集输管道系统安全阀拒动失效原因分析
时间：2023-04-24 14:05:05 来源：千叶帆 本文已影响人
王 琪 范永奇 胡 英 杨贵荣 徐仁朋
（河南油田分公司技术检测中心 南阳 473132）
安全阀是特种设备（锅炉、压力容器、压力管道等）上的一种起到限压、泄压作用的安全保护附件。它不借助任何外力而利用介质本身的力来排出一定数量的流体,以防止压力超过额定的安全值。当压力恢复正常后,阀门再行关闭并阻止介质继续流出。[1]其动作可靠性和工作性能好坏直接关系到特种设备的运行安全。如果安全阀超过规定设置压力值,不能及时开启排出承压设备内介质的现象称之为拒动失效,这对运行中的特种设备危害非常大,一旦锅炉、压力容器和压力管道中的介质压力超过额定值时,安全阀不动作,设备在超压状态下运行,极易造成运行设备损坏,进而有发生重大安全事故的可能。因此相关的规程标准要求应对其进行日常检查维护,每年至少开展1次定期校验,[1]以保证其工作正常有效。
2021年,笔者单位在开展海外某油田集输系统安全阀校验时,采用在线检测技术进行一次校验,发现X号集输站内10余只安全阀无法正常开启,在线校验仪器显示整定压力值严重超过标准要求,判定为拒动失效。为了查明失效原因,通过勘查现场、解体分析和实验测试,找出了该站安全阀整体拒动失效的原因,消除了安全隐患,避免了安全事故的发生。
1.1 安全阀安装位置及工艺流程
该集输站内井口来油管线上安装了13只安全阀,安装位置见图1。该管道设计压力为4.5 MPa,正常工作压力为1.2 MPa,考虑集输管道需进行定期清管作业,安全阀整定压力设定为4.0 MPa。管道内介质为原油、伴生气及水的混合物。因介质为易燃、易爆物质,按标准要求不能直接外排到自然环境中,如果因管道超压安全阀开启,排出物将通过出口管道汇流进入地排罐中,其工艺流程如图2所示。
图1 安全阀安装现场
图2 工艺流程图
1.2 校验过程
采用在线校验技术进行现场校验X号集输站内集输管道上的安全阀时,现场操作人员按照预设的参数输入在线校验仪,使用便携式液压泵对安全阀阀杆施加外加力,达到预设拉力值时,安全阀没有及时开启；
再次确认参数设置无误后,加大在线校验仪拉力值到预设的120%,安全阀仍没有开启,初步判定为拒动失效。而后检测该站内其余的12只安全阀又出现同样情况。为了确保生产安全稳定运行,采取隔离措施后,分批拆除该站所有安全阀,对其解体后发现阀体内腔、压紧弹簧及弹簧座等组件出现较严重的锈蚀,造成阀杆与下弹簧座、导向套粘连,致使在线校验时达到预设拉力值后,无法完成起跳动作造成拒动失效。而在检测该油田其他集输站内的安全阀时没有出现此类情况。为了确保集输管道的安全平稳运行,十分有必要查明发生此类现象的原因,预防安全事故的发生。
安全阀解体后观察到：阀体内出现少量水迹,腔体内出现大量腐蚀锈迹（见图3）,阀杆与弹簧下底座、阀杆与导向套之间锈死（见图4）,致使阀杆不能上下活动,造成安全阀无法开启。
图3 出现大量锈迹的阀体内情况
图4 出现粘连的阀杆与下弹簧座
现场勘察观测到：拆除管道上的安全阀后,观测到进口侧管道上截止阀及安全阀进口腔体内无明显腐蚀痕迹,其中3只安全阀出口及腔体内有原油流出的痕迹,证明该集输管道系统在运行过程中安全阀出现过超压起跳现象,其余无原油流出迹象,腐蚀物质应不是从进口处流入；
观察发现安全阀的出口管道内有腐蚀痕迹并且有少量的水珠流出（见图5、图6）,水珠不断地集聚在安全阀的腔体内,形成潮湿腐蚀环境。
图5 安全阀出口处的腐蚀情况
图6 出口处有水珠流出
3.1 运行情况调查
查看站内运行记录,设备运行正常,无异常现象记录。正常情况下,安全阀腔体及出口管线应保持干燥,只会出现轻微的自然腐蚀。查看其工艺流程及安装位置,符合标准要求。
经询问站内作业人员了解到,该站在2020年的一次管道通球清管作业时,由于通球卡堵,解堵作业采用泵车注水加压的方式提高管道内压力,推动通球到达收球筒,由于作业时不慎,产生水击效应,造成管道内压力迅速升高,收球筒安全阀、单井管道安全阀及主管道安全阀全部开启,大量的油水混合物通过安全阀出口排入地排罐内,由于液位没有超过警戒上限位,因此罐内介质长期没有进行回收处理。
在现场勘察及解体修理中,发现有3只安全阀出现过超压起跳现象,腔体内及出口处有原油泄漏后的痕迹,见图7、图8,也证明了这次作业引起安全阀超压起跳事件发生。
图7 安全阀腔体内的原油
图8 出口管道内的原油
同时受新冠肺炎疫情的影响,当地采取封闭管理,2020年度未能按规定开展安全阀年度校验工作,到本次校验间隔时间为26个月。
3.2 地排罐及呼吸阀检查
●3.2.1 现场检查情况
现场检查地排罐,液位显示为正常状态,罐内液位不到满液位的1/4,储罐上压力传感器无数字显示,不能准确确定其内部压力。后手动打开放空管道阀门目视可见有气体排出,正常工作状况呼吸阀会及时地排出罐内的气体与外界保持压力平衡,放空管内不应有大量气体排出,与其相连接的管道及安全阀腔体内也不应产生水等腐蚀介质,校验其他相同工况的集输站的安全阀也未出现此种情况,初步确定地排罐上单向呼吸阀已失效。
●3.2.2 呼吸阀的作用
呼吸阀是指既保证贮罐空间在一定压力范围内与大气隔绝,又能保证其在超过或低于此压力范围时与大气相通（呼吸）的一种阀门。其作用是防止贮罐因超压或真空导致破坏,同时可减少贮液的蒸发损失。主要由阀座、阀罩、保护罩及由真空和压力控制的2组启闭装置组成。启闭装置包括阀瓣、导杆、弹簧、弹簧座及密封环等。当罐内压力达到额定呼出正压时,压力阀瓣开启,罐内蒸气排出；
当罐内真空度达到额定吸入负压时,真空阀瓣开启,空气进入。[2]其原理是利用正负压阀盘的重量来控制储罐的排气正压和吸气负压；
当往罐外抽出介质,使罐内上部气体空间的压力下降,达到呼吸阀的操作负压时,罐外的大气将顶开呼吸阀的负压阀盘,外界气体进入罐内,使罐内的真空度不再继续下降,罐内与罐外的气压将维持平衡,保护储罐的安全运行。
●3.2.3 呼吸阀失效原因分析
观察地排罐上的呼吸阀,发现其上的连接管道出口有原油喷出痕迹,分析应为清管作业时安全阀起跳后大量的原油、伴生气和水的混合物进入罐内,造成地排罐内瞬间压力升高导致油气水混合物从呼吸阀出口喷出,致使呼吸阀内正负压阀盘上沾染大量油污,进而造成阀盘与阀盘之间粘连,导致呼吸阀损坏失效无法正常工作,其内部产生的混合蒸气也就无法及时排出。
因现场条件所限,不能及时更换该呼吸阀,只能采取打开放空阀排除多余气体的应急措施,待购置后及时更换。
3.3 安全阀腔体内水产生原因
为何地排罐呼吸阀失效损坏,会在安全阀腔体内产生水迹,这与当地的自然环境有很大的关系,该油田所在地为热带草原性气候特征,全年高温且昼夜温差大,白天最高气温达43 ℃,太阳直射地表温度可高达70 ℃以上,而夜间最低温度降到20 ℃左右,白天油水混合物在热量的作用下蒸发成雾气,由于呼吸阀功能失效,排空罐内产生的水汽不能及时向外排空,只能充满管道及各个安全阀的腔体。
由水的三相图（如图9所示）可知,如果其温度及水分压的坐标在水相图中OA线之下,则两节点间不会出现游离水,也就意味着节点间的设备不会发生腐蚀；
如果温度及水分压的坐标在水相图中OA线之上,则两节点间可能会有游离水出现。[3]白天随着温度的增高,储罐内水蒸气的分压不断增高,当气温降低,罐内压力降低,饱和蒸汽冷凝析出游离水流入安全阀腔体内聚集。
图9 水的三相图
3.4 腐蚀产生原因分析
●3.4.1 自然条件下的主要腐蚀类型
在自然条件下,各类金属都会发生不同程度的腐蚀情况,主要的腐蚀类型为化学腐蚀和电化学腐蚀,化学腐蚀即金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀；
电化学腐蚀即金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触, 通过电极反应产生的腐蚀。电化学腐蚀发生的3个必备条件：1）不同金属间必须存在电化学反应；
2）金属间必须有电接触点；
3）金属必须暴露在同一电解质中。[4]
●3.4.2 本案例为典型的电化学腐蚀
从解体的情况（见图10）来看,此类型的安全阀阀体、下压盘及下弹簧座材质为WCB型铸钢,阀瓣、阀杆及导向套材质为316型不锈钢（见图11）,属于不同材质的金属组合构件,两者之间存在电位差；
阀杆与弹簧、上下弹簧座严密接触,形成正负电极；
因安全阀腔体内有游离水的存在,形成电解质,在一定的条件下即可产生电化学腐蚀。
图10 安全阀各部分组件
图11 不同材质的组合件
用下列反应式表示钢铁发生吸氧腐蚀的过程：
负极：2Fe-4e-=2Fe2+
正极：2H2O+2Fe2++O2+4e-=2Fe(OH)2
总反应式：2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2
Fe(OH)2继续与空气中的O2作用：
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3
2Fe(OH)3脱去一部分水后生成Fe2O3·xH2O,即钢铁腐蚀后的主要产物。[5]
自然界中空气相对湿度越高,金属表面水膜越厚,空气中的氧透过水膜到金属表面作用越强。相对湿度达到一定数值时,腐蚀速度大幅上升,这个数值称为临界相对湿度,钢的临界相对湿度约为70%。同时环境温度与相对湿度关联,干燥的环境（沙漠）下,即使气温较高,金属也不容易锈蚀。当相对湿度达到临界值时,温度的影响明显加剧,温度每增加10 ℃,锈蚀速度提高1倍。[4]因此,在湿热带或雨季,气温越高,锈蚀越严重。当地的气候特征正符合此种情况,安全阀腔体内部在高温积水潮湿的环境下,在电化学腐蚀的作用下使弹簧、弹簧座和下压盘的腐蚀加剧。
随着时间的推移,腐蚀产物不断积累在两者之间,最终造成阀杆、导向套与弹簧底座粘连,阀杆无法上下移动,致使该站内的所有单井管线安全阀拒动失效。
4.1 解体维修
拆除站内所有安全阀,解体清理阀杆与弹簧座、导向套间的锈蚀,用研磨膏研磨阀杆至光滑,加注润滑油脂,重新装配后离线调整至设置开启压力。
4.2 开展地排罐及呼吸阀排查
定期对油田内部的所有地排罐及呼吸阀的工作情况开展一次检查,及时清理地排罐内的油水混合物,如呼吸阀损坏应及时更换,保证呼吸顺畅,使罐内混合蒸汽能及时排出,减少管道及安全阀腔体内蒸汽的聚集,防止因腐蚀造成安全阀拒动失效的事件再次发生。
4.3 做好安全阀日常检查及定期检验
定期检查安全阀的工作情况,出现异常起跳要及时查明原因,同时检查起跳后有无泄漏迹象,如有应及时更换或检修。为保证安全阀可靠灵敏,每年至少进行1次定期校验,设备运行过程中异常开启后应及时校验。
安全阀在运行过程中,由于设备内部介质、工况条件及外部环境等物理和化学因素的作用,其内部构件可能会发生化学腐蚀或电化学腐蚀,造成安全阀的整定压力和密封性能发生改变,导致其不能按规定的整定压力准确开启或在使用中发生泄漏,进而造成安全生产事故的发生。使用单位应严格按相关规定进行日常检查维护及定期校验,及时发现出现整定压力超差、拒动失效和密封不严等问题的安全阀,必须采取更换、解体维修、重新校验等措施,从而保证承压类特种设备的安全稳定运行。
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