楊昕諒

北京管道陜西輸油氣分公司

 

摘要：離心式壓縮機(jī)是天然氣管輸過程中的主要工藝設(shè)備，在對其開展運行維護(hù)保養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)內(nèi)部發(fā)生結(jié)垢。本研究對現(xiàn)場采集的結(jié)垢樣本進(jìn)行電子顯微鏡掃描（SEM）、紅外光譜、XRD衍射等分析，得到了結(jié)垢組分與結(jié)垢特征，進(jìn)而研究結(jié)垢產(chǎn)生機(jī)理并分析結(jié)垢過程，對于壓縮機(jī)組全生命周期管理有重要意義。

關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī)；結(jié)垢機(jī)理；SEM；XRD

 

天然氣長輸管道需通過沿途壓縮機(jī)多次多級增壓，才能實現(xiàn)長距離運輸，壓縮機(jī)被喻為天然氣管道的“心臟”。目前，國內(nèi)站場常用管輸壓縮機(jī)主要為燃驅(qū)或電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組，離心式壓縮機(jī)可以提供較大的輸氣處理能力，適合目前高壓力、大口徑、高流量的天然氣管道發(fā)展趨勢。但在運行維修保養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)腔體內(nèi)部、定子、轉(zhuǎn)子等部位出現(xiàn)黑色結(jié)垢現(xiàn)象。結(jié)垢會導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子不平衡故障、降低進(jìn)氣通道截面積、監(jiān)測探頭失效等問題，嚴(yán)重時會造成機(jī)組密封、監(jiān)測、計量等功能失效，進(jìn)而造成安全生產(chǎn)事故。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)學(xué)者都將結(jié)垢與管道黑色粉末聯(lián)系起來。1998年，Baldwin[1]牽頭美國天然氣機(jī)械委員會首次開展黑色粉末結(jié)垢研究，針對現(xiàn)場情況給出較為局限性的建議，單純的將黑色粉末結(jié)垢定義為管道輸送過程中的衍生現(xiàn)象。2000年，F(xiàn)rancisco[2]發(fā)現(xiàn)傳感器脫離現(xiàn)象與ILI在線檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性之間的關(guān)系，黑色粉末結(jié)垢將影響管道檢測有效性。2011年，Jamie Perez[3]嘗試?yán)�用ILI分析黑色粉末結(jié)垢對管道的影響。2013年，Sherik、EI-Saadawy[4]開展了天然氣管道控制閥門的沖蝕問題研究，提出了黑色粉末污泥對于碳鋼腐蝕的影響。國內(nèi)結(jié)垢研究開展相對較晚，黃雪萍[5]針對榆林南區(qū)集輸管道分析了硫化鐵形成原因及防護(hù)對策。馬振杰[6]提到了在鄯善站－哈密站排污得到的黑色粉末，并對硫化物自燃現(xiàn)象提出了對應(yīng)的抑制措施。目前針對壓縮機(jī)本體結(jié)垢現(xiàn)象的研究有限。筆者通過實驗，分析結(jié)垢化學(xué)組分與物理特征，研究結(jié)垢產(chǎn)生機(jī)理，以有效開展壓縮機(jī)組全生命周期管理。

1  離心式壓縮機(jī)結(jié)垢情況分析

1.1  離心式壓縮機(jī)工作原理

離心式壓縮機(jī)工作原理是利用主軸帶動葉片旋轉(zhuǎn)，讓氣體直接進(jìn)入到壓縮機(jī)，通過離心力將氣體甩出出口，而隨著離心力逐步增大，氣流被甩出的速度也會逐步加快，經(jīng)多級壓縮實現(xiàn)天然氣高效運輸。

本次研究的壓縮機(jī)由Rolls-Royce Plc.公司（RR公司）生產(chǎn)，型號為RF4BB36，采用四級離心式壓縮。燃?xì)廨啓C(jī)型號為RB211-24G，額定輸出功率30 MW。如圖 1所示。

圖 1 RF4BB36型燃驅(qū)離心式壓縮機(jī)組

1.2  結(jié)垢情況及樣品采集

研究樣本選擇于2011年11月投產(chǎn)的RF4BB36型離心式壓縮機(jī)組，累積運行52327小時。2022年6月進(jìn)行50 K自主維保，拆卸壓縮機(jī)定子與轉(zhuǎn)子過程中，在壓縮機(jī)出氣壁、定子內(nèi)外部與轉(zhuǎn)子周邊發(fā)現(xiàn)大量結(jié)垢，呈黑色固體連續(xù)相（圖 2）。

圖 2 離心式壓縮機(jī)結(jié)垢情況

通過檢查，壓縮機(jī)內(nèi)部流道表面顏色較淺且凹凸不平部分形成垢層，壓縮機(jī)墻體與定子之間明顯結(jié)垢并部分脫落，轉(zhuǎn)子表面形成明顯垢層，初步判斷為管道黑色粉末沉積呈現(xiàn)出片層狀。

2  結(jié)垢實驗分析

現(xiàn)場結(jié)垢取樣，干燥冷卻后稱重，采用電子顯微鏡（SEM）對結(jié)垢樣本表面形貌進(jìn)行表征，觀察涂層表面的微觀形貌。采用 Tensor 27 型傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）分析結(jié)垢樣本化學(xué)組成。

2.1  SEM掃描分析

掃描電鏡得到的結(jié)垢樣本形貌如圖 3所示，可知結(jié)垢由微米級別的顆粒組成，形態(tài)主要為針狀/棒狀和球狀等不規(guī)則塊狀，分別是方解石、文石和球霰石的典型形貌，文石是SiO2晶體中最穩(wěn)定的相。結(jié)垢混合物緊密排列，結(jié)垢層非常致密。

圖 3 結(jié)垢樣本表面微觀形貌SEM圖像

2.2  紅外光譜分析

紅外光譜分析結(jié)果如圖 4所示，3435 cm-1、2924 cm-1、2853 cm-1、1734 cm-1、1639 cm-1、1465cm-1、1078cm-1、871cmcm-1、726cm-1、處的吸收峰分別對應(yīng)C－H，O－H，N－H；C－H；C＝O，C－H；C－H，C＝O；C＝C，N－H，C＝N，N＝N，N＝O；C－H；C－O，C－O－C，C－H；C－H；C－H，O－H。

圖 4 結(jié)垢樣本紅外譜圖

2.3  XRD分析

為進(jìn)一步了解黑色塊狀結(jié)垢的物相組成，取小部分塊狀物研磨成粉末，再進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖 5 所示。

圖 5 結(jié)垢樣本色譜分析結(jié)果

XRD譜圖處理：①可能被忽略的峰：9.670 keV；②處理選項：所有分析的元素(已歸一化)；③重復(fù)次數(shù)為4次。

2.4  結(jié)垢樣本組分

結(jié)垢樣本組分分析結(jié)果如表 1所示。從表 1可知，結(jié)垢化學(xué)成分主要為SiO2（26.95%）、FeS2（34.63%）、MgF2（1.25%）、KC1（7.16%）、Wollastonite（2.60%）、MAD-10 Feldspar（0.48%）等，此外還有Carbon fraction（碳組分24.90%）。

表 1 結(jié)垢樣本組分分析

3  結(jié)垢機(jī)理研究

實驗結(jié)果分析可知，壓縮機(jī)結(jié)垢與天然氣管道黑色粉末的組分相近，但也有明顯區(qū)別。黑色粉末由多種無機(jī)物和有機(jī)物混合組成，成分十分復(fù)雜[7]，通常分為再生型和非再生型。再生型粉末是管道內(nèi)經(jīng)過清管處理后還會產(chǎn)生的黑色粉末，而非再生型粉末是清管過后不會再次產(chǎn)生的黑色粉末，其形成原因也具有多樣性特點。對比黑色粉末與結(jié)垢樣本的差異性與關(guān)聯(lián)性，根據(jù)壓縮機(jī)工作環(huán)境與輸送介質(zhì)分析各組分形成機(jī)理與結(jié)垢原因。

3.1  SiO2等形成原因

結(jié)垢樣本中存在元素Si、O、Na、K、Ca、F、Cl，主要形態(tài)為SiO2、Wollastonite、MAD-10 Feldspar等。形成原因主要為上游采氣過程中夾雜的砂礫粉塵，在天然氣開采過程中砂礫從地下隨著采出氣與其他液相攜帶進(jìn)入管道中。采出氣通過臥式分離器、旋風(fēng)分離器等進(jìn)行固相處理，在受到臥式分離器安裝濾芯目數(shù)較大、旋風(fēng)分離器無法取出小粒徑粉塵等工藝因素影響，無法完全去除微米級顆粒粉塵，造成組分進(jìn)入壓縮機(jī)組。

3.2  FeS2形成原因

天然氣雖經(jīng)脫水處理，但不可能從即將外輸?shù)奶烊粴庵型耆�除凈水分，管道中少量�?3%～9%)在外界溫度改變時析出，水分加速管道腐蝕。同時上游天然氣采氣廠脫硫處理方法也無法徹底脫除H2S，為產(chǎn)生鐵的硫化物提供了條件。反應(yīng)方程為：2H2S+Fe→FeS2+2H2。

3.3  Carbon fraction形成原因

開采出的天然氣含有少量微生物、凝析水、凝析油、飽和水蒸汽、輕烴類或其他液體，商品天然氣外輸時雜質(zhì)成分含量必須降低到標(biāo)準(zhǔn)要求以下。結(jié)垢樣本中SiO2、Wollastonite、MAD-10 Feldspar等為地下采出天然氣攜帶的泥沙雜質(zhì)，F(xiàn)eS2為管道內(nèi)腐蝕脫落造成。壓縮機(jī)運行過程中，天然氣攜帶著無法處理的液滴形態(tài)液相（凝析水、凝析油、飽和水蒸汽、輕烴類等）與微米級顆粒形態(tài)粉塵（SiO2、Wollastonite、MAD-10 Feldspar、FeS2等）進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部，在瞬間高溫高壓環(huán)境下，提供聚集攜帶能力的液相轉(zhuǎn)化為氣相，連續(xù)相黏度降低，造成雜質(zhì)脫落、聚集，其中微生物、凝析油、輕烴類雜質(zhì)受到高溫高壓環(huán)境影響發(fā)生碳化，雜質(zhì)中的Carbon fraction增強(qiáng)了結(jié)垢黏連力和板結(jié)程度，最終導(dǎo)致雜質(zhì)聚集并結(jié)垢板結(jié)。

4  結(jié)垢控制措施

壓縮機(jī)結(jié)垢原因主要是由于進(jìn)氣清潔度較低，會導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子不平衡故障、進(jìn)氣通道截面積降低、監(jiān)測探頭失效等問題[8]，嚴(yán)重時會造成機(jī)組密封、監(jiān)測、計量等功能失效，影響安全生產(chǎn)。因此，應(yīng)從以下兩方面對壓縮機(jī)結(jié)垢進(jìn)行控制。

（1）提高進(jìn)氣清潔度。對采集的結(jié)垢樣本進(jìn)行粒徑分析，利用雜質(zhì)特征修正臥式分離器濾芯規(guī)格。新建管道增壓工程應(yīng)提前采集上游氣源氣質(zhì)分析報告，重點關(guān)注H2S、CO2濃度與顆粒粉塵特征等。

（2）加強(qiáng)機(jī)組運行工況監(jiān)測。在機(jī)組振動故障分析診斷過程中，當(dāng)發(fā)生監(jiān)測探頭數(shù)據(jù)采集異常、轉(zhuǎn)子不平衡等相關(guān)設(shè)備故障時，應(yīng)考慮內(nèi)部結(jié)垢因素。在日常維護(hù)保養(yǎng)過程中，應(yīng)關(guān)注結(jié)垢情況的變化，如出現(xiàn)明顯異常應(yīng)及時排查上游氣質(zhì)與天然氣處理工藝。

5  結(jié)論

（1）通過對離心式壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)垢樣本進(jìn)行SEM、紅外光譜、XRD等分析，確定了結(jié)垢樣本物理特征和化學(xué)組分。結(jié)垢主要以微米級顆粒粉塵板結(jié)形成，主要元素為C、O、F、Na、Si、S、Cl、K、Ca、Fe等，其存在形態(tài)主要為SiO2（26.95%）、FeS2（34.63%）、MgF2（1.25%）、KCl（7.16%）、Wollastonite（2.60%）、MAD-10 Feldspar（0.48%）、Carbon fraction（24.90%）等，表明與管道黑色粉末組分并不相同。

（2）結(jié)垢原因為天然氣脫水、脫硫處理工藝無法完全去除雜質(zhì)，當(dāng)固相粉塵隨著連續(xù)相液滴進(jìn)入壓縮機(jī)組內(nèi)部時，高溫高壓環(huán)境使得粉塵周邊連續(xù)相黏度降低進(jìn)而沉降，凝析油、輕烴、微生物等碳化造成雜質(zhì)板結(jié)結(jié)垢。

（3）壓縮機(jī)組內(nèi)部板結(jié)結(jié)垢將導(dǎo)致機(jī)組振動、動平衡出現(xiàn)問題，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組密封、計量等部件磨損，因此應(yīng)控制壓縮機(jī)發(fā)生結(jié)垢，需要確保長輸管道內(nèi)天然氣的純凈程度，從源頭上減少水、硫化氫等腐蝕介質(zhì)進(jìn)入，減輕壓縮機(jī)組內(nèi)部發(fā)生結(jié)垢程度。

 

參考文獻(xiàn)：

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[2]Valentine B , Francisco L . Effect of debris-induced lift-off on magnetic flux leakage inspection results.[D] West Virginia University, 2000.

[3]Ehab, El-Saadawy, Abdelmounam, et al. Erosion of Control Valves in Gas Transmission lines Containing Black Powder[J]. Materials Performance, 2013, 52(5):70-73.

[4]Perez J P . NACE International Store - 11091 Affect of Black Powder on Inline Inspection Accuracy. 2011.

[5]黃雪萍，高亮，王軒，等. 榆林南區(qū)集輸管道硫化鐵形成原因分析及防護(hù)對策[J].石油化工應(yīng)用，2013，32(007)：107-109.

[6]馬振杰. 清管與檢測技術(shù)在川氣東送管道中的研究與應(yīng)用[D]. 成都：西南石油大學(xué)，2013.

[7]王濤. 天然氣長輸管道內(nèi)黑色粉末生成及沉積問題研究[D]. 北京：中國石油大學(xué)(北京)，2018.

[8]劉明亮，蘇炤興. 轉(zhuǎn)子結(jié)垢造成的離心壓縮機(jī)振動故障[J]. 油氣儲運，2018，37(8)：5.

作者簡介：楊昕諒，1990年生，博士，高級工程師，國際石油工程師協(xié)會（SPE）會員，2018年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，主要從事天然氣管道工程、管道流體力學(xué)等研究工作。聯(lián)系方式：15636999399， xinliang_yang@126.com。