楊昕諒

北京管道陜西輸油氣分公司

 

摘要：離心式壓縮機是天然氣管輸過程中的主要工藝設備，在對其開展運行維護保養過程中發現壓縮機內部發生結垢。本研究對現場采集的結垢樣本進行電子顯微鏡掃描（SEM）、紅外光譜、XRD衍射等分析，得到了結垢組分與結垢特征，進而研究結垢產生機理并分析結垢過程，對于壓縮機組全生命周期管理有重要意義。

關鍵詞：離心式壓縮機；結垢機理；SEM；XRD

 

天然氣長輸管道需通過沿途壓縮機多次多級增壓，才能實現長距離運輸，壓縮機被喻為天然氣管道的“心臟”。目前，國內站場常用管輸壓縮機主要為燃驅或電驅離心式壓縮機組，離心式壓縮機可以提供較大的輸氣處理能力，適合目前高壓力、大口徑、高流量的天然氣管道發展趨勢。但在運行維修保養過程中發現，壓縮機腔體內部、定子、轉子等部位出現黑色結垢現象。結垢會導致壓縮機發生轉子不平衡故障、降低進氣通道截面積、監測探頭失效等問題，嚴重時會造成機組密封、監測、計量等功能失效，進而造成安全生產事故。通過調研發現，目前大多數學者都將結垢與管道黑色粉末聯系起來。1998年，Baldwin[1]牽頭美國天然氣機械委員會首次開展黑色粉末結垢研究，針對現場情況給出較為局限性的建議，單純的將黑色粉末結垢定義為管道輸送過程中的衍生現象。2000年，Francisco[2]發現傳感器脫離現象與ILI在線檢測數據準確性之間的關系，黑色粉末結垢將影響管道檢測有效性。2011年，Jamie Perez[3]嘗試利用ILI分析黑色粉末結垢對管道的影響。2013年，Sherik、EI-Saadawy[4]開展了天然氣管道控制閥門的沖蝕問題研究，提出了黑色粉末污泥對于碳鋼腐蝕的影響。國內結垢研究開展相對較晚，黃雪萍[5]針對榆林南區集輸管道分析了硫化鐵形成原因及防護對策。馬振杰[6]提到了在鄯善站－哈密站排污得到的黑色粉末，并對硫化物自燃現象提出了對應的抑制措施。目前針對壓縮機本體結垢現象的研究有限。筆者通過實驗，分析結垢化學組分與物理特征，研究結垢產生機理，以有效開展壓縮機組全生命周期管理。

1  離心式壓縮機結垢情況分析

1.1  離心式壓縮機工作原理

離心式壓縮機工作原理是利用主軸帶動葉片旋轉，讓氣體直接進入到壓縮機，通過離心力將氣體甩出出口，而隨著離心力逐步增大，氣流被甩出的速度也會逐步加快，經多級壓縮實現天然氣高效運輸。

本次研究的壓縮機由Rolls-Royce Plc.公司（RR公司）生產，型號為RF4BB36，采用四級離心式壓縮。燃氣輪機型號為RB211-24G，額定輸出功率30 MW。如圖 1所示。

圖 1 RF4BB36型燃驅離心式壓縮機組

1.2  結垢情況及樣品采集

研究樣本選擇于2011年11月投產的RF4BB36型離心式壓縮機組，累積運行52327小時。2022年6月進行50 K自主維保，拆卸壓縮機定子與轉子過程中，在壓縮機出氣壁、定子內外部與轉子周邊發現大量結垢，呈黑色固體連續相（圖 2）。

圖 2 離心式壓縮機結垢情況

通過檢查，壓縮機內部流道表面顏色較淺且凹凸不平部分形成垢層，壓縮機墻體與定子之間明顯結垢并部分脫落，轉子表面形成明顯垢層，初步判斷為管道黑色粉末沉積呈現出片層狀。

2  結垢實驗分析

現場結垢取樣，干燥冷卻后稱重，采用電子顯微鏡（SEM）對結垢樣本表面形貌進行表征，觀察涂層表面的微觀形貌。采用 Tensor 27 型傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）分析結垢樣本化學組成。

2.1  SEM掃描分析

掃描電鏡得到的結垢樣本形貌如圖 3所示，可知結垢由微米級別的顆粒組成，形態主要為針狀/棒狀和球狀等不規則塊狀，分別是方解石、文石和球霰石的典型形貌，文石是SiO2晶體中最穩定的相。結垢混合物緊密排列，結垢層非常致密。

圖 3 結垢樣本表面微觀形貌SEM圖像

2.2  紅外光譜分析

紅外光譜分析結果如圖 4所示，3435 cm-1、2924 cm-1、2853 cm-1、1734 cm-1、1639 cm-1、1465cm-1、1078cm-1、871cmcm-1、726cm-1、處的吸收峰分別對應C－H，O－H，N－H；C－H；C＝O，C－H；C－H，C＝O；C＝C，N－H，C＝N，N＝N，N＝O；C－H；C－O，C－O－C，C－H；C－H；C－H，O－H。

圖 4 結垢樣本紅外譜圖

2.3  XRD分析

為進一步了解黑色塊狀結垢的物相組成，取小部分塊狀物研磨成粉末，再進行XRD分析，結果如圖 5 所示。

圖 5 結垢樣本色譜分析結果

XRD譜圖處理：①可能被忽略的峰：9.670 keV；②處理選項：所有分析的元素(已歸一化)；③重復次數為4次。

2.4  結垢樣本組分

結垢樣本組分分析結果如表 1所示。從表 1可知，結垢化學成分主要為SiO2（26.95%）、FeS2（34.63%）、MgF2（1.25%）、KC1（7.16%）、Wollastonite（2.60%）、MAD-10 Feldspar（0.48%）等，此外還有Carbon fraction（碳組分24.90%）。

表 1 結垢樣本組分分析

3  結垢機理研究

實驗結果分析可知，壓縮機結垢與天然氣管道黑色粉末的組分相近，但也有明顯區別。黑色粉末由多種無機物和有機物混合組成，成分十分復雜[7]，通常分為再生型和非再生型。再生型粉末是管道內經過清管處理后還會產生的黑色粉末，而非再生型粉末是清管過后不會再次產生的黑色粉末，其形成原因也具有多樣性特點。對比黑色粉末與結垢樣本的差異性與關聯性，根據壓縮機工作環境與輸送介質分析各組分形成機理與結垢原因。

3.1  SiO2等形成原因

結垢樣本中存在元素Si、O、Na、K、Ca、F、Cl，主要形態為SiO2、Wollastonite、MAD-10 Feldspar等。形成原因主要為上游采氣過程中夾雜的砂礫粉塵，在天然氣開采過程中砂礫從地下隨著采出氣與其他液相攜帶進入管道中。采出氣通過臥式分離器、旋風分離器等進行固相處理，在受到臥式分離器安裝濾芯目數較大、旋風分離器無法取出小粒徑粉塵等工藝因素影響，無法完全去除微米級顆粒粉塵，造成組分進入壓縮機組。

3.2  FeS2形成原因

天然氣雖經脫水處理，但不可能從即將外輸的天然氣中完全除凈水分，管道中少量水(3%～9%)在外界溫度改變時析出，水分加速管道腐蝕。同時上游天然氣采氣廠脫硫處理方法也無法徹底脫除H2S，為產生鐵的硫化物提供了條件。反應方程為：2H2S+Fe→FeS2+2H2。

3.3  Carbon fraction形成原因

開采出的天然氣含有少量微生物、凝析水、凝析油、飽和水蒸汽、輕烴類或其他液體，商品天然氣外輸時雜質成分含量必須降低到標準要求以下。結垢樣本中SiO2、Wollastonite、MAD-10 Feldspar等為地下采出天然氣攜帶的泥沙雜質，FeS2為管道內腐蝕脫落造成。壓縮機運行過程中，天然氣攜帶著無法處理的液滴形態液相（凝析水、凝析油、飽和水蒸汽、輕烴類等）與微米級顆粒形態粉塵（SiO2、Wollastonite、MAD-10 Feldspar、FeS2等）進入壓縮機內部，在瞬間高溫高壓環境下，提供聚集攜帶能力的液相轉化為氣相，連續相黏度降低，造成雜質脫落、聚集，其中微生物、凝析油、輕烴類雜質受到高溫高壓環境影響發生碳化，雜質中的Carbon fraction增強了結垢黏連力和板結程度，最終導致雜質聚集并結垢板結。

4  結垢控制措施

壓縮機結垢原因主要是由于進氣清潔度較低，會導致壓縮機發生轉子不平衡故障、進氣通道截面積降低、監測探頭失效等問題[8]，嚴重時會造成機組密封、監測、計量等功能失效，影響安全生產。因此，應從以下兩方面對壓縮機結垢進行控制。

（1）提高進氣清潔度。對采集的結垢樣本進行粒徑分析，利用雜質特征修正臥式分離器濾芯規格。新建管道增壓工程應提前采集上游氣源氣質分析報告，重點關注H2S、CO2濃度與顆粒粉塵特征等。

（2）加強機組運行工況監測。在機組振動故障分析診斷過程中，當發生監測探頭數據采集異常、轉子不平衡等相關設備故障時，應考慮內部結垢因素。在日常維護保養過程中，應關注結垢情況的變化，如出現明顯異常應及時排查上游氣質與天然氣處理工藝。

5  結論

（1）通過對離心式壓縮機內部結垢樣本進行SEM、紅外光譜、XRD等分析，確定了結垢樣本物理特征和化學組分。結垢主要以微米級顆粒粉塵板結形成，主要元素為C、O、F、Na、Si、S、Cl、K、Ca、Fe等，其存在形態主要為SiO2（26.95%）、FeS2（34.63%）、MgF2（1.25%）、KCl（7.16%）、Wollastonite（2.60%）、MAD-10 Feldspar（0.48%）、Carbon fraction（24.90%）等，表明與管道黑色粉末組分并不相同。

（2）結垢原因為天然氣脫水、脫硫處理工藝無法完全去除雜質，當固相粉塵隨著連續相液滴進入壓縮機組內部時，高溫高壓環境使得粉塵周邊連續相黏度降低進而沉降，凝析油、輕烴、微生物等碳化造成雜質板結結垢。

（3）壓縮機組內部板結結垢將導致機組振動、動平衡出現問題，進而導致機組密封、計量等部件磨損，因此應控制壓縮機發生結垢，需要確保長輸管道內天然氣的純凈程度，從源頭上減少水、硫化氫等腐蝕介質進入，減輕壓縮機組內部發生結垢程度。

 

參考文獻：

[1]Baldwin,R.M.. Black Powder in the Gas Industry - Sources, Characteristics and Treatment[J].Pipe line & gas industry, 1999, 3：109-112.

[2]Valentine B , Francisco L . Effect of debris-induced lift-off on magnetic flux leakage inspection results.[D] West Virginia University, 2000.

[3]Ehab, El-Saadawy, Abdelmounam, et al. Erosion of Control Valves in Gas Transmission lines Containing Black Powder[J]. Materials Performance, 2013, 52(5):70-73.

[4]Perez J P . NACE International Store - 11091 Affect of Black Powder on Inline Inspection Accuracy. 2011.

[5]黃雪萍，高亮，王軒，等. 榆林南區集輸管道硫化鐵形成原因分析及防護對策[J].石油化工應用，2013，32(007)：107-109.

[6]馬振杰. 清管與檢測技術在川氣東送管道中的研究與應用[D]. 成都：西南石油大學，2013.

[7]王濤. 天然氣長輸管道內黑色粉末生成及沉積問題研究[D]. 北京：中國石油大學(北京)，2018.

[8]劉明亮，蘇炤興. 轉子結垢造成的離心壓縮機振動故障[J]. 油氣儲運，2018，37(8)：5.

作者簡介：楊昕諒，1990年生，博士，高級工程師，國際石油工程師協會（SPE）會員，2018年畢業于東北石油大學石油與天然氣工程專業，主要從事天然氣管道工程、管道流體力學等研究工作。聯系方式：15636999399， xinliang_yang@126.com。