高含硫天然气用先导式安全阀频繁起跳诱因分析与整改效果评价

杨林，兰云霞，胡吉，罗国民，张俊良，赵云

中国石油西南油气田川东北作业分公司（四川 成都 610021）

某高含硫天然气气田，原料气中H2S 平均含量为9.45%，集输系统共有17 台工艺介质为原料气的先导式安全阀，分别安装在井站水套炉出口管线放空及集气站过滤分离器和收发球区域，所处工况环境均为湿气环境。在近年生产运行过程中，因安全阀故障原因造成安全阀起跳频繁。在历次检修过程中发现，主要是由于安全阀密封O型圈失效、导阀弹簧腐蚀断裂等原因发生泄漏，导致安全阀起跳。由于工艺流程原因，部分安全阀一旦出现故障，现场处理难度大，甚至只能选择停产检修。安全阀频繁故障导致硫化氢气体外漏可能性增大，有可能引起硫化氢报警联锁关停装置甚至造成人员伤亡。因此开展高含硫天然气用先导式安全阀频繁起跳诱因分析，并对整改效果进行评价。

1 先导式安全阀简介

集输系统安全泄放由先导式安全阀、放空管线、放空分液罐、放空火炬4 个主要部分组成，当装置或管线工作压力超过设定压力后，先导式安全阀动作，主动进行泄放工艺介质至火炬系统，从而保证装置及管线的完整性和现场安全[1]。

集输系统采用的先导式安全阀，均为带隔离气室的先导式安全阀，其结构如图1所示，隔离气为清洁的氮气，正常工况下，导阀阀座区域和主阀气室氮气不与工艺介质接触[2]。工作中依靠从导阀排出氮气来驱动或控制主阀，导阀本身是标准的弹簧直接载荷式安全阀。

图1 带隔离气室的先导式安全阀简图

2 故障统计

跟踪统计先导式安全阀2020 年1 月至12 月全年故障检修记录，发现先导式安全阀几乎每月都有故障检修，最多的一个月有9次，见表1。

从表1中数据得出，安全泄放系统17台先导式安全阀月平均故障次数2.25次，严重影响了现场生产的安全性。从表1 中数据分析，导阀和管路泄漏导致先导式安全阀起跳故障的次数均占48%以上，是先导式安全阀故障率高的症结所在。

表1 2020年全年先导式安全阀故障次数统计

3 原因排查分析

从2021年先导式安全阀的故障次数统计得出，导阀泄漏是导致安全阀故障率高的主要原因。因此，主要针对导阀及附属管路，并结合安全阀历次拆检情况进行原因排查。

3.1 导阀弹簧以及反馈活塞弹簧断裂

对先导式安全阀拆检发现，导阀弹簧以及反馈活塞弹簧有断裂现象（图2）。如果导阀弹簧断裂，则无法对导阀反馈活塞形成与工艺介质压力相反的作用力，导致反馈活塞向上运动，氮气排放，压力降低，安全阀起跳。如果反馈活塞弹簧断裂则会造成反馈活塞在动作时失去反馈作用，导致安全阀平稳性下降[3-5]。

图2 导阀弹簧断裂情况

查阅弹簧材质并联系先导式安全阀生产厂家咨询弹簧使用寿命，判断这种断裂是一种不正常状况。将断裂弹簧外送至某酸性油气田材料评价与腐蚀控制中心进行实验分析，得出是湿硫化氢环境下造成的应力腐蚀断裂。但是在安全阀正常工艺条件下，导阀弹簧以及反馈活塞弹簧均不与原料气接触，导阀为大气环境，反馈活塞弹簧为氮气环境。出现这种情况，只能是导阀内部密封发生了泄漏，导致含有H2S 的湿原料气进入了导阀阀座和弹簧区域。

3.2 先导阀密封O型圈破损

先导式安全阀内部工艺介质与大气、工艺介质与氮气、氮气与大气之间的密封均采用橡胶O型圈，在拆检过程中发现密封O 型圈有破损现象，如图3所示。O型圈损坏会导致先导式安全阀内部密封不严，如氮气与大气之间的密封泄漏，则会导致氮气外漏，压力持续下降，到一定程度后引起安全阀起跳。如工艺介质与大气之间的密封泄漏，则会造成原料气外漏，进入弹簧区域并外漏到大气环境，根据漏量大小轻则腐蚀损坏导阀弹簧，安全阀起跳；重则导致触发H2S 报警，引发安全事故。如工艺介质与氮气之间的密封泄漏，则会造成原料气污染氮气环境，引起安全阀内部件发生湿硫化氢环境下的腐蚀损坏。

图3 先导阀密封O型圈损坏情况

针对密封O型圈破损情况，首先对O型圈尺寸、安全阀检修质量、维修记录进行了调查确认，确认了O 型圈尺寸、安装都符合要求。将破损O 型圈与新的备件O 型圈进行对比，发现使用后的破损O 型圈材质变硬，外送至某酸性油气田材料评价与腐蚀控制中心进行分析。根据对破损O 型圈材质、硬度和硫化氢环境测试实验结果，分析认为送检的橡胶密封圈经红外光谱测试为氢化丁晴橡胶（HNBR）材质，密封圈材质与硫化氢环境的不适应导致了密封圈开裂损坏[6]。

3.3 安全阀附属管路泄漏

现场检查先导式安全阀附属管路的连接情况，发现主阀与导阀之间，导阀与氮气瓶之间管件阀门采用螺纹连接点较多，如果任意一处连接接头发生外漏，安全阀内部氮气都将无法保压，当压力降低到一定程度后，现场操作人员如没有及时发现（通过氮气瓶压力表，如图4 所示），将由于氮气压力不足引起安全阀起跳。现场用验漏液对17 台先导式安全阀氮气管路连接处进行泄漏检测，未发现有泄漏情况。

图4 现场减压阀压力指示

根据查阅安全阀历史起跳故障统计，维护人员更换氮气瓶操作过程中经常会因附属管路泄漏引发安全阀起跳。按照操作规定，现场维护人员发现氮气瓶压力低于工艺介质工作压力1.5 MPa 时，则按要求更换氮气瓶，更换氮气瓶需要对连接管路进行泄压操作，很容易引起先导式安全阀内部氮气压力不足，导致安全阀起跳[7]。

综上所述，最终排查分析出造成集输系统先导式安全阀故障起跳的根本原因有2 条：一是安全阀密封O 型圈不适用于高含硫天然气环境；二是安全阀附属管路设计不合理，在更换氮气瓶过程中容易发生泄漏。

4 整改措施

4.1 优化安全阀密封件材质

高含硫天然气中选用橡胶密封圈首先要考虑橡胶能够耐受高浓度硫化氢介质的腐蚀，参照GB/T 34903.2—2017《石油、化工与天然气工业与油气开采相关介质接触的非金属材料第2 部分：弹性体》表C.1常用弹性体材料的特性，根据安全阀密封O型圈使用工况，选择氟橡胶材质。要求供应商对密封O型圈进行老化试验、硫化氢环境测试实验，提供相应测试报告[8-10]。

4.2 优化安全阀附属管路配置

考虑更换氮气瓶时需对连接管线进行泄压操作，易造成先导式安全阀内部氮气压力不足情况，在附属管路泄放阀前增加切断阀，更换氮气瓶时，先关闭切断阀，保证安全阀内氮气压力稳定（图5）。查询先导式安全阀附属管路规格，选择直径为12 mm，压力等级为34.47 MPa（5 000 psi），型号为SS-1RS6螺纹卡套式针型阀安装在泄压阀前的水平管段。

图5 先导式安全阀氮气管路增加切断阀前后对比

5 结论

集输系统17 台工作介质为原料气的先导式安全阀经过对密封件材质优化升级，并于2021年5月全部完成安全阀附属氮气管路配置优化改造后，至今未发生一起因安全阀本身泄漏原因造成的起跳事故，提升了高含硫天然气用先导式安全阀的运行可靠性。引起先导式安全阀内部密封失效的因素较多，密封圈材质的选择、附属管路的设计、现场安装、操作维护等任何环节发生问题，都有可能导致密封失效，从而引发安全阀起跳事故。需要从多方面、多角度去发现问题并及时分析原因，针对性去解决，在工作中不断总结，提高高含硫天然气集输系统现场设备管理水平。