抗硫閘閥在高硫天然氣輸送管道應(yīng)用

                          抗硫閘閥在高硫天然氣輸送管道應(yīng)用

                         上海申弘閥門(mén)有限公司       

1概述
通常將油、氣中H2S體積分?jǐn)?shù)超過(guò)1.5%定義為高含硫油、氣的環(huán)境。目前世界上的高含硫天然氣田含硫量差異較大，為10%～20%。我國(guó)現(xiàn)已開(kāi)發(fā)了多個(gè)高硫天然氣田，其中含12.31%～17.05%H2S，7.89%～10.53%CO2，地層水中氯離子含量為28.2～64.6g/L，原料氣含有機(jī)硫0.34g/m3，其中硫氧碳0.32g/m3，甲硫醇22.8mg/m3，乙硫醇1.6mg/m3并含飽和水蒸汽等。輸送天然氣管道中使用的閥門(mén)主體壽命不應(yīng)低于30a，并具有可靠的密封、防火和防靜電功能，當(dāng)閥腔異常升壓時(shí)有自動(dòng)泄壓功能，還具有輔助密封結(jié)構(gòu)及雙阻塞排污結(jié)構(gòu)等。在高含硫天然氣田H2S和CO2共同存在的條件下，影響材料腐蝕的主要因素是水中Cl－含量、元素硫、H2S和CO2分壓及溫度等。因此閥門(mén)材料的選用及質(zhì)量控制極為重要。一般所謂氣田是指天然氣組分中以烷烴氣（甲烷、乙烷、丙烷和丁烷）占優(yōu)勢(shì)的氣田。如果天然氣組分中硫化氫含量在70%以上可稱(chēng)硫化氫氣田。通常把天然氣中硫化氫含量在2—70%的氣田，即30780mg/m3至1077300mg/m3叫高硫化氫氣田。據(jù)了解，該產(chǎn)品具有流阻小、流量大和可通清掃器的功能，且有啟閉輕巧等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于含硫油品及天然氣的開(kāi)采和集輸、石油和天然氣的輸送管線、煉油廠等工況，作為控制介質(zhì)流通和截止的啟閉裝置。根據(jù)工程的需要，該閥門(mén)有手動(dòng)、傘齒輪傳動(dòng)、防爆電動(dòng)等傳動(dòng)方式。該閥門(mén)還設(shè)計(jì)有閥位開(kāi)關(guān)指示、閥桿保護(hù)罩、防止誤操作的保護(hù)鎖等，能確保該閥門(mén)安全運(yùn)行，避免發(fā)生誤操作。該產(chǎn)品采用單閘板硬密封，浮動(dòng)“技術(shù)”的閥座，保證雜物不會(huì)進(jìn)入閥座后面，具有防火和防靜電功能，閥門(mén)的毛坯鑄造為該公司冶煉、鑄造。特殊結(jié)構(gòu)的“”彈性防火閥座，克服了以往只能用O型橡膠圈的局限性，將彈性閥座的平板閘閥應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到了高溫和高壓領(lǐng)域。“高壓平板閘閥”已經(jīng)在2007年10月由的中國(guó)石化和中國(guó)石油設(shè)計(jì)院及專(zhuān)業(yè)大學(xué)、中國(guó)神華集團(tuán)、中國(guó)閥門(mén)協(xié)會(huì)的專(zhuān)家，進(jìn)行了省級(jí)投產(chǎn)鑒定，。有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，該閥門(mén)的研制成功及應(yīng)用對(duì)推動(dòng)我省機(jī)械及石油行業(yè)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)化起了關(guān)鍵作用，在國(guó)內(nèi)也產(chǎn)生了較大影響，在市場(chǎng)應(yīng)用中具有非常廣闊的前景。

2工況分析在高含硫酸性環(huán)境中使用的抗高硫鋼通常碳含量低于0.25%?？垢吡蜾撋a(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡量控制P、S、Ni、Cu、Cr、Mo及V等雜質(zhì)的含量。酸性環(huán)境中在有自由水存在的情況下，H2S與金屬間的化學(xué)反應(yīng)會(huì)被陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)所促進(jìn)。
陽(yáng)極：Fe←→Fe
++
+2eH2S+H2O←→H++HS－+H2OHS－+H2O←→H++S=+H2O
陰極：2e+2H++Fe++
+S=→2H+FeS總反應(yīng)為Fe+H2S→H2O
→FeS+2H。
其中反應(yīng)產(chǎn)物之一的氫原子（H）能夠穿透鋼材，并能沿著晶界遷移。同時(shí)，反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)金屬的失重腐蝕，腐蝕斑點(diǎn)（點(diǎn)蝕），氫開(kāi)裂（HIC）和起泡，氫脆和硫化物應(yīng)力開(kāi)裂（SSC>等現(xiàn)象。

3材料選擇
閥門(mén)材料應(yīng)符合ASMEB16.34、NACEMR0175/ISO15156和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。閥門(mén)的性能應(yīng)能滿(mǎn)足閥門(mén)所處工況的要求，并能保證使用壽命。一般情況下，球閥用于輸送天然氣的管線。平板閘閥用于輸送原油及成品油管線。上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過(guò)濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)閥門(mén)、高壓閥門(mén)、中壓閥門(mén)、低壓閥門(mén)、水力控制閥、真空閥門(mén)、襯膠閥門(mén)、襯氟閥門(mén)。而當(dāng)天然氣管線公稱(chēng)壓力為15～42MPa（CL900～2500）時(shí)，若用球閥則其開(kāi)、關(guān)扭矩過(guò)大，應(yīng)選用中口帶內(nèi)壓自密封的金屬/金屬密封平板閘閥。輸送介質(zhì)為高硫天然氣時(shí)，平板閘閥（含高壓截止閥）閥體和閥蓋采用抗高硫的專(zhuān)門(mén)冶煉的抗硫鋼ASTMA216WCB、WCC或A352LCC。用于抗高硫腐蝕用WCB、WCC的閥門(mén)主體材料（體、蓋、閘板或閥瓣）應(yīng)采用電弧爐冶煉的低碳、超低硫及低磷的細(xì)晶粒的全鎮(zhèn)靜純凈鋼。用Si－Ca合金作脫氧材料，終脫氧用Al或加Ti變質(zhì)處理。冶煉、鑄造時(shí)必須對(duì)其夾雜物進(jìn)行控制，使其鑄件金相組織小可能出現(xiàn)非金屬夾雜物，并且不能有明顯的柱狀偏析。抗硫腐蝕低碳鋼鑄件的化學(xué)成分，應(yīng)滿(mǎn)足C≤0.22%，S≤0.015%，P≤0.020%，碳當(dāng)量［CE］＜0.42%?？沽蚋g低碳鋼鑄件的熱處理為退火或正火+高溫回火，以獲得均勻的抗硫性能良好的回火索氏體。在顯微組織中，不允許有未回火的馬氏體組織存在。鑄鋼件熱處理后，其硬度≤200HB。4質(zhì)量控制
4.1材料控制
（1）鋼材應(yīng)采用電爐冶煉，精煉爐精煉，真
空脫氣工藝生產(chǎn)的細(xì)晶粒全鎮(zhèn)靜純凈鋼。應(yīng)對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行控制，使其小可能的出現(xiàn)非金屬夾雜物，并進(jìn)行球化處理，應(yīng)無(wú)明顯柱狀偏析和帶狀組織。鋼中A、B、C及D類(lèi)非金屬夾雜物級(jí)別限制如表1所示（按ASTME4方法檢驗(yàn)），顯微帶狀組織≤2.0級(jí)。

（2）鍛制閥體的有效鍛造比不應(yīng)小于3，成品鍛件應(yīng)具有均勻的鍛造組織。
（3）鍛制閥體應(yīng)采用正火或正火+回火處理，熱加工和熱成形不能代替正火處理。
（4）閥體材料應(yīng)進(jìn)行抗硫限定，應(yīng)保證鍛件P≤0.015%、S≤0.008%，鑄件P≤0.020%、S≤0.015%。閥體任何一處的硬度不應(yīng)超過(guò)200HB。屈服強(qiáng)度σs＜345MPa。碳當(dāng)量CE＜0.42%，CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，且Ni＜1%。
（5）所有涉酸材料都應(yīng)符合NACEMR0175/ISO15156的相關(guān)要求。
（6）閥門(mén)不允許采用焊接結(jié)構(gòu)。4.2
無(wú)損檢測(cè)
（1）按照ASMEB16.34規(guī)定的關(guān)鍵部位對(duì)閥門(mén)鑄件進(jìn)行99%射線檢測(cè)，對(duì)鍛件進(jìn)行99%超聲波檢測(cè)，按ASMEB16.34附錄I和附錄IV中規(guī)定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。
（2）承壓鍛件或鑄件機(jī)加工后應(yīng)逐件進(jìn)行99%滲透檢測(cè)，滲透檢測(cè)應(yīng)按照ASTME165方法B的規(guī)定執(zhí)行，合格級(jí)別為I級(jí)。
（3）堆焊鈷基合金的零部件及閥門(mén)堆焊面，應(yīng)按照ASTME165方法B進(jìn)行99%液體滲透檢驗(yàn)。4.3
抗硫評(píng)定對(duì)用于閥體的原材料，應(yīng)在熱處理之后抽取試樣按照要求進(jìn)行試驗(yàn)，其中有標(biāo)準(zhǔn)的（HIC、SSC）和模擬工況的（SSC）試驗(yàn)（表2）。CLR≤15%，CTR≤5%，CSR≤2%，氫鼓泡數(shù)量為單個(gè)試樣表面的氫鼓泡面積不超過(guò)試樣面積的1%，且任何一個(gè)氫鼓泡的直徑不超過(guò)1mm，試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)注明試驗(yàn)前后溶液的pH值和HIC裂紋的照片以及試樣表面的氫鼓泡數(shù)量和尺寸試件的受拉伸面在低倍顯微鏡下放大10倍檢查，試件受拉伸面無(wú)可見(jiàn)SSC裂紋
試件的受拉伸面在低倍顯微鏡下放大10倍檢查，試件受拉伸面無(wú)可見(jiàn)SSC裂紋
4.4過(guò)程質(zhì)量控制卡
為了確保閥門(mén)產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過(guò)程中，生產(chǎn)有序，控制得當(dāng)，結(jié)合多年來(lái)生產(chǎn)過(guò)程控制的實(shí)際，制訂了抗高硫閥門(mén)過(guò)程質(zhì)量控制卡（表3）。表3
抗高硫閥門(mén)過(guò)程質(zhì)量控制卡序號(hào)控制環(huán)節(jié)控制點(diǎn)操作要點(diǎn)工作依據(jù)相關(guān)記錄責(zé)任人1合同評(píng)審評(píng)審依據(jù)合同保證成本、質(zhì)量及交貨期銷(xiāo)售合同、技術(shù)協(xié)議、程序文件及與顧客有關(guān)過(guò)程控制程序等合同評(píng)審記錄等…2圖紙?jiān)O(shè)計(jì)設(shè)計(jì)評(píng)審消化技術(shù)協(xié)議、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)協(xié)議、程序文件及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)控制程序等設(shè)計(jì)評(píng)審記錄等…



3工藝設(shè)計(jì)工藝適應(yīng)性鑄（鍛）件毛坯圖、工藝、工裝、夾具、材料消耗定額產(chǎn)品圖紙、設(shè)備運(yùn)行狀況、工裝需求、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定及程序文件工藝控制程序等技術(shù)文件發(fā)放記錄等
4鑄造冶煉和熱處理嚴(yán)格執(zhí)行冶煉、造型、澆鑄、清理、熱處理等工藝相關(guān)工藝文件及特殊和關(guān)鍵過(guò)程控制程序等鑄件材質(zhì)證明書(shū)、相關(guān)質(zhì)量記錄和外觀檢驗(yàn)記錄等

5鍛造爐溫及熱處理控制始鍛溫度及終鍛溫度、檢驗(yàn)鍛件尺寸、熱處理檢驗(yàn)機(jī)械性能材料標(biāo)準(zhǔn)、圖紙、鍛造工藝守則及特殊和關(guān)鍵過(guò)程控制程序等熱/鍛零件加工路線卡、測(cè)試報(bào)告等…
6
材料零部件外購(gòu)評(píng)價(jià)分供方資質(zhì)嚴(yán)格執(zhí)行采購(gòu)計(jì)劃、合同、協(xié)議等材料消耗定額、生產(chǎn)車(chē)間申報(bào)計(jì)劃、采購(gòu)控制程序、分供方的選擇和評(píng)價(jià)控制程序等材質(zhì)證明或必要的質(zhì)量記錄
7外購(gòu)物資進(jìn)貨檢驗(yàn)進(jìn)貨檢驗(yàn)外觀、性能及化學(xué)成分外購(gòu)物資檢驗(yàn)申請(qǐng)、外購(gòu)物資檢驗(yàn)規(guī)程及采購(gòu)產(chǎn)品檢驗(yàn)程序等復(fù)檢報(bào)告、入庫(kù)物資檢驗(yàn)記錄等…
8
機(jī)械加工加工及檢測(cè)設(shè)備、儀器和工裝精度加工尺寸符合圖紙要求產(chǎn)品圖紙、機(jī)加工工藝守則等零部件發(fā)套卡、閥門(mén)零件加工路線卡等
9密封面焊接
焊工資格、焊材質(zhì)量根據(jù)母材材質(zhì)及密封要求材質(zhì)選擇相應(yīng)工藝閥門(mén)通用焊接工藝守則、焊接工藝評(píng)定及特殊和關(guān)鍵過(guò)程控制程序等閥門(mén)零件焊接工藝記錄卡
10熱處理溫度
控制加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻方式熱處理工藝守則及特殊和關(guān)鍵過(guò)程控制程序等熱處理生產(chǎn)和操作記錄
11無(wú)損檢測(cè)檢測(cè)人員資格控制好檢測(cè)部位
產(chǎn)品圖紙技術(shù)要求、各專(zhuān)業(yè)無(wú)損檢測(cè)工藝及無(wú)損檢測(cè)控制程序無(wú)損檢測(cè)報(bào)告、記錄…12裝配研磨、清洗檢查零件符合圖紙要求、零件表面清潔無(wú)污物裝配工藝守則、產(chǎn)品裝配圖及特殊和關(guān)鍵過(guò)程控制程序等閥門(mén)裝配、試壓、出廠檢驗(yàn)路線表…13
壓力試驗(yàn)
試驗(yàn)設(shè)備完好試驗(yàn)時(shí)注意安全，外表無(wú)滲漏產(chǎn)品裝配圖、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品性能試驗(yàn)規(guī)程及產(chǎn)品檢驗(yàn)與試驗(yàn)控制程序等閥門(mén)裝配、試壓、出廠檢驗(yàn)路線表、閥門(mén)性能試驗(yàn)記錄…
14涂漆油漆噴涂表面清洗干凈，先噴底漆再?lài)娒嫫岙a(chǎn)品噴漆工藝指導(dǎo)書(shū)、客戶(hù)要求等閥門(mén)裝配、試壓、出廠檢驗(yàn)路線表…15出廠檢驗(yàn)外觀及尺寸、產(chǎn)品合格證、產(chǎn)品銘牌符合要求產(chǎn)品圖紙、技術(shù)協(xié)議、合同要求等閥門(mén)裝配、試壓、出廠檢驗(yàn)路線表設(shè)計(jì)改進(jìn)較為合理。

測(cè)試過(guò)程
閥門(mén)的檢驗(yàn)與測(cè)試均應(yīng)遵循ISO5208、API6D、API602、ASMEB16.34及ISO15848－2的要求。檢驗(yàn)和測(cè)試應(yīng)在閥門(mén)表面處理和噴漆前進(jìn)行。
（1）防靜電試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量不應(yīng)少于閥門(mén)數(shù)量的5%。
（2）99%閥門(mén)扭矩試驗(yàn)。

（3）99%閥腔的泄放試驗(yàn)。

（4）閥體液體強(qiáng)度試壓。
（5）全壓差下開(kāi)閥試驗(yàn)，記錄開(kāi)閥時(shí)所需扭矩。
（6）閥門(mén)上密封試驗(yàn)。

（7）閥座液體密封試驗(yàn)。
（8）閥座低壓氣體密封試驗(yàn)。

（9）高壓氣體強(qiáng)度試驗(yàn)。

（10）微泄漏檢驗(yàn)。

序號(hào)	物資名稱(chēng)及型號(hào)規(guī)格	單位	數(shù)量
1	鋼法蘭截止閥J41H-25  DN100	個(gè)	2
2	抗硫鋼制楔式閘閥   KJ41H-25   DN100	個(gè)	8
3	鋼制楔式閘閥Z41H-25 DN40	個(gè)	5
4	防爆撓性連接管  LCNG-S25X700-25/25TW	根	4
5	防爆撓性連接管  LCNG-S25*700	根	78
6	防爆撓性連接管  LGNG-S32*1000  G11/4（外）/G11/4（內(nèi))	根	4
7	防爆撓性連接管  FNG-25*1000	根	16
8	防爆撓性連接管  LGNG-S50*700-50/50TW	根	2
9	升降式止回閥H41H-25 DN100	套	1
10	抗硫鋼制楔式閘閥   KZ41H-25  DN100	套	3
11	鋼制楔式閘閥  Z41H-50  DN40	套	4
12	鋼制楔式閘閥 Z41H-25 DN100	套	7
13	抗硫升降式止回閥  KH41H-25  DN40	套	1
14	(齒輪式）CPVC蝶閥DN100 PN10	套	6
15	(齒輪式)CPVC蝶閥  DN80  PN10   CP-821	套	3
16	管道用阻火器  PN2.5  DN100	套	1

6結(jié)語(yǔ)
高硫天然氣集輸工程用閥門(mén)材料的選擇、質(zhì)量控制及檢驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)按NACEMR0175/ISO15156及相關(guān)抗硫閥門(mén)材料規(guī)范及客戶(hù)對(duì)材料的特殊要求進(jìn)行選擇材料。必須對(duì)材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、晶相分析、非金屬夾雜物等進(jìn)行檢驗(yàn)。閥體承壓部件所用材料必須經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的（HIC、SSC）和模擬工況的（SSC）試驗(yàn)，或取得相同運(yùn)行工況的成功經(jīng)驗(yàn)。對(duì)裝配完成的閥門(mén)除進(jìn)行API6D、API598等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目外，還應(yīng)進(jìn)行高壓氣體強(qiáng)度并ISO15848－2進(jìn)行微泄漏試驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
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〔4〕郭志軍．油氣田高含H2S、CO2和Cl－環(huán)境下壓力容器腐蝕機(jī)理研究進(jìn)展〔J〕與本文相關(guān)的論文有：五陽(yáng)煤礦應(yīng)用閥門(mén)案例