、缓蚀剂、清管工艺及腐蚀监控四个方面做出应对方法。再对输送机组及其它场站设备在运行时发生故障的类型和原因进行了分析说明，并对输送机组的运行风险进行分析和评估。详细的说明了这些故障和风险对场站人员和设备造成的危险性。也为维修人员的检修提供了详细的指导和启发，从而提高维修人员检修的效率。然后对RTU监测技术在本输气站中的应用进行介绍，并利用RTU技术建立对整个场站的监控体系。并详细的介绍了RTU监测系统的硬件技术体系与软件技术体系。该监测体系应用于输气站能够极大的提高场站的输气能力，极大的提高了输气站的安全性，也极大的改善了员工的工作条件和工作积极性。