楊昕諒

北京管道陜西輸油氣分公司

 

摘要：離心式壓縮機是天然氣管輸過(guò)程中的主要工藝設備，在對其開(kāi)展運行維護保養過(guò)程中發(fā)現壓縮機內部發(fā)生結垢。本研究對現場(chǎng)采集的結垢樣本進(jìn)行電子顯微鏡掃描（SEM）、紅外光譜、XRD衍射等分析，得到了結垢組分與結垢特征，進(jìn)而研究結垢產(chǎn)生機理并分析結垢過(guò)程，對于壓縮機組全生命周期管理有重要意義。

關(guān)鍵詞：離心式壓縮機；結垢機理；SEM；XRD

 

天然氣長(cháng)輸管道需通過(guò)沿途壓縮機多次多級增壓，才能實(shí)現長(cháng)距離運輸，壓縮機被喻為天然氣管道的“心臟”。目前，國內站場(chǎng)常用管輸壓縮機主要為燃驅或電驅離心式壓縮機組，離心式壓縮機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。但在運行維修保養過(guò)程中發(fā)現，壓縮機腔體內部、定子、轉子等部位出現黑色結垢現象。結垢會(huì )導致壓縮機發(fā)生轉子不平衡故障、降低進(jìn)氣通道截面積、監測探頭失效等問(wèn)題，嚴重時(shí)會(huì )造成機組密封、監測、計量等功能失效，進(jìn)而造成安全生產(chǎn)事故。通過(guò)調研發(fā)現，目前大多數學(xué)者都將結垢與管道黑色粉末聯(lián)系起來(lái)。1998年，Baldwin[1]牽頭美國天然氣機械委員會(huì )首次開(kāi)展黑色粉末結垢研究，針對現場(chǎng)情況給出較為局限性的建議，單純的將黑色粉末結垢定義為管道輸送過(guò)程中的衍生現象。2000年，Francisco[2]發(fā)現傳感器脫離現象與ILI在線(xiàn)檢測數據準確性之間的關(guān)系，黑色粉末結垢將影響管道檢測有效性。2011年，Jamie Perez[3]嘗試利用ILI分析黑色粉末結垢對管道的影響。2013年，Sherik、EI-Saadawy[4]開(kāi)展了天然氣管道控制閥門(mén)的沖蝕問(wèn)題研究，提出了黑色粉末污泥對于碳鋼腐蝕的影響。國內結垢研究開(kāi)展相對較晚，黃雪萍[5]針對榆林南區集輸管道分析了硫化鐵形成原因及防護對策。馬振杰[6]提到了在鄯善站－哈密站排污得到的黑色粉末，并對硫化物自燃現象提出了對應的抑制措施。目前針對壓縮機本體結垢現象的研究有限。筆者通過(guò)實(shí)驗，分析結垢化學(xué)組分與物理特征，研究結垢產(chǎn)生機理，以有效開(kāi)展壓縮機組全生命周期管理。

1  離心式壓縮機結垢情況分析

1.1  離心式壓縮機工作原理

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

本次研究的壓縮機由Rolls-Royce Plc.公司（RR公司）生產(chǎn)，型號為RF4BB36，采用四級離心式壓縮。燃氣輪機型號為RB211-24G，額定輸出功率30 MW。如圖 1所示。

圖 1 RF4BB36型燃驅離心式壓縮機組

1.2  結垢情況及樣品采集

研究樣本選擇于2011年11月投產(chǎn)的RF4BB36型離心式壓縮機組，累積運行52327小時(shí)。2022年6月進(jìn)行50 K自主維保，拆卸壓縮機定子與轉子過(guò)程中，在壓縮機出氣壁、定子內外部與轉子周邊發(fā)現大量結垢，呈黑色固體連續相（圖 2）。

圖 2 離心式壓縮機結垢情況

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

2  結垢實(shí)驗分析

現場(chǎng)結垢取樣，干燥冷卻后稱(chēng)重，采用電子顯微鏡（SEM）對結垢樣本表面形貌進(jìn)行表征，觀(guān)察涂層表面的微觀(guān)形貌。采用 Tensor 27 型傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）分析結垢樣本化學(xué)組成。

2.1  SEM掃描分析

掃描電鏡得到的結垢樣本形貌如圖 3所示，可知結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晶體中最穩定的相。結垢混合物緊密排列，結垢層非常致密。

圖 3 結垢樣本表面微觀(guān)形貌SEM圖像

2.2  紅外光譜分析

紅外光譜分析結果如圖 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 結垢樣本紅外譜圖

2.3  XRD分析

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

圖 5 結垢樣本色譜分析結果

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重復次數為4次。

2.4  結垢樣本組分

結垢樣本組分分析結果如表 1所示。從表 1可知，結垢化學(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 結垢樣本組分分析

3  結垢機理研究

實(shí)驗結果分析可知，壓縮機結垢與天然氣管道黑色粉末的組分相近，但也有明顯區別。黑色粉末由多種無(wú)機物和有機物混合組成，成分十分復雜[7]，通常分為再生型和非再生型。再生型粉末是管道內經(jīng)過(guò)清管處理后還會(huì )產(chǎn)生的黑色粉末，而非再生型粉末是清管過(guò)后不會(huì )再次產(chǎn)生的黑色粉末，其形成原因也具有多樣性特點(diǎn)。對比黑色粉末與結垢樣本的差異性與關(guān)聯(lián)性，根據壓縮機工作環(huán)境與輸送介質(zhì)分析各組分形成機理與結垢原因。

3.1  SiO2等形成原因

結垢樣本中存在元素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(guò)程中夾雜的砂礫粉塵，在天然氣開(kāi)采過(guò)程中砂礫從地下隨著(zhù)采出氣與其他液相攜帶進(jìn)入管道中。采出氣通過(guò)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較大、旋風(fēng)分離器無(wú)法取出小粒徑粉塵等工藝因素影響，無(wú)法完全去除微米級顆粒粉塵，造成組分進(jìn)入壓縮機組。

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的天然氣中完全除凈水分，管道中少量水(3%～9%)在外界溫度改變時(shí)析出，水分加速管道腐蝕。同時(shí)上游天然氣采氣廠(chǎng)脫硫處理方法也無(wú)法徹底脫除H2S，為產(chǎn)生鐵的硫化物提供了條件。反應方程為：2H2S+Fe→FeS2+2H2。

3.3  Carbon fraction形成原因

開(kāi)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(lèi)或其他液體，商品天然氣外輸時(shí)雜質(zhì)成分含量必須降低到標準要求以下。結垢樣本中SiO2、Wollastonite、MAD-10 Feldspar等為地下采出天然氣攜帶的泥沙雜質(zhì)，FeS2為管道內腐蝕脫落造成。壓縮機運行過(guò)程中，天然氣攜帶著(zhù)無(wú)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(lèi)等）與微米級顆粒形態(tài)粉塵（SiO2、Wollastonite、MAD-10 Feldspar、FeS2等）進(jìn)入壓縮機內部，在瞬間高溫高壓環(huán)境下，提供聚集攜帶能力的液相轉化為氣相，連續相黏度降低，造成雜質(zhì)脫落、聚集，其中微生物、凝析油、輕烴類(lèi)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增強了結垢黏連力和板結程度，最終導致雜質(zhì)聚集并結垢板結。

4  結垢控制措施

壓縮機結垢原因主要是由于進(jìn)氣清潔度較低，會(huì )導致壓縮機發(fā)生轉子不平衡故障、進(jìn)氣通道截面積降低、監測探頭失效等問(wèn)題[8]，嚴重時(shí)會(huì )造成機組密封、監測、計量等功能失效，影響安全生產(chǎn)。因此，應從以下兩方面對壓縮機結垢進(jìn)行控制。

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

（2）加強機組運行工況監測。在機組振動(dòng)故障分析診斷過(guò)程中，當發(fā)生監測探頭數據采集異常、轉子不平衡等相關(guān)設備故障時(shí)，應考慮內部結垢因素。在日常維護保養過(guò)程中，應關(guān)注結垢情況的變化，如出現明顯異常應及時(shí)排查上游氣質(zhì)與天然氣處理工藝。

5  結論

（1）通過(guò)對離心式壓縮機內部結垢樣本進(jìn)行SEM、紅外光譜、XRD等分析，確定了結垢樣本物理特征和化學(xué)組分。結垢主要以微米級顆粒粉塵板結形成，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）結垢原因為天然氣脫水、脫硫處理工藝無(wú)法完全去除雜質(zhì)，當固相粉塵隨著(zhù)連續相液滴進(jìn)入壓縮機組內部時(shí)，高溫高壓環(huán)境使得粉塵周邊連續相黏度降低進(jìn)而沉降，凝析油、輕烴、微生物等碳化造成雜質(zhì)板結結垢。

（3）壓縮機組內部板結結垢將導致機組振動(dòng)、動(dòng)平衡出現問(wèn)題，進(jìn)而導致機組密封、計量等部件磨損，因此應控制壓縮機發(fā)生結垢，需要確保長(cháng)輸管道內天然氣的純凈程度，從源頭上減少水、硫化氫等腐蝕介質(zhì)進(jìn)入，減輕壓縮機組內部發(fā)生結垢程度。

 

參考文獻：

[1]Baldwin,R.M.. Black Powder in the Gas Industry - Sources, Characteristics and Treatment[J].Pipe line & gas industry, 1999, 3：109-112.

[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. 榆林南區集輸管道硫化鐵形成原因分析及防護對策[J].石油化工應用，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用[D]. 成都：西南石油大學(xué)，2013.

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

[8]劉明亮，蘇炤興. 轉子結垢造成的離心壓縮機振動(dòng)故障[J]. 油氣儲運，2018，37(8)：5.

作者簡(jiǎn)介：楊昕諒，1990年生，博士，高級工程師，國際石油工程師協(xié)會(huì )（SPE）會(huì )員，2018年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油與天然氣工程專(zhuān)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。