天然气处理装置调节阀腐蚀分析

    新疆塔里木盆地雅克拉－大涝坝集气处理站是中石化最大、自动化程度最高的凝析天然气处理装置。目前雅克拉－大涝坝天然气处理装置共有56台气动控制阀（不包括机组的调节阀），雅大两站调节阀均是由美国FISHER公司提供，其中计量分离器液相控制调节阀，凝析油稳定塔进料温度控制为三通阀，膨胀机的旁通J-T阀。据统计故障80%出于调节机构。调节阀是接通介质通路或改变介质流向，调节流量、压力、液面及温度的压力管路原件。调节阀由气动执行机构和阀（调节机构）两部分组成。气动执行机构是调节阀的推动装置，根据控制信号推动阀门动作，阀（调节机构）是机械调节部分。

    1 故障情况

    （1）雅站直井计量分离器的液相出口调节阀LV1001阀芯断落在阀座环内造成介质流通受阻。原因分析结果：阀芯与阀座之间有杂质堵塞。采取措施：将执行机构与阀拆开，发现针型阀芯断脱，更换新阀芯。

    （2）雅站水平井计量分离器液相控制调节阀LV1002和一级闪蒸分离器水相调节阀LDV1101阀笼和阀芯腐蚀造成调节阀关不严。

    拆下检查时发现，该调节阀关不严。

    LV1002阀笼表面凹凸不平，有空隙，环面有不同程度的坑孔，见图1。LV1002调节阀为FISHER调节阀，腐蚀阀笼材质为316L。

    LDV1101阀芯的上端面有豁口，阀芯本体表面呈麻坑状（见图2），造成阀芯与阀座之间密封不严，从而导致该调节阀关不严。LDV1101调节阀为FISHER调节阀，腐蚀阀笼材质为316L。

图1 阀笼表面腐蚀坑

图2 阀芯本体表面呈麻坑状

    原因分析结果：

    （a）该调节阀材料（阀体材质WCC，阀芯316L）耐腐蚀性差；

    （b）该调节阀经常控制在小开度（20%）以下使用，由于节流作用对阀芯冲刷力较强，导致阀内件磨损；

    （c）由于液相腐蚀作用所致。从安装LDV1101管线的低点排污处，接水样进行观察，水样沉淀物呈黑色且含沙。

    （3）大站液相调节阀磨损严重。大站计量、生产分离器液相调节阀磨损严重。阀笼表面和边缘有不同程度的坑孔，倒角内外出现较大的腐蚀坑和狭长的沟槽（见图3）。调节阀为FISHER调节阀，腐蚀阀笼材质为316L。

图3 阀笼腐蚀坑

    原因分析结果：计量、生产分离器进三相分离器前后压差较大，计量、生产分离器实际运行压力6.2MPa，三相分离器压力0.6MPa，原生产流程见图4。    

图4 原生产流程图

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    2 腐蚀原因分析

    2.1 气蚀与闪蒸

    根据伯奴利方程，管道内流体的流速提高压力就会下降。管道节流处流体速度大幅度提高。压力急剧下降。如果液体流经管道节流处的压力低于汽化压力（PVC）将产生气蚀或闪蒸现象。

    雅克拉－大涝坝天然气处理站两站站内调节阀均为FISHER调节阀，从费希尔控制设备有限公司出版的FISHER控制阀手册（第三版）中控制阀选型内容查出闪蒸图（图5）和气蚀图（图6）。气蚀与闪蒸是由于管道节流引起的。如果液体流过管道节流处，压力恢复后P2仍低于汽化压力（PVC）（此时流体内仍有气泡）。这种现象称为闪蒸。如果液体流 过管道节流处，压力恢复后P2高于汽化压力（PVC）此时流体内气泡破裂）。这种现象称为气蚀。闪蒸最严重的破坏发生在流速最高处。即阀塞阀座处。冲蚀是闪蒸破坏的直观表现气蚀发生时，气泡破裂释放的能量使阀塞阀座甚至附近管道损坏，并伴发噪声气蚀与闪蒸是致使阀门损坏的重要原因。

图5 闪蒸图

图6 气蚀图

    根据雅大两站凝析油压力和管路情况，推测雅大两站装置中FISHER调节阀腐蚀主要受气蚀的影响。

    2.2 腐蚀分析

    雅克拉－大涝坝凝析气田流体介质简介：凝析气井天然气中甲烷平均含量85.45%，乙烷平均含量5.31%，丙烷平均含量2.07%，平均相对密度0.66，CO₂平均含量2.33%，H2S平均含量6.82%，站内气相流速2.21～5.29m³·h^-1；凝析油密度在平均为0.78g·cm^-3，粘度平均为2.66MPa.s，含硫量平均为0.041%，含蜡量平均为15.96%，站内液相流速0.58～2.29m³·h^-1。在气、水、烃、固共存的多相流腐蚀介质中H₂S、CO₂、Cl^-和水是主要腐蚀介质，在40～60℃和6.2～8.0MPa工况条件下为金属腐蚀提供了理想的腐蚀环境。

    （1）CO₂分压的影响

    CO₂的分压越大，pH值越低，去极化反应就越快，腐蚀速度也越快。影响CO₂腐蚀的主要因素是CO2分压、温度以及流速等。

    （2）CO₂-Cl-H₂O腐蚀

    在CO₂-Cl^-H₂O组成的甜气环境下碳素钢和低合金钢都可以产生缝隙腐蚀、均匀腐蚀和点蚀，最终导致调节阀点蚀、坑蚀。 CO₂是腐蚀剂，水是载体，Cl^-是催化剂。      

    通过对雅克拉－大涝坝调节阀316L阀芯腐蚀样化验分析，图7为316L腐蚀试样表面扫描电镜图，图8为316L腐蚀产物能谱分析图，确定腐蚀类型为CO₂冲刷腐蚀。    

图7 316L腐蚀试样表面SEM

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    从图8知，液相腐蚀产物的元素含量较气相腐蚀产物的要大。原因为雅克拉－大涝坝液相腐蚀环境较气相腐蚀环境复杂，液相中H₂S、CO₂、Cl^-和水相互作用，加速腐蚀速率。

图8 316L腐蚀产物能谱分析结果

    液相中腐蚀产物在形成过程中316L材质的Mo参与腐蚀形成了腐蚀产物，气相中Mo在腐蚀过程中没有参与腐蚀，故液相腐蚀产物能谱图中有Mo，气相腐蚀产物能谱图中没有Mo。

    2.3 盐堵和盐腐蚀

    雅克拉－大涝坝凝析气田凝析油含水、含盐。雅克拉气田地层水的矿化度为102716mg·L^-1，大涝坝气田地层水的矿化度为210297mg·L^-1，属于高含盐的地下水。进站的未稳定凝析油进站后经站内换热后，温度升高，凝析油中部分盐析出造成盐结晶。造成凝析油换热器调节阀盐堵和盐腐蚀。为减少两站换热装置、管线、调节阀等盐堵、盐腐蚀，雅克拉－大涝坝两站凝析油处理装置分别增加密闭洗盐流程。    

    3 防腐蚀措施建议

    （1）建议　在进计量分离器前的计量、生产汇管处进行缓蚀剂加注；

    （2）优选抗腐蚀材料　一般材料越硬，抗蚀能力越强。因目前调节阀阀材质为硬合金钢，耐腐蚀性在雅克拉凝析气田腐蚀性较差，建议优选钨碳钢和钛合金材料；

    （3）阀体结构改型　采用多级阀芯调节阀结构，使压力通过调节阀后逐级降压，把调节阀的总压差分成几个小压差，逐级降压，使每一级都不超过临界压差（P_VC），减少阀体和阀芯的气蚀；

    （4）优化工艺流程　对于调节阀前后压差很大（在5MPa以上），建议采用双调节阀控制，减少压差对阀芯和阀笼的冲击、磨损。大涝坝计量、生产分离器液相调节阀从6.2MPa调节至0.6MPa，阀芯磨损严重，每3～4个月需要更换一次。2011年7月检修后将单调节阀（见图4）改为双调节阀节流（见图9），前一个调节阀将计量、生产分离器液相调节阀从6.2MPa调节至3.0MPa，后一个调节阀将压力从3.0MPa调节至0.6MPa，压产逐渐减少后大大减少阀芯磨损。

图9 改造后的流程图