海上天然气处理平台设备结垢分析及清洗工艺改进.pdf

91DOI:10.1syfh-202305016May20232023年5月CORROSION&PROTECTIONNo.5Vol.44第44卷第5期腐蚀与防护海上天然气处理平台设备结垢分析及清洗工艺改进赵璐琪，杨勇，苗建，代俊，许超，杨维（1.平顶山工业职业技术学院，平顶山46 7 0 0 0；2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，深圳518 0 0 0）摘要：海上天然气处理平台设备因长期在高温、高压、高盐等工况下运行，存在结垢、堵塞等问题后，拆卸清洗耗时、耗力。对天然气处理平台中需频繁拆卸清洗的换热器、自动反冲洗滤器、高温离心泵等设备进行了结垢分析，并通过清洗剂优选、在线清洗工艺设计和牺性阳极改造等改进措施，解决了海上天然气处理平台设备拆卸清洗难的问题。该方法可为海上其他气田设施开展此类工作提供借鉴和指导。关键词：海上平台；换热器；滤器；离心泵；清洗剂；结垢中图分类号：TG174文献标志码：B文章编号：10 0 5-7 48 X（2 0 2 3)0 5-0 0 9 1-0 5Scaling Analysis and Cleaning Technology Improvement of Offshore Natural Gas TreatmentPlatform EquipmentZHAO Luqi,YANG Yong,MIAO Jian?,DAI Jun,XU Chao,YANG Wei?(1.Pingdingshan Industrial Vocational and Technical College,Pingdingshan 467000,China;2.Shenzhen Branch of CNOOC(China)Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)Abstract:Due to long-term operation under work conditions of high temperature,high pressure and high saltcontent,the equipment of offshore natural gas treatment platform has problems such as scaling and blockage.Disassembly and cleaning the equipment cost time and energy.Scaling analysis was carried out on the heatexchangers,automatic backwash filters,high temperature centrifugal pumps and other equipment which needfrequent disassembly and cleaning.The problems of disassembly and cleaning equipment in the offshore natural gastreatment platform were solved through improvement measures including the optimization of cleaning agent,thedesign of online cleaning process and the transformation of sacrifical anode.This method can provide reference andpromotion for other offshore gas field facilities to carry out such work.Key words:offshore platform;heat exchanger;filter;centrifugal pump;cleaning agent;scaling近年来，在环保重压下，我国对于能源结构调整和煤炭使用控制提升至新的高度，天然气作为清洁能源，将成为未来能源发展的重要方向1。为应对天然气需求的急剧上升，海上天然气开发不断向深水、超深水区域迈进，与之配套的海上天然气处理平台（下简称平台）的工艺也越趋复杂2 。为配合深水、超深水区天然气开发，天然气处理平台一般会配套多级增压、乙二醇再生等主工艺系统，同时也会增大海水辅助系统的处理能力。图1为某天然气处理平台的工艺流程。该平台具有干式采油树和增压系统等典型工艺流程，为了满足生产过程中的冷量以及保证水下生产系统的流收稿日期：2 0 2 1-0 2-2 6通信作者：赵璐琪（198 8 一），讲师，硕士，研究方向为应用化工技术，18 148 0 7 6 2 6 9,6 2 47 98 50 7 动安全性，平台同时配置了一套处理量为910 0 mh的海水系统和一套乙二醇再生系统。水下返回的富乙二醇通过乙二醇再生系统进行低压闪蒸、高温再生、负压闪蒸等提纯后，重新注人水下井口，以减少天然气开发成本31平台结垢问题分析该平台主要为粤港澳大湾区提供清洁能源，每年天然气产量近6 0 亿方。随着平台高负荷运行，各设备运行瓶颈也逐步凸显，如设备结垢、堵塞等现象，这导致设备运行效率下降，严重制约平台产能，同时设备的拆卸清洗也会浪费大量的人力、物力、财力。该平台的结垢问题主要集中在以下设备处，1.1乙二醇再生系统高温离心泵结垢乙二醇再生系统主要利用蒸发原理对水下返回92赵璐琪，等：海结垢分析及清洗工艺改进一级压缩机水下井口段塞流捕集器三甘醇脱水系统海水干式采油树二级压缩机生产分离器凝析油缓冲罐海水外输海管乙二醇再生系统凝析油分离器图1某海上天然气处理平台的工艺流程Fig.1Process of an offshore platform for natural gas treatment的富乙二醇进行回收处理，因此在乙二醇再生系统处理过程中富乙二醇多处于高温状态4。水下返回的富乙二醇中含有大量盐离子，具体离子含量见表1。由表1可知，乙二醇再生系统来液由于碳酸氢根离子含量较高，属于碳酸氢钠型生产水5在乙二醇再生过程中，高温离心泵的运行温度为1081456 ，离心泵泵壳及叶导轮附近的液体很容易出现过饱和状态，且结垢物需要的形核功较低，很容易形成结晶核，因此乙二醇再生系统来液中易成垢物质会在这里析出并沉积形成垢，这导致介质流动摩擦阻力增大，大大降低泵的工作效率7乙二醇再生系统共有离心泵16 台，其中有6 台表1乙二醇再生系统来液的离子含量Tab.1Ionic content of feed fluid of ethylene glycol regeneration system离子Na*K+Mg2+Ca2+Ba+St2Fe2+CISO,2-HCO:质量浓度/mgL-1)6803605.195.260.15601.82.9011931069处于高温运行状态，而这6 台中属重沸器循环泵CEP-4853A/B结垢最为严重。长时间的高温运行导致泵头及配套管线、阀门出现结垢现象，泵出口流量、压力下降，最终导致机封泄漏。图2 为重沸器泵的阀芯和泵头结垢情况(a)阀芯(b)泵头图2 重沸器泵的结垢情况Fig.2Scaling condition of reboiler pump:(a)valve core;(b)pump head1.2换热器结垢平台设置的乙二醇再生系统和两级增压系统，需要频繁地进行热量交换，为此配置了板式换热器、螺旋式换热器、管壳式换热器等多种换热器2 0 余套。这些换热器主要分为加热器和冷却器两类。加热器通过高温（2 2 0）或低温（90）导热油对介质实现升温，其结垢主要分布在被加热端，如乙二醇再生系统的重沸器、脱盐循环加热器等。在乙二醇再生过程中需加入50%（质量分数）NaOH溶液以及30%（质量分数）NazCO：溶液等药剂，当药剂注人量不合适或者乙二醇再生系统来液中离子含量变化时，加热器极易结垢，根据水型，垢的类型主要分为碳酸钠结晶和碳酸钙类8 冷却器通过海水或者冷却水提供冷量以降低介质温度，其结垢主要分布在冷媒端，如压缩机后冷却器、冷却水冷却器等。由于冷媒端被海洋生物、污泥及垢物等堵塞，海水或冷却水中溶解度较低的盐类或污泥沉积结垢，垢的主要成分是碳酸钙、氢氧化镁和硫酸钙91.3自动反冲洗滤器结垢该平台海水系统配备有三台自动反冲洗滤器（2用1备)用于过滤海水中的杂质、海洋生物等，单套处理量为40 50 m/h。随着外输气量逐年增长，海水需求量增大，海水自动反冲洗滤器处理量也逐年递增。随之带来的直接问题是海水自动反冲洗滤器加速堵塞，不得不频繁拆卸、清洗、解堵。与冷却器类换热器类似，引起堵塞的垢主要为碳酸钙、氢氧化镁和硫酸钙。93赵璐琪，等：海结垢分析及清洗工艺改进大大2清洗工艺改进在该平台设计之初，为确保流程运转的连续性，对关键设备采用允余设置，当设备出现故障后可以切换运行，再对故障设备进行维修。设备结垢、堵塞后，通常需对其进行拆卸、清洗，具体情况如表2所示。表2 让设备清洗工艺统计表Tab.2Statistical table of equipment cleaning process工时/清洗设备材料清洗方式人工天周期/月钛合金、板式冷却器拆卸清洗4012双相不锈钢自动反冲碳钢、不锈钢拆卸、盐酸浸泡356洗滤器双相不锈钢、高温离心泵拆卸、机械除垢11不锈钢循环酸洗、拆卸、重沸器钛合金406高压水枪通过统计表可以发现，清洗方式以人工拆卸清洗为主，拆卸清洗不仅消耗大量的人力、物力，而且设备回装后还需要进行密封性试验。这严重影响设备的备用功能，为流程连续运行带来不可抗拒的风险。为此，函需优化清洗工艺或者优选清洗剂以解决该类问题，为天然气的稳定生产及产量提高提供基础。2.1清洗剂优选目前，在化学除垢方面常用的清洗剂多为酸性介质如盐酸、草酸、磷酸及柠檬酸等。对各类酸性清洗剂的性质和用途进行了对比，如表3所示9-0 表3西酸性清洗剂对比Tab.3(Comparison of acidic detergents酸性种类溶解性危害性主要用途清洗剂分析化验、酸洗盐酸无机强酸易溶有毒，腐蚀性强钢材等磷酸无机中强酸部分溶于水有毒，无腐蚀性处理金属表面多用于金属表面草酸有机强酸难浴有毒，有腐蚀性清洗和处理食品、化工、柠檬酸无机中强酸可溶无毒，弱腐蚀性纺织行业由表3可知，在这几种酸性清洗剂中，盐酸的毒性和腐蚀性较高，购买量和购买途径受国家管控，采购周期长，不适合作为清洗药剂使用。柠檬酸价格低，无毒，腐蚀性弱，且能够对钙、镁垢类有较好的溶解性。此外，由于柠檬酸不含CI-，故不会引起设备的应力腐蚀，它还能够络合Fe3+，削弱Fe3+对腐蚀的促进作用，是一种安全的清洗剂。对海域内其他气田柠檬酸使用情况进行了调研，如表4所示。表4其他气田柠檬酸使用情况Tab.4Usage of citric acid in other gas fields换热器换热器质量分数换热器设施清洗方式材质类型/%状况酸泡+注酸平台A双相不锈钢螺旋式10无异常循环十拆卸酸泡热洗+平台B钛合金螺旋式10无异常注酸循环平台C不锈钢管壳式5注酸循环无异常由表4可知，在螺旋式和管壳式换热器中，柠檬酸得到了广泛应用，其添加量以10%（质量分数）居多。在调研的基础上结合目前国内相关行业酸洗施工标准1-12，优选质量分数为10%的柠檬酸作为本平台的清洗剂。2.2高温离心泵在线清洗工艺设计在充分调研现场工艺流程的基础上，设计了乙二醇再生系统高温离心泵在线清洗工艺，如图3所示。该工艺创新性地利用设备排放口将所需清洗的高温离心泵和换热器串联，实现多设备同时清洗，同时利用换热器自身的容积为酸洗剂循环提供缓冲，这大大减轻了乙二醇再生系统高温离心泵拆卸清洗的工作量。另外，该工艺通过外接管线将所需清洗的离心泵和预处理换热器相连接，使用外接气动泵实现注酸和循环清洗功能13141预处理加热器A生再生塔预闪蒸单元单预处理预处理加热器单元重沸器循环泵A清洗流程重沸器循气动泵环泵B图3乙二醇再生系统高温离心泵在线清洗工艺示意图Fig.3Schematic diagram of high temperature centrifugalpump online cleaning process in ethylene glycolregeneration system经过清洗后，重沸器循环泵泵头、管线和沿程阀门处的垢得到有效去除，同时原本机械密封处微小94赵璐琪，等：海上天然气处理平台设备结垢分析及清洗工艺改进渗漏也随之消失。分析认为，在线清洗过程中酸液将石墨环之间的垢有效溶解，当泵重启后动静环之间重新建立液封，渗漏得到有效解决15。可见，离心泵在线清洗工艺改造取得了较好的应用效果。2.3自动反冲洗滤器在线清洗工艺设计自动反冲洗滤器体积为5.8 m，若采用常规的低进高出满罐酸洗，需要注入柠檬酸7.5m（加上进出口管线体积），而滤芯处于中上部位，高度仅为0.75m，大部分的酸液将无法发挥作用。通过对现场流程和设备结构图的研究结合滤器反洗功能，提出了“酸洗不满罐、浸泡不静置、洗后不排液”的“三不”酸洗法，即：滤器不用满罐操作，确保漫过滤芯即可；在浸泡过程中启动反冲洗功能，电机带动滤芯转动提高酸洗效果；清洗完成后将酸液回收，用于下次酸洗。该工艺在保证酸洗效果的同时尽可能减少了柠檬酸的消耗16 。图4为自动反冲洗滤器在线清洗工艺示意图，分为清洗流程（酸液加注和循环）及回收流程，回收流程开启时将气动泵进出口调换。排海+用户清洗流程PDT酸洗剂罐海水提开泵气动泵回收流程排海图4自动反冲洗滤器在线清洗工艺示意图Fig.4Online cleaning process diagram of automaticbackwashfilter该自动反冲洗滤器在线清洗工艺需注人酸液6.5m清洗完成后回收酸液6 m。经过36 h的循环、浸泡、反洗等步骤后，柠檬酸的pH由2.0 5上升至2.16。柠檬酸回收价值高，具备继续循环使用的条件。在同等条件下，对清洗前后自动反冲洗滤器进行了测试，该滤器的运行压差由清洗前的34kPa下降至清洗后的2.5kPa，清洗效果明显。3设备防腐蚀措施改进3.1缓蚀剂平台发生结垢的各类设备的材料以双相不锈钢和钛合金为主，海水自动反冲洗滤器滤芯为不锈钢，但内部件以碳钢为主。10%的柠檬酸会对碳钢造成一定程度的腐蚀。除控制酸洗持续时间外，在酸洗剂中添加缓蚀剂也是防止设备腐蚀的有效措施。为此，以耐蚀性较差的碳钢为基础，进行酸洗缓蚀剂的筛选。硫脲和乌洛托品是两种目前应用相对广泛的缓蚀剂17-18 。通过正交试验确定硫脲和乌洛托品复配缓蚀剂在10%的柠檬酸溶液中的最佳添加量。以乌洛托品和硫脲作为两因素，以不同的添加量作为不同水平，以失重法测得的缓蚀效率作为试验指标，使用正交表L。（3X 3）进行正交试验。并使用计算机minitab19软件对试验结果进行分析。结果表明，当复配缓蚀剂添加量为1%（质量分数）硫脲十1%（质量分数)乌洛托品时，碳钢表面轻微腐蚀，缓蚀效率达到了8 5.557%193.2牺牲阳极为保护容器本体，对自动反冲洗滤器采用了牺牲阳极阴极保护法2 0 ，即在容器内部上、中、下位置安装了三层锌块。为研究锌块在清洗过程中的损耗情况，将锌块浸泡在10%的柠檬酸中进行腐蚀试验。在试验过程中，锌块表面有明显的气泡产生。通过失重法计算得到柠檬酸对锌块的损耗达到了0.02g/h，损耗速率较快，因此长期在线清洗必然会导致锌块损耗加剧，从而增加开盖次数，这与在线清洗设计初衷相违背。为此，对锌块分布方式进行了改造：增大并上移上部锌块，取消下部和中部锌块。在线清洗时，柠檬酸清洗剂不充满罐体，这样在实现在线清洗的同时锌块也不会被柠檬酸损耗，从而保证设备防腐蚀措施的有效性。4交效果分析对改进后平台各设备结垢和清洗情况进行了跟踪。结果表明：通过在线清洗和相应的防腐蚀措施改进后，自动反冲洗滤器的开盖时长从改进前的6月/次变为2 4月/次，单次清洗所需工时从35人工天变为4人工天；高温离心泵的拆卸频率从1次/月变为0.2 5次/月，清洗工时从2 4人工时（拆卸清洗）变为3人工时（在线清洗）；换热器的清洗工时从40人工时（拆卸清洗）变为10 人工时（在线清洗）。可见，在线清洗及防腐蚀改进措施不仅使平台设备实现安全、高效、经济的在线酸洗，同时降低了设备开盖、拆卸清洗的频率，有效降低现场作业人员的劳动强度。5结论（1）10%（质量分数）柠檬酸能够有效去除碳酸95（上接第90 页）（上接第8 2 页）AAAAAAAAAAAA赵璐琪，等：海备结垢分析及清洗工艺改进大大钙、氢氧化镁和硫酸钙等垢类，有效提升过滤器、离心泵及换热器运行效率。（2）在线清洗工艺的应用有效降低了高温离心泵拆卸频率和延长大型滤器开盖周期，同时实现酸液回收，降低了清洗成本。（3）在柠檬酸中添加复配缓蚀剂以及对牺牲阳极进行改造，可确保设备结垢后有效去除，同时确保了设备防腐蚀措施的有效性。天然气处理平台在线清洗工艺的设计和应用提高了结垢设备清洗的便捷性，为海上气田设施提供了可借鉴的工作思路，具有一定的推广价值。参考文献：1周守为，朱军龙，单彤文，等中国天然气及LNG产业的发展现状及展望J.中国海上油气，2 0 2 2,34（1）：1-8.2谷家扬张力腿平台复杂动力响应及涡激特性研究D.上海：上海交通大学，2 0 13.3杨勇，吴海涛，宗俊斌，等乙二醇再生系统工艺创新性改造J.天然气技术与经济，2 0 2 0，14（2）：46-51，92.4唐文献，赵磊，李华，等乙二醇再生与回收系统的预处理及脱水再生工艺参数优选中国海上油气，2020,32(2):142-149.5郭伟脱盐闪蒸单元提前投用对乙二醇回收系统的意义J中小企业管理与科技（上旬刊），2 0 17（8）：17 7-178.6杨勇，宗俊斌，赵迎涛，等乙二醇回收装置中脱水单元的操作优化J.辽宁化工，2 0 17，46（5）：513-515.7张旭昀，王文泉，郭斌，等CaCO：在Fe（10 0）表面成垢机制的第一性原理研究J.材料导报，2 0 19，33(6):965-969.17郝文旭，张健。碳钢材料的保温层下腐蚀及防护措施J.石油和化工设备，2 0 17，2 0（11）：6 3-6 5.18金烟，陈阵，呼立红，等系统管线保温层下腐蚀调查研究J.石油化工腐蚀与防护，2 0 19,36（1）：8-13.19刘小辉，邱志刚，叶成龙.保温层下腐蚀检查与实施J.涂料技术与文摘，2 0 15，36（10）：13-15,2 0.15邵静，刘福国，王秀通，等海洋平台阴极保护与监测技术的应用J.装备环境工程，2 0 18，15（3）：2 4-2 8.8宗俊斌乙二醇回收系统化学药剂的应用分析J精细石油化工进展，2 0 17,18（5）：2 9-32.9苗建，鲁旭涛，韩笑，等，海上气田天然气冷却器在线酸洗研究J.天然气与石油，2 0 2 0，38（4）：48-52.10孔纲，吴双，卢锦堂，等。柠檬酸及其盐在金属防护中的应用研究现状J.电镀与涂饰，2 0 11，30（11）：53-56.11白鹤，武卫锋，翁良宇，等化学清洗处理高含油率油基钻屑的研究J天然气与石油，2 0 18，36（3）：7 6-80.12林涛，宗俊斌，吴海涛，等.南海某平台降低水下气田化学药剂消耗的实践J.石油化工应用，2 0 17，36(5):62-65,76.13杨勇，谢志前，宗俊斌，等。一种用于乙二醇再生系统中离心泵装置的酸洗系统：CN212525192UP.2021-02-12.14谌洪建隔膜泵保护参数现场合理选择一例J矿山机械，2 0 0 7,35（9）：16 6-16 7.15闫俊杰，李弘扬，李立，等。机械密封失效原因分析及其改进措施J.化工安全与环境，2 0 2 2，35（8）：2 0-24.16王丰万，周永璋。常温快速除氧化皮酸洗工艺材料保护,2 0 0 4,37(4)：18-19,7.17张玉福，冯斌。国内酸洗缓蚀剂研制及应用湖南电力，2 0 0 0,2 0(1)：1-2,11.18李波，刘彦博。DDN-001柠檬酸缓蚀剂的研制和应用J.黑龙江电力，2 0 0 1,2 3（1)：49-51.19杨勇，张俊山，赵迎涛，等硫脲复配缓蚀剂对碳钢缓蚀性能的研究及应用J齐鲁石油化工，2 0 2 1，49(1):32-35.20刘明.电化学防护技术在化工管道防腐中的应用探讨J.化工管理，2 0 16（2 4）：18 0.16曹亚洲船舶全寿命期腐蚀防护设计研究D.大连：大连理工大学17杨树敏，董广河.阴极保护系统在“海洋石油118 FP-SO”上的应用J.船海工程，2 0 16，45（5)7 6-7 8，8 2.18刘磊.船体阴极保护电位分布研究D.大连：大连理工大学。19Rules for the classification of steel ships:BV-NR4672013S.S.1.:BureauVeritas,2013.20牛雪莲，陈昌平。海洋工程钢结构腐蚀防护的研究进展J船舶工程，2 0 19，41（4）：10 0-10 3