王志強(qiáng)

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

高含硫化氫氣田儀表選型設(shè)計(jì)

王志強(qiáng)

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

天然氣介質(zhì)中硫化氫的含量比較高，由于硫化氫的劇毒性和腐蝕性，以及天然氣中硫磺顆粒的沉積等工況，儀表的接液材質(zhì)、選型設(shè)計(jì)與普通的天然氣相比，存在很多不同之處。介紹了壓力儀表、溫度儀表、液位儀表、流量?jī)x表的選型設(shè)計(jì)與安裝；結(jié)合氣田在生產(chǎn)運(yùn)行中儀表維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，探討了高含硫化氫天然氣儀表選型設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)和建議。

高含硫化氫氣田 接液材質(zhì) 儀表選型 儀表安裝

根據(jù)相關(guān)的石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，高含硫化氫氣田通常是指硫化氫體積分?jǐn)?shù)不小于5%的天然氣氣田。硫化氫不僅是一種劇毒氣體，而且對(duì)金屬材料具有很強(qiáng)的腐蝕性。用于高含硫化氫氣田的儀表，接液材質(zhì)必須滿足美國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)(NACE)的標(biāo)準(zhǔn)[2]以及國(guó)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]，可以有效防止硫化物應(yīng)力開(kāi)裂(SSC)、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)以及氫致開(kāi)裂(HIC)等現(xiàn)象。中石化普光氣田采用濕氣輸送工藝，天然氣中硫化氫體積分?jǐn)?shù)高達(dá)12%～17%，氣田采出水中氯離子質(zhì)量濃度達(dá)到4×104mg/L，這對(duì)儀表的選型、選材及安裝方式提出了很高的要求。本文針對(duì)高含硫化氫氣田的壓力儀表、溫度儀表、液位儀表以及流量?jī)x表的選型和安裝分別進(jìn)行介紹。

1 壓力儀表的選型和安裝設(shè)計(jì)

壓力表和壓力變送器均選擇了隔離膜片密封的形式，膜片的材質(zhì)采用哈氏合金C。這種做法的好處是僅隔離膜片需要采用耐腐蝕合金，檢測(cè)元件和儀表采用普通材質(zhì)，節(jié)省投資。

壓力儀表的安裝主要考慮減少過(guò)程連接的數(shù)量，也就是減少潛在的泄漏點(diǎn)，從設(shè)計(jì)上減小硫化氫泄漏的可能性[4]。壓力儀表的安裝采用了工藝截止閥和雙閥組儀表閥串聯(lián)安裝的形式。該氣田井口管線壓力等級(jí)為Class2500，管線材質(zhì)為鎳基合金08825，壓力儀表的安裝采用焊接式截止閥加雙閥組儀表閥的形式，如圖1所示。

圖1中焊接式截止閥和雙閥組儀表閥均為鎳基合金材質(zhì)，該種安裝方式優(yōu)點(diǎn)是潛在的泄漏點(diǎn)少，只有工藝截止閥和雙閥組之間、雙閥組與壓力表之間2個(gè)泄漏點(diǎn)；缺點(diǎn)是工藝截止閥是焊接在管道上的，維修和更換困難。

該氣田外輸管線壓力等級(jí)為Class900，管線材質(zhì)為抗硫碳鋼，壓力儀表的安裝采用一端法蘭一端螺紋的截止閥加雙閥組儀表閥的形式，如圖2所示。

圖1 井口管線壓力表安裝示意

圖2 外輸管線壓力表安裝示意

圖2中一體焊接式法蘭為抗硫碳鋼材質(zhì)，截止閥和儀表閥為鎳基合金。由于抗硫碳鋼和鎳基合金差異很大，兩種金屬接觸在一起且有水存在的情況下，會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕[5-6]，所以兩者的法蘭連接處需要配套絕緣墊片。對(duì)于抗硫碳鋼的工藝管線，如果采用圖1的安裝方式，由于焊接式截止閥采用鎳基合金，鎳基合金和抗硫碳鋼之間的焊接難度非常大，且沒(méi)有相應(yīng)的焊接規(guī)程，無(wú)法焊接。如果焊接式截止閥采用抗硫碳鋼，儀表閥采用鎳基合金，則截止閥與儀表閥之間的螺紋連接會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕。所以對(duì)于抗硫碳鋼工藝管線，采用了圖2的安裝方式。圖2中與圖1中的安裝方式相比，多了法蘭處的泄漏點(diǎn)，但優(yōu)點(diǎn)是截止閥易于維修和更換。需要注意的是，抗硫碳鋼的一體焊接法蘭需要由第三方根據(jù)NACE規(guī)范進(jìn)行SSC，HIC腐蝕試驗(yàn)，并提供試驗(yàn)報(bào)告。

高含硫化氫氣田在生產(chǎn)的過(guò)程中，單質(zhì)硫磺會(huì)析出堵塞工藝截止閥和儀表閥[7]，造成壓力儀表無(wú)法正常工作。為了緩解硫沉積堵塞情況，通常應(yīng)采用加注硫溶劑、化學(xué)藥劑和加電伴熱的方法。從儀表選型的角度考慮，可以選擇大通徑的工藝截止閥和儀表閥，減少硫堵的發(fā)生，從而減輕工人解堵操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。元壩氣田采用了大通徑截止閥和儀表閥，內(nèi)部通徑達(dá)到了12.7mm，遠(yuǎn)大于通常儀表閥4.7mm的內(nèi)部通徑，有效減少了硫堵的發(fā)生。

2 溫度儀表的選型和安裝設(shè)計(jì)

溫度儀表均配套外保護(hù)套管，保證溫度儀表可以不停產(chǎn)維修和更換。外保護(hù)套管作為接液件，采用鎳基合金材質(zhì)。

1) 該氣田井口管線溫度儀表的安裝采用焊接式外保護(hù)套管，直接與工藝管道焊接連接，溫度儀表與外保護(hù)套管采用螺紋連接。

2) 該氣田外輸管線溫度儀表的安裝采用法蘭式外保護(hù)套管，與工藝管道法蘭連接，溫度儀表與外保護(hù)套管采用螺紋連接。法蘭式外保護(hù)套管采用鎳基合金材質(zhì)，工藝法蘭為抗硫碳鋼，法蘭端面采用絕緣墊片以避免電偶腐蝕。外輸管線溫度儀表外保護(hù)套管的安裝沒(méi)有選擇井口管線溫度儀表的焊接方式，同樣沒(méi)有相應(yīng)的焊接規(guī)程。還有一種方案是外保護(hù)套管采用抗硫碳鋼材質(zhì)，采用井口管線溫度儀表的焊接連接方式，但外保護(hù)套管需要按照NACE規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)的抗硫試驗(yàn)。

3 液位儀表的選型設(shè)計(jì)

高含硫化氫氣田的集氣站場(chǎng)中，需要測(cè)量分離器、分液罐、緩沖罐等的液位，特別是上游流程中的分酸分離器、計(jì)量分離器等，受井底返排酸液和硫磺析出的影響，容器底部會(huì)沉積厚厚的硫磺、沙子等沉積物，嚴(yán)重影響液位的測(cè)量。這些容器的液位遠(yuǎn)傳檢測(cè)主要采用雙法蘭差壓式液位變送器，隔離膜片采用哈氏合金C。雖然硫磺等沉積物會(huì)導(dǎo)致液位檢測(cè)的誤差增大，但只要壓力能傳導(dǎo)到法蘭膜片，還是可以實(shí)現(xiàn)液位的測(cè)量。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)定期進(jìn)行沖砂和排污操作，雙法蘭液位變送器可以較好地實(shí)現(xiàn)高含硫分離器的液位檢測(cè)。

分離器上常用的就地液位檢測(cè)儀表是磁翻板液位計(jì)。利用連通器原理，在旁通的測(cè)量腔體內(nèi)設(shè)置磁浮子，通過(guò)磁耦合使得磁翻柱翻轉(zhuǎn)而顯示不同的顏色，從而顯示容器內(nèi)的液位。

磁翻板液位計(jì)不適用于硫磺沉積嚴(yán)重的分離器，因?yàn)榱蚧菚?huì)填滿浮子與腔體之間的空隙，使得浮子卡住而無(wú)法隨液面浮動(dòng)。針對(duì)這一問(wèn)題，該氣田二期工程將側(cè)裝式磁翻板改為頂裝式，裝在容器頂部，以避免浮子卡在腔體內(nèi)的情況。但現(xiàn)場(chǎng)工況過(guò)于嚴(yán)苛，硫磺等沉積物厚度達(dá)到300mm，浮子陷入硫磺中無(wú)法浮起。經(jīng)與供貨廠商溝通，將浮子改為水平多排布置，情況有所改觀，但浮子仍會(huì)沉積硫磺，需要定期清洗。

對(duì)于壓力等級(jí)Class900及以上的容器，由于硫化氫分壓和氯離子含量均很高，磁翻板液位計(jì)的腔體采用不銹鋼無(wú)法滿足NACE規(guī)范的要求，而采用哈氏合金則造價(jià)非常高，因而磁翻板液位計(jì)并不適用。鑒于工況過(guò)于惡劣，其他形式的就地液位計(jì)也很難取得滿意的效果，建議采用雙法蘭液位變送器進(jìn)行遠(yuǎn)傳顯示。

對(duì)于火炬分液罐、酸液緩沖罐等處于流程下游的低壓容器，可以選用磁翻板液位計(jì)。一是因?yàn)榱蚧瘹浞謮旱?，采用不銹鋼可以滿足NACE規(guī)范要求；二是硫磺沉積情況較輕。為了避免氯離子對(duì)不銹鋼的腐蝕，可以采用全內(nèi)襯的磁翻板，在腔體內(nèi)和浮子外襯一層聚四氟乙烯(PTFE)，將不銹鋼與介質(zhì)隔離。需要注意的是： 這種襯層的做法只適合低壓工況，中高壓工況襯層容易脫落。對(duì)于有少量硫磺沉積的工況，可以選用大腔體的磁翻板液位計(jì)。

4 流量?jī)x表的選型和安裝設(shè)計(jì)

天然氣的流量計(jì)量通常采用差壓式流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)等。對(duì)于高含硫化氫氣田，流量計(jì)的選擇主要考慮硫化氫的腐蝕、氣體臟污情況、氣體組分等。經(jīng)過(guò)對(duì)幾種流量計(jì)的對(duì)比，該氣田流量計(jì)選擇了高級(jí)孔板閥[8]。

高級(jí)孔板閥是一種孔板計(jì)量裝置，屬于差壓式流量計(jì)。高級(jí)孔板閥與普通孔板的區(qū)別在于可以實(shí)現(xiàn)帶壓更換孔板片。高級(jí)孔板閥設(shè)有上下兩個(gè)閥體，兩者之間通過(guò)滑閥實(shí)現(xiàn)隔離密封。在計(jì)量狀態(tài)時(shí)孔板片處于下閥腔，與管道同心，更換孔板時(shí)打開(kāi)滑閥，通過(guò)搖柄、齒輪或螺桿等孔板提升裝置將孔板片提升至上閥腔，關(guān)閉滑閥，將上閥腔壓力泄放，打開(kāi)上閥蓋取出孔板。將待更換的孔板片放入上閥腔，采用與上述相反的步驟，完成孔板的在線帶壓更換。

在該氣田的實(shí)際應(yīng)用中，由于氣體中存在硫磺顆粒和其他雜質(zhì)且黏度高，取壓管經(jīng)常被堵塞，影響了流量計(jì)的正常計(jì)量[9]。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)定期清洗、吹掃和電伴熱等措施進(jìn)行解堵操作，緩解了硫堵的情況，但無(wú)法從根本上解決堵塞問(wèn)題。鑒于上述情況，元壩氣田流量計(jì)選用外夾式超聲波流量計(jì)。

外夾式超聲波流量計(jì)是一種非接觸式流量計(jì)量?jī)x表，其檢測(cè)元件不與測(cè)量介質(zhì)直接接觸，采用外貼綁扎的安裝方式將流量計(jì)固定在被測(cè)管道的外壁，采用超聲波時(shí)差的原理實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)量。

外夾式超聲波流量計(jì)精度可以達(dá)到±2%，如果采用雙聲道型，經(jīng)標(biāo)定精度可以達(dá)到±0.5%，適用于絕大多數(shù)的金屬管和塑料管等無(wú)內(nèi)襯的管道。根據(jù)西門(mén)子公司的數(shù)據(jù)，外夾式超聲波流量計(jì)所能測(cè)的管道最大壁厚為31.8mm，并且管壁越厚，要求的氣體密度越高，即要求管道內(nèi)氣體的壓力越高，這樣才能實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。根據(jù)GE公司提供的數(shù)據(jù)，對(duì)于壁厚為25.4mm，DN300的天然氣管道，管道內(nèi)天然氣的壓力必須達(dá)到5.62MPa以上才能采用外夾式超聲波流量計(jì)進(jìn)行有效計(jì)量。另外，由于二氧化碳會(huì)吸收超聲波，造成超聲波信號(hào)的衰減，通常要求天然氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)20%[10]。元壩氣田的天然氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)最高為11.53%，管道的壁厚和操作壓力均滿足外夾式超聲波的使用要求，現(xiàn)場(chǎng)取得了滿意的計(jì)量效果，避免了普光的高級(jí)孔板閥堵塞的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于儀表的選型與安裝設(shè)計(jì)，高含硫化氫氣田的特殊之處在于： 硫化氫的腐蝕性，要求儀表的接液材質(zhì)必須符合NACE規(guī)范的要求；硫化氫的劇毒性，要求儀表的安裝盡量減少中間連接環(huán)節(jié)，減少潛在的泄漏點(diǎn)；單質(zhì)硫磺等雜質(zhì)的影響，要求儀表能防堵塞、防沉積。

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Instrument Selection for High Hydrogen Sulfide Gas Field

Wang Zhiqiang

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation， Dongying， 257026， China)

Due to hypertoxicity， corrosion and sulfur particle deposition in natural gas for high hydrogen sulfide content， the wet parts materials and type selection of instrument are quite different comparing to that for normal natural gas. Instrument selection and installation of pressure， temperature， level and flow are introduced. Combining with instrument maintenance experience during production operation for gas field， some design attentions and suggestions of instrument selection for high hydrogen sulfide content natural gas are discussed.

high hydrogen sulfide gas field; wet part material; instrument selection; instrument installation

王志強(qiáng)(1976—)，男，山東諸城人，1998年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化專業(yè)，從事國(guó)際工程管理，任高級(jí)工程師。

TH862

B

1007-7324(2016)06-0009-03

稿件收到日期： 2016-08-05。