天然气站场常见泄漏的原因分析与治理技术探讨.pdf

| www. c h in a g a s . o r g . c n | 城市燃气2 0 0 6 / 1 1 V o l. 3 8 1 沙、 株洲、 湘潭、 衡阳等大中城市推广应用天然气汽 车提供了天然气气源保障。长沙市政府已将大规模 发展和推广应用天然气汽车N G V 列入了“十一五“ 城市建设发展总体规划。以科技为动力大力发展和 推广应用天然气汽车必将促进长沙市空气质量、 投 资环境的改善和经济发展。 参考文献 1龚金科主编.汽车排放污染及控制.人民交通出版社. 2 0 0 5 , 4 2肖永清、 杨忠敏编著.汽车的发展与未来.化学工业出版社. 2 0 0 4 , 3 3邵毅明主编.压缩天然气汽车改装与维修.人民交通出版 社. 2 0 0 4 , 5 4刘玉梅主编.汽车节能技术与原理.机械工业出版社. 2 0 0 3 , 3 5祖因希主编.汽车加油加气站安全技术与管理.化学工业 出版社. 2 0 0 5 , 4 天然气站场常见泄漏的原因分析与治理技术探讨 中国石油天然气管道局秦皇岛输油气 公司066000朱喜平付京晶 1前言 天然气作为一种洁净的能源,越来越受到人们 的青睐。 在整个集输系统中, 天然气站场在整个输气 工艺中占很大的比重, 是非常重要的环节, 其可靠性 在很大程度上决定影响整个管输系统的安全。天然 气站场的设备多, 流程复杂, 密封点多, 泄漏的概率 大。站场天然气一旦泄漏, 小则影响正常生产, 大则 造成人员伤亡、 环境严重污染、 爆炸等恶性事故, 造 成巨大经济损失。近几年, 天然气站场的泄漏、 穿刺 事件时有发生, 严重影响安全生产。 天然气站场的事 故, 除了违规操作, 大多由于泄漏引起的, 我们要给 予足够的关注和重视。 2常见泄漏的种类 一般天然气计量站场的设备主要有分离器 有 立式和卧式两种 , 收、 发球筒、 阀门 包括 球阀、 旋 塞阀、 闸阀等 、 汇气管、 管线 主要有正常外输管线、 放空管线、 排污管线等 。 其它的如变送器 温度变送 器、 压力变送器等 、 清管球通过指示器、 温度表、 压 力表等, 这些设备和仪器、 仪表之间的连接形式主要 是法兰连接、 焊接和螺纹连接。在天然气站场, 最常 漏气的位置就是静密封点处,如法兰、螺纹接口处 的,但管线穿孔泄漏也时有发生,主要是管线弯头 处, 特别是排污管线和放空管线的弯头处, 在线路上 最常见的泄漏是由第三方破坏和管道穿孔引起的。 根据现场实际常见的泄漏有以下几种 1 法兰之间 的泄漏; 2 管道泄漏; 3 螺纹泄漏; 4 阀门泄漏。 3常见泄漏的原因分析与处理措施 摘要本文首先对天然气站场设备和其连接形式进行简要介绍, 在此基础上根据现场实际总结出4种天然气站场主 要的泄漏形式, 对每种泄漏的原因从理论和实际两方面进行了分析, 并对每种泄漏指出相应的处理措施, 文后提出8 条解决天然气站场泄漏问题的建议。 关键词天然气站场泄漏分析研究 燃 气 技 术 燃气技术 8 | www. c h in a g a s . o r g . c n | 城市燃气2 0 0 6 / 1 1 V o l. 3 8 1 3 . 1法兰间泄漏 法兰连接是天然气管道和设备连接的主要形 式, 其泄漏也是天然气站场泄漏的最为主要的形式。 法兰密封主要是依靠其连接的螺栓产生的预紧力, 通过垫片达到足够的工作密封比压,来阻止天然气 外漏。对于天然气管道, 由于其输送介质具有腐蚀、 高压以及输送过程中产生的振动等特点引起天然气 管道法兰密封失效, 造成泄漏。 天然气站场法兰泄漏 主要有以下原因 1 密封垫片压紧力不足, 法兰结合面粗燥, 安 装密封垫出现偏装, 螺栓松紧不一, 两法兰中心线偏 移。这种泄漏主要由于施工、 安装质量引起的, 主要 发生在投产施压阶段; 2 由于脉冲流、 工艺设计不合理, 减振措施不 到位或外界因素造成管道振动, 致使螺栓松动, 造成 泄漏; 3 管道变形或沉降造成泄漏; 4 螺栓由于热胀冷缩等原因造成的伸长及变 形, 在季节交替时的泄漏主要是由这种故障引起的。 5 密封垫片长期使用, 产生塑性变形、 回弹力 下降以及垫片材料老化等造成泄漏,这种泄漏在老 管线上比较常见。 6 天然气腐蚀, 造成泄漏, 这种情况比较少见, 但由于垫片和法兰质量问题可能产生此种泄漏。 对于法兰泄漏, 一旦发现, 应采取相应的措施及 时处理, 否则会造成刺漏, 严重影响安全生产。对于 法兰泄漏,首先通过降压和放空采用重新拧紧螺栓 得方法进行处理。对于采用这种方法处理效果不好 的, 根据生产情况分别加以处理 如果可以停输, 则 关闭泄漏处两边阀门, 进行放空置换后更换新垫片, 重新拧紧。 对于不可停输的, 则要及时采用法兰堵漏 技术进行处理。根据现场使用情况, 为了减少泄漏, 法兰垫片最好根据法兰结构使用缠绕式金属垫片、 金属圆环垫片或金属八角垫片。 3 . 2管道泄漏 3 . 2 . 1夹渣、 气孔、 未焊透、 裂纹等焊接缺陷引起的泄 漏,随着焊接技术的发展和施工质量以及检测手段 的提高, 这种焊接缺陷逐渐减少。 3 . 2 . 2腐蚀引起的泄漏 天然气站场管道引起腐蚀的原因很多,常见的 有 ①周围介质引起的均匀腐蚀 这种腐蚀造成的泄漏主要出现在老管线上, 随 着时间的推移, 管线内外壁一层层的腐蚀而剥落, 最 后造成大面积的穿孔,最终造成管道泄漏事故的发 生。 ②应力引起的腐蚀 金属材料的应力腐蚀,是指在静拉伸应力和腐 蚀介质的共同作用下, 使应力集中处产生破坏。 这种 腐蚀危害性较大, 一般在没有先兆的情况下, 能够迅 速扩展产生突然断裂, 发生严重的泄漏事故。 ③氧和水引起的腐蚀 氧和水的存在是造成管道内部腐蚀的主要原因 之一。 钢管中焊有铁元素, 它和与水和氧发生化学作 用, 最后生成三氧化二铁, 并放出氢气, 造成管道内 部腐蚀。 2 F e O2H2O→F e 2O3 2 H ↑ 减少水的措施做好施工期的管理工作和投产 时的清管工作。投产时, 对管道进行干燥处理; 做好 运行期的脱水和脱氧工作。 ④硫和细菌引起的腐蚀 天然气中含有硫化氢等硫化物,在运输时和管 道反应, 生成硫化铁, 并在管内活化剂 氧气 的作用 下, 产生腐蚀, 其反应如下 3 F e S 2 O2→F e 3O4 3 S 4 F e S 3 O2→2 F e 2O3 4 S 管道中还有一种细菌存在,这种细菌叫硫酸盐 还原菌, 它一般附着于管线的内表面, 利用硫酸盐类 进行繁殖。管道硫酸盐的生成反应式如下 F e S 2 O2→2 F e S O4 上式中的硫酸盐在还原菌的作用下,生成腐蚀 生成物四氧化三铁, 反应如下 3 F e S O4 3 H2O→ F e 3O4 3 H2S O4 ⑤氢引起的腐蚀 目前, 除去H 2S的技术较高, 但由于输送压力的 提高, 造成硫化氢的分压提高, 从而使H I C 氢脆 更 为突出。 其产生的机理如下 1 天然气中所含的硫化氢遇水形成硫和氢的 离子; H2S→ 2 H S2 - 2 铁夺取H的正电荷, 形成F e 2 以及 H原子; 燃 气 技 术 9 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m | www. c h in a g a s . o r g . c n | 城市燃气2 0 0 6 / 1 1 V o l. 3 8 1 F e 2 H → F e2 2 H 3 生成硫化铁 F e 2 S 2 - → F e S H原子的体积很小,根据分压的大小向钢中扩 散。H原子首先聚集于非金属夹杂物,气孔及偏析 中。在存留处,H原子变成氢分子, 体积增大2 0倍, 体积增大的过程中, 存留处压力急剧增大, 如超过金 属开裂应力时, 造成裂纹扩展; 如在内表面, 形成鼓 泡, 在内侧则形成平行于金属表面的裂纹。同时,H 原子与钢中不稳定的碳化物起反应生成C H 4,造成 钢局部脱碳,C H4在缺陷或晶界处聚集, 产生大量的 晶界裂纹和鼓泡, 使钢材变得松、 脆, 最后造成破毁。 ⑥其他常见的还有原电池腐蚀、 晶界腐蚀等。 3 . 2 . 3冲刷引起的泄漏 由于冲刷原因造成站场泄漏的事故较多,比较 容易出现此类故障的部位是管道弯头,特别是流速 较快的弯头处, 造成这种泄漏主要有以下几个原因 ①从加工角度来说, 对于冲压成型和冷煨、 热煨 成型的弯头,弯曲半径最大的一侧存在着加工减薄 量; ②天然气流速较快, 流经弯头时, 对管壁产生较 大的冲刷力, 在冲刷力的作用下, 管壁金属不断地被 带走, 壁厚逐渐变薄, 最后造成泄漏。 对于下游站场的弯头,由于上游的硫化铁铁粉 等杂质跟随管线到达下游, 这些杂质的存在, 加速了 磨损速度。天然气站场排污管线靠近排污池的弯头 最容易穿孔,这也是因为排污管线排污频繁、气质 脏, 靠近排污池的气流速度非常快, 造成磨损严重, 因而造成穿孔泄漏。此种情况已经在多个站场都发 生过, 应给予重视。 ③调压阀的阀体也是容易被刺坏的地方。 预防措施 ①周期性清管, 减少硫化铁铁粉; ②根据下游用气量做好管道末端气量的储存, 尤其在冬季大气量来临之前, 以备用气充分, 避免气 流速度过快, 导致管道里边扬尘, 造成很大的磨损。 ③做好设计, 弯头厚度要加厚。 3 . 2 . 4振动引起的泄漏 管道的振动使法兰的连接螺栓松动,垫片上的 密封比压下降, 振动还会使管道焊缝内缺陷扩展, 最 终导致严重的泄漏事故。 天然气管道振动的成因 ①管线内压力脉动引起管道的振动 气流的脉动是引起天然气管道振动的最主要的 原因,在长输天然气管道上常用压缩机给天然气加 压, 压缩机周期性地、 间歇地进气和排气, 结果引起 管路内气流压力的脉动,当脉动气流在管线内传播 碰到弯头、 变径管、 汇管以及盲板等时, 管道系统受 到周期性的激振力,在激振力的作用下引起管道及 其附属设备的振动。 ②压缩机的振动引起管线的振动 当压缩机工作时,由于活塞组存在往复惯性力 及力矩的不平衡、 旋转转惯性力及力矩的不平衡、 连 杆摆动惯性力的存在以及机器重心的周期性移动等 各种复杂合力的作用,使压缩机工作时产生机械振 动, 从而引起和其相连的管道的振动。 ③风力引起的振动 当裸露的管子在受到风力时,会产生卡曼涡流 效应, 引起管子的振动。 所谓卡曼涡流是指当流体垂 直于管子流动时,在管子的背面将产生有规则的涡 流, 因而出现交替的横向力, 称为卡曼涡流。 ④共振引起管道剧烈振动 当激振力的频率和管道以及设备的固有频率相 同时, 会引起管道和设备强烈的振动。如 卡曼涡流 的频率、脉动流的频率以及压缩机的振动频率和管 道的固有频率相同时, 会产生共振, 有可能引起管子 和设备的破毁。 管道减振可以通过两条途径来解决①控制管 流的压力脉动。②调整管系的结点, 改变固有频率, 减少振动, 避免产生共振。 3 . 3螺纹泄漏 目前, 天然气站场常采用用的A P I锥管螺纹连 接, 锥管螺纹包括圆螺纹、 偏梯形螺纹, 设计锥度为 1 / 8 半径方向 , 其密封是由内、 外螺纹啮合的紧密 程度决定的。 由于结构设计的原因, 啮合螺纹间存在 一定的间隙。圆螺纹主要在啮合螺纹齿顶和齿底形 成螺旋形通道,偏梯形螺纹主要在啮合螺纹导向面 间, 以及螺纹齿顶和齿底之间存在螺旋形通道。 由于 泄漏通道的存在,严重影响了A P I螺纹的密封性。 在名义尺寸下,圆螺纹齿顶和齿底之间的间隙为 0 . 0 7 6 2 m m, 偏 梯 形 螺 纹 在 齿 导 向 面 的 间 隙 为 0 . 0 2 5 m m,远大于天然气分子直径。所以从本质上 燃 气 技 术 1 0 w w w . b z f x w . c o m | www. c h in a g a s . o r g . c n | 城市燃气2 0 0 6 / 1 1 V o l. 3 8 1 讲,A P I螺纹不具备密封能力, 其密封性是通过使用 螺纹脂里的一些固体物质 如铜、 铅、 锌和石墨等 来 堵塞这些通道来获得的, 或通过表面处理 如镀铜、 锌、 锡等软金属 来减小间隙。 要提高密封性能, 必须 有足够大的接触压力和足够小的螺纹间隙。温度变 化时, 螺纹连接部位可能发生应力松弛, 也可能造成 接触压力下降, 使密封性能下降, 振动也造成螺纹连 接变松。 管螺纹密封的泄漏跟使用的密封材料有直接关 系。我国普遍使用铅油麻丝、 聚四氟乙烯胶带密封。 铅油麻丝等溶剂型填料在液态时能填满间隙,固化 后溶剂挥发, 导致收缩龟裂, 而且耐化学性能差, 很 容易渗漏。 聚四氟乙烯胶带不可能完全紧密填充, 调 整时容易断丝, 易堵塞管路阀门, 而且聚四氟乙烯和 金属磨擦系数低, 管螺纹很容易松动, 密封效果也不 是很好。 为了减少螺纹连接泄漏,可采取以下措 施 ①建议采用具有弹性密封环结构的螺纹连接; ②对于主干线连接的地方, 建议采用焊接; 3 . 4阀门泄漏 阀门由于受到天然气的温度, 压力、 冲刷、 振动 腐蚀的影响, 以及阀门生产制作中存在的缺陷, 阀门 在使用过程中不可避免的产生泄漏,常见的泄漏多 发生在填料密封处、 法兰连接处、 焊接连接处、 丝口 连接处及阀体的薄弱部位上。 1连接法兰及压盖法兰泄漏,这种泄漏一般 通过在降压的情况下, 通过拧紧螺栓得以解决; 2焊缝泄漏; 对于焊接体球阀, 有可能存在焊 接缺陷, 出现泄漏, 这种泄漏很少见。 3阀体泄漏阀体的泄漏主要是由于阀门生 产过程中的铸造缺陷所引起的, 当然, 天然气的腐蚀 和冲刷造成阀体泄漏, 这种泄漏常出现在调压阀上。 4填料泄漏阀门阀杆采用填料密封结构处 所发生的泄漏, 长时间使用填料老化、 磨损、 腐蚀等 使其失效, 通过更换填料或拧紧能够得以解决。 5注脂嘴的泄漏; 一般是由于单向阀失效造成的,在压力不高的情况 下注入密封脂可得到解决。 6排污嘴泄漏, 一旦发现及时更换。 4结束语 天然气站场由于泄漏引起的事故时有发生, 造 成严重的后果,为了使天然气站场的泄漏得到有效 的控制, 减少泄漏, 笔者认为要从设计和管理两方面 入手, 才能取得较好的效果。 4 . 1变法兰连接和螺纹连接为焊接, 减少漏起点和 静密封点 目前, 新建管线的主要阀门都采用焊接形式, 这 当然要在阀门的质量有保证的情况下进行,对主干 线相连的压力表、变送器以及干线截断阀的根部阀 都应采用焊接。 4 . 2冗余设计 对排污管线和放空管线来说,最好采用双阀设 计, 用一阀保证密封, 用另一阀用来截流。同时管线 和弯头, 尤其是弯头因该采取冗余设计。 4 . 3加强日常巡检、 维护和管理 1 坚持两小时巡检制和点检制。 2 巡检时对静密封点重点进行检查。 4 . 4站场建立可燃气体报警系统,一旦出现泄漏, 可及时进行报警。 4 . 5采用先进技术对站场设备和管线进行检查 1 采用无损检测和声发射技术对站场管道、 分 离器以及收发球筒进行全面检测; 2 对站场关键及薄弱的位置比如弯头、 调压阀 阀体等定期进行厚度测量, 并进行跟踪, 对减薄厉害 处进行全面跟踪。 4 . 6加强气质管理, 减少管道腐蚀 4 . 7做好末端储气工作。避免下游流体速度过快, 导致冲刷严重 4 . 8做好清管工作和分离过滤以及天然气的净化 工作 参考文献 1常贵宁,刘吉东等.工业泄漏与治理.中国石化出版社, 2 0 0 1,6 2季文美等.机械振动.科学出版社, 1 9 8 5 . 3蔡尔辅.石油化工管线设计.化学工业出版社, 1 9 9 5 4卡扎凯维奇.地上管道和悬吊管道的空气动力稳定性, 1 9 8 1 燃 气 技 术 1 1 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载