天然气处理装置调节阀腐蚀分析
雅克拉-大涝坝天然气处理装置共有56台气动控制阀，调节阀在自控系统中作用不可忽视。随着调节阀使用时间增长，调节阀腐蚀问题日益凸显，主要表现为调节阀的阀笼和阀芯腐蚀，腐蚀造成调节能力失效。对调节阀材质、腐蚀行为进行分析，从选材、结构、工艺流程使用上提出一些措施建议。
新疆塔里木盆地雅克拉-大涝坝集气处理站是中石化最大、自动化程度最高的凝析天然气处理装置。目前雅克拉-大涝坝天然气处理装置共有56台气动控制阀(不包括机组的调节阀)，雅大两站调节阀均是由美国FISHER公司提供，其中计量分离器液相控制调节阀，凝析油稳定塔进料温度控制为三通阀，膨胀机的旁通J-T阀。据统计故障80%出于调节机构。调节阀是接通介质通路或改变介质流向，调节流量、压力、液面及温度的压力管路原件。调节阀由气动执行机构和阀(调节机构)两部分组成。气动执行机构是调节阀的推动装置，根据控制信号推动阀门动作，阀(调节机构)是机械调节部分。
1、故障情况
(1)雅站直井计量分离器的液相出口调节阀LV1001阀芯断落在阀座环内造成介质流通受阻。原因分析结果：阀芯与阀座之间有杂质堵塞。采取措施：将执行机构与阀拆开，发现针型阀芯断脱，更换新阀芯。
(2)雅站水平井计量分离器液相控制调节阀LV1002和一级闪蒸分离器水相调节阀LDV1101阀笼和阀芯腐蚀造成调节阀关不严。
拆下检查时发现，该调节阀关不严。
LV1002阀笼表面凹凸不平，有空隙，环面有不同程度的坑孔，见图1。LV1002调节阀为FISHER调节阀，腐蚀阀笼材质为316L。
LDV1101阀芯的上端面有豁口，阀芯本体表面呈麻坑状(见图2)，造成阀芯与阀座之间密封不严，从而导致该调节阀关不严。LDV1101调节阀为FISHER调节阀，腐蚀阀笼材质为316L。
图1 阀笼表面腐蚀坑
图2 阀芯本体表面呈麻坑状
原因分析结果：
(a)该调节阀材料(阀体材质WCC，阀芯316L)耐腐蚀性差;
(b)该调节阀经常控制在小开度(20%)以下使用，由于节流作用对阀芯冲刷力较强，导致阀内件磨损;
(c)由于液相腐蚀作用所致。从安装LDV1101管线的低点排污处，接水样进行观察，水样沉淀物呈黑色且含沙。
(3)大站液相调节阀磨损严重。大站计量、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孔，倒角内外出现较大的腐蚀坑和狭长的沟槽(见图3)。调节阀为FISHER调节阀，腐蚀阀笼材质为316L。
图3 阀笼腐蚀坑
原因分析结果：计量、生产分离器进三相分离器前后压差较大，计量、生产分离器实际运行压力6.2MPa，三相分离器压力0.6MPa，原生产流程见图4。
图4 原生产流程图
2、腐蚀原因分析
2.1、气蚀与闪蒸
根据伯奴利方程，管道内流体的流速提高压力就会下降。管道节流处流体速度大幅度提高。压力急剧下降。如果液体流经管道节流处的压力低于汽化压力(PVC)将产生气蚀或闪蒸现象。
雅克拉-大涝坝天然气处理站两站站内调节阀均为FISHER调节阀，从费希尔控制设备有限公司出版的FISHER控制阀手册(第三版)中控制阀选型内容查出闪蒸图(图5)和气蚀图(图6)。气蚀与闪蒸是由于管道节流引起的。如果液体流过管道节流处，压力恢复后P2仍低于汽化压力(PVC)(此时流体内仍有气泡)。这种现象称为闪蒸。如果液体流 过管道节流处，压力恢复后P2高于汽化压力(PVC)此时流体内气泡破裂)。这种现象称为气蚀。闪蒸最严重的破坏发生在流速最高处。即阀塞阀座处。冲蚀是闪蒸破坏的直观表现气蚀发生时，气泡破裂释放的能量使阀塞阀座甚至附近管道损坏，并伴发噪声气蚀与闪蒸是致使阀门损坏的重要原因。
图5 闪蒸图
图6 气蚀图
根据雅大两站凝析油压力和管路情况，推测雅大两站装置中FISHER调节阀腐蚀主要受气蚀的影响。
2.2、腐蚀分析
雅克拉-大涝坝凝析气田流体介质简介：凝析气井天然气中甲烷平均含量85.45%，乙烷平均含量5.31%，丙烷平均含量2.07%，平均相对密度0.66，CO2平均含量2.33%，H2S平均含量6.82%，站内气相流速2.21～5.29m3·h-1;凝析油密度在平均为0.78g·cm-3，粘度平均为2.66MPa.s，含硫量平均为0.041%，含蜡量平均为15.96%，站内液相流速0.58～2.29m3·h-1。在气、水、烃、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工况条件下为金属腐蚀提供了理想的腐蚀环境。
(1)CO2分压的影响
CO2的分压越大，pH值越低，去极化反应就越快，腐蚀速度也越快。影响CO2腐蚀的主要因素是CO2分压、温度以及流速等。
(2)CO2-Cl-H2O腐蚀
在CO2-Cl-H2O组成的甜气环境下碳素钢和低合金钢都可以产生缝隙腐蚀、均匀腐蚀和点蚀，最终导致调节阀点蚀、坑蚀。 CO2是腐蚀剂，水是载体，Cl-是催化剂。
通过对雅克拉-大涝坝调节阀316L阀芯腐蚀样化验分析，图7为316L腐蚀试样表面扫描电镜图，图8为316L腐蚀产物能谱分析图，确定腐蚀类型为CO2冲刷腐蚀。
图7 316L腐蚀试样表面SEM
从图8知，液相腐蚀产物的元素含量较气相腐蚀产物的要大。原因为雅克拉-大涝坝液相腐蚀环境较气相腐蚀环境复杂，液相中H2S、CO2、Cl-和水相互作用，加速腐蚀速率。
图8 316L腐蚀产物能谱分析结果
液相中腐蚀产物在形成过程中316L材质的Mo参与腐蚀形成了腐蚀产物，气相中Mo在腐蚀过程中没有参与腐蚀，故液相腐蚀产物能谱图中有Mo，气相腐蚀产物能谱图中没有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度为102716mg·L-1，大涝坝气田地层水的矿化度为210297mg·L-1，属于高含盐的地下水。进站的未稳定凝析油进站后经站内换热后，温度升高，凝析油中部分盐析出造成盐结晶。造成凝析油换热器调节阀盐堵和盐腐蚀。为减少两站换热装置、管线、调节阀等盐堵、盐腐蚀，雅克拉-大涝坝两站凝析油处理装置分别增加密闭洗盐流程。
3、防腐蚀措施建议
(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(PVC)，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、磨损。大涝坝计量、生产分离器液相调节阀从6.2MPa调节至0.6MPa，阀芯磨损严重，每3～4个月需要更换一次。2011年7月检修后将单调节阀(见图4)改为双调节阀节流(见图9)，前一个调节阀将计量、生产分离器液相调节阀从6.2MPa调节至3.0MPa，后一个调节阀将压力从3.0MPa调节至0.6MPa，压产逐渐减少后大大减少阀芯磨损。
图9 改造后的流程图
