天然气处理装置调节阀腐蚀分析

雅克拉-大涝坝集气处理站是新疆塔里木盆地中石化最大、自动化程度最高的冷凝天然气处理装置。目前，雅克拉-大涝坝天然气处理装置有56个气动控制阀（不包括机组调节阀），雅达两个调节阀由美国制成FISHER公司提供的测量分离器液相控制调节阀、三通阀、膨胀机旁路J-T阀门。据统计，80%的故障来自调节机构。调节阀是连接介质通道或改变介质流向、调节流量、压力、液位和温度的原始压力管道。调节阀由气动执行机构和阀门（调节机构）组成。气动执行机构是调节阀的驱动装置，根据控制信号驱动阀门，阀门（调节机构）是机械调节部分。

1 故障情况

(1)雅站直井测量分离器液相出口调节阀LV1001阀芯断裂，导致介质循环堵塞。原因分析结果：阀芯与阀座之间有杂质堵塞。采取措施：拆卸执行机构和阀门，发现针阀芯断裂，更换新阀芯。

(2)雅站水平井测量分离器液相控制调节阀LV1002与一级闪蒸分离器水相调节阀LDV1101阀笼和阀芯腐蚀导致调节阀关不严。

拆下检查时发现调节阀不严。

LV1002阀笼表面凹凸不平，有缝隙，环面有不同程度的坑孔，见图1。LV1002调节阀为FISHER腐蚀阀笼材料为316L。

LDV1101阀芯上端表面有开口，阀芯本体表面呈麻坑状(见图2)，导致阀芯与阀座密封不严，导致调节阀关闭不严。LDV1101调节阀为FISHER腐蚀阀笼材料为316L。

图1

图2 阀芯本体表面呈麻坑状

原因分析结果：

（a）调节阀材料(阀体材料)WCC，阀芯316L）耐腐蚀性差；

（b）由于节流对阀芯的冲刷力强，调节阀通常控制在小开度(20%)以下，导致阀内部磨损；

（c）由液相腐蚀引起。LDV接水样观察1101管道低污处，水样沉淀物呈黑色，含沙。

（3）大站液相调节阀磨损严重。大站测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洞，倒角内外有较大的腐蚀坑和沟槽(见图3)。调节阀为FISHER腐蚀阀笼材料为316L。

图3 阀笼腐蚀坑

原因分析结果：三相分离器前后压差大，计量生产分离器实际运行压力6.2MPa，三相分离器压力0.6MPa，原生产工艺见图4。

图4 原生产工艺图

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2 腐蚀原因分析

2.1 气蚀与闪蒸

根据伯努利方程，管道中流体流量的增加压力会降低。管道节流处的流体速度大大提高。压力急剧下降。如果液体流经管道节流处的压力低于蒸发压力（PVC）会产生气蚀或闪蒸。

雅克拉-大涝坝天然气处理站两站调节阀均为FISHER费希尔控制设备有限公司出版的调节阀FISHER闪蒸图(图5)和气蚀图(图6)在控制阀手册(第三版)中发现。气蚀和闪蒸是由管道节流引起的。如果液体流过管道节流，压力恢复后P仍低于汽化压力（PVC）(此时流体内仍有气泡)。这种现象被称为闪蒸。如果液体流过管道节流处，压力恢复后P高于汽化压力（PVC）此时，流体内的气泡破裂）。这种现象被称为气蚀。最严重的闪蒸损伤发生在流量最高的地方。即阀塞阀座。腐蚀是闪蒸损伤的直观表现。当气蚀发生时，气泡破裂释放的能量损坏阀塞阀座甚至附近的管道，噪声气蚀和闪蒸是阀门损坏的重要原因。

图5 闪蒸图

图6 气蚀图

   根据雅大两站的凝析油压力和管道情况，推测雅大两站装置FISHER调节阀腐蚀主要受气蚀影响。

2.2 腐蚀分析

雅克拉-大涝坝凝析气田流体介质简介：凝析气井天然气甲烷平均含量855.乙烷平均含量为45%.丙烷平均含量为31%.平均相对密度为07%.66，CO₂平均含量2.33%，H2S平均含量6.站内气相流速为82%.21～5.29m³·h^-1；冷凝油的平均密度为0.78g·cm^-3，粘度平均为2.66MPa.s，含硫量平均为0.041%的蜡含量平均为15%.96%，站内液相流速0.58～2.29m³·h^-1。在气体、水、烃和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为金属腐蚀提供了理想的腐蚀环境。

（1）CO₂分压的影响

CO₂分压越大，pH值越低，去极化反应越快，腐蚀速度越快。CO₂腐蚀的主要因素是CO2分压、温度、流速等。

（2）CO₂-Cl-H₂O腐蚀

在CO₂-Cl^-H₂O碳钢和低合金钢可产生间隙腐蚀、均匀腐蚀和点蚀，最终导致调节阀点蚀和坑蚀。CO₂是腐蚀剂，水是载体，Cl^-是催化剂。

316L图7为316L腐蚀样品表面扫描电镜图8为316L腐蚀产物能谱分析图确定腐蚀类型CO₂冲刷腐蚀。

图7 316L样品表面腐蚀SEM

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从图8可以看出，液相腐蚀产物的元素含量大于气相腐蚀产物。原因是雅克拉-大涝坝的液相腐蚀环境比气相腐蚀环境复杂，液相H₂S、CO₂、Cl^-与水相互作用，加速腐蚀率。

图8 316L腐蚀产物能谱分析结果

液相相中腐蚀产物的形成过程中，316L材质的Mo参与腐蚀形成腐蚀产物，气相中Mo液相腐蚀产物在腐蚀过程中不参与腐蚀，因此能谱图中有液相腐蚀产物Mo，气相腐蚀产物的谱图中没有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程度为102716mg·L^-1，大涝坝气田地层水的矿化程度为210297mg·L^-1，属于含盐量高的地下水。进站不稳定冷凝油进站后，温度升高，冷凝油中部分盐沉淀，导致盐结晶。导致冷凝油热交换器调节阀的盐堵塞和盐腐蚀。为减少两站热交换装置、管道、调节阀等盐堵塞和盐腐蚀，雅克拉-洪坝两站冷凝油处理装置分别增加了密闭的盐清洗过程。

建议3 防腐措施

（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和磨损。分离器液相调节阀从6开始.2MPa调节至0.6MPa，阀芯磨损严重，需要每3~4个月更换一次。2011年7月维修后，单调节阀（见图4）改为双调节阀节流（见图9）。前一个调节阀从6个测量和生产分离器液相调节阀.2MPa调节至3.0MPa，后一个调节阀将压力从3开始.0MPa调节至0.6MPa，压产逐渐减少后，阀芯磨损大大减少。

图9 改造后的流程图