離心式濕氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在線清洗技術(shù)——以鶯歌海盆地樂東氣田為例

常戶星 陳肇日 劉向陽 茍潮洋

中海石油（中國）有限公司湛江分公司

樂東氣田有3臺大型離心式濕氣壓縮機(jī)組，用于天然氣的增壓外輸，在運(yùn)行1年后，C機(jī)組出現(xiàn)振動高故障關(guān)停，通過內(nèi)窺鏡對壓縮機(jī)流道檢查，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪有嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，第一次故障分析認(rèn)為，可能是由于投產(chǎn)初期操作不當(dāng)?shù)呐及l(fā)故障，只要進(jìn)行1次全面清理就可一次性解決問題。于是把C機(jī)整機(jī)拆除，緊急空運(yùn)回美國原廠進(jìn)行了解體清洗，在歷時3個月并花費(fèi)40萬美元維修費(fèi)之后，C機(jī)返回重新投入正常運(yùn)行，然而在運(yùn)行96d后，C機(jī)再次出現(xiàn)振動高報警關(guān)停，通過內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)振動高的原因仍然是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪結(jié)垢引起的。

通過對地層水［1－3］和結(jié)垢物的分析以及所有工藝設(shè)備仔細(xì)檢查之后，最終確認(rèn)是由于壓縮機(jī)前的除液設(shè)備—滌氣罐沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使氣體攜帶少量地層水進(jìn)入壓縮機(jī)而產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，由于轉(zhuǎn)子結(jié)垢，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的動平衡被破壞，轉(zhuǎn)子形成偏心，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)8 000r／min下，偏心所產(chǎn)生的離心力為偏心重的10e5倍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的不平衡使壓縮機(jī)產(chǎn)生劇烈振動，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)關(guān)停。

隨后另外兩臺壓縮機(jī)也相繼出現(xiàn)振動升高的現(xiàn)象，檢查后確認(rèn)也是葉輪結(jié)垢引起的，由此看來平臺壓縮機(jī)葉輪結(jié)垢已經(jīng)成為一個共性問題，生產(chǎn)狀況岌岌可危。如何盡快消除壓縮機(jī)的振動故障，保證樂東氣田生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，成為生產(chǎn)人員迫切需要解決的一個難題。

1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在線清洗技術(shù)研究

1.1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)垢的成因

通過在壓縮機(jī)進(jìn)口取樣（編號：201110673）送實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，獲得了結(jié)垢物質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果（表1），分析發(fā)現(xiàn)垢樣的主要成分為NaHCO3水型鹽類物質(zhì)，與樂東氣藏地層水水型相符，證明結(jié)垢物來自于地層水。

表1 樂東22－1氣田地層水分析化驗(yàn)報告表

分析認(rèn)為，樂東氣田地下氣藏中的地層礦物鹽在高溫高壓的條件下，溶解于地層水中，地層水的總礦化度達(dá)到20 000mg／L，這種高礦化度水與天然氣共同分布于氣藏孔隙中。氣藏開發(fā)后，天然氣從孔隙中不斷向井筒運(yùn)動，在此過程中溶解有礦物鹽的高礦化度水被天然氣攜帶出地面，由于地面工藝流程設(shè)備除液效率不高，使少量游離水隨天然氣中進(jìn)入了壓縮機(jī)，在多級壓縮過程中，氣體溫度從38℃升高到108℃，在高溫條件水分不斷蒸發(fā)，隨著水分的減少，溶有礦物鹽的水溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)，最終礦物鹽以結(jié)晶體析出［4－6］，附著在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的葉輪表面，形成鹽垢（圖1），并呈現(xiàn)不規(guī)則分布，使壓縮機(jī)的動平衡狀態(tài)遭到破壞，發(fā)生偏心，隨著鹽垢越聚越多，偏心越來越嚴(yán)重，由于偏心產(chǎn)生的振動［7－9］越來越高，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)關(guān)停。

1.2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子清洗思路

1.2.1 清洗技術(shù)思路

徹底除掉天然氣里面的水分是問題的根本解決之道，但是由于海上平臺空間的局限性，除液用的滌氣罐無法更換為效率更高的設(shè)備，也無法在工藝流程中增加分子篩等脫水設(shè)備。除非進(jìn)行大規(guī)模的改造，否則在短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)，但這種方法投資大，停產(chǎn)損失大，萬不得已才會采用。

圖1 內(nèi)窺鏡觀測到的壓縮機(jī)葉輪結(jié)垢現(xiàn)象照片

另一種解決方式是采取措施去除壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子上面的結(jié)垢物。如果整機(jī)拆卸送回美國原廠進(jìn)行解體檢修，不但費(fèi)用高而且周期長，已實(shí)施的C機(jī)組的送修實(shí)例已經(jīng)驗(yàn)證了這種方法不切合實(shí)際生產(chǎn)狀況。

那么能不能用其他方式現(xiàn)場除垢？通過對垢樣化驗(yàn)結(jié)果（表1）分析，發(fā)現(xiàn)垢樣中Na＋含量約為75%，基本都能溶解于水，這為壓縮機(jī)進(jìn)行水洗除垢提供了依據(jù)，如果在現(xiàn)場對壓縮機(jī)內(nèi)腔的轉(zhuǎn)子進(jìn)行在線水洗，投入的成本少，不需要拆卸機(jī)組，而且能夠在短時間內(nèi)恢復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行，這個解決問題的思路最切合生產(chǎn)實(shí)際。但是通過對壓縮機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，水洗存在一個較大的風(fēng)險：可能會損壞軸端密封，如果損壞了軸端密封，就算葉輪清洗成功也沒有用，如何保護(hù)壓縮機(jī)軸端密封，成為實(shí)施在線清洗作業(yè)的關(guān)鍵。

1.2.2 壓縮機(jī)軸端密封保護(hù)

離心壓縮機(jī)軸端密封系統(tǒng)［11］是壓縮機(jī)最精密的部分，在壓縮機(jī)的驅(qū)動端和非驅(qū)動端各有一套相同的密封系統(tǒng)；每套密封系統(tǒng)都包含有三級密封；在壓縮機(jī)運(yùn)行時，密封氣一部分通過一級密封后部分從主排放口排出機(jī)體在安全區(qū)域冷放空，一部分通過二級密封后與通過開口環(huán)形密封的緩沖氣一起從二級密封排放口排出機(jī)體在安全區(qū)域冷放空；在整套密封系統(tǒng)中，密封所用氣體為工藝氣本身，當(dāng)一級密封失效時，第二級密封可以起到輔助安全密封的作用，可保證工藝介質(zhì)不大量向大氣泄漏；緩沖空氣系統(tǒng)的作用是分隔潤滑油和天然氣，防止?jié)櫥瓦M(jìn)入密封系統(tǒng)損壞密封。

通過對壓縮機(jī)軸端密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（圖2）與工作原理進(jìn)行分析，在壓縮機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時，壓縮機(jī)的控制邏輯將密封氣和緩沖空氣都關(guān)閉。如果進(jìn)行清洗作業(yè)，壓縮機(jī)腔體內(nèi)進(jìn)水后，水將可能會通過迷宮密封進(jìn)入到軸承腔內(nèi)，導(dǎo)致潤滑油黏度的變化而損壞軸承。因此，在線清洗技術(shù)的關(guān)鍵是如何做好軸端密封系統(tǒng)的保護(hù)，只要保持密封氣壓力足夠高，密封氣就會通過葉輪端的密封進(jìn)入壓縮機(jī)腔室，密封氣壓力可以抵消水靜壓與克服水在干氣密封端面上的附著力，將水隔離在干氣密封之外，避免造成干氣密封與軸承的污染，因此清洗作業(yè)前必須啟用密封氣。

圖2 壓縮機(jī)軸端密封示意圖

實(shí)踐表明，當(dāng)密封氣和壓縮機(jī)腔室中的壓差大于130kPa時，壓差所產(chǎn)生的氣流足以阻止污水流入軸端密封系統(tǒng)，就可以避免清洗液和污垢對密封系統(tǒng)的污染。

1.3 在線清洗實(shí)施方案

實(shí)施方案分2步：第1步淡水清洗。將淡水注入壓縮機(jī)腔體到1／2位置，對葉輪進(jìn)行24h浸泡，然后人工轉(zhuǎn)動葉輪180°再次注水浸泡24h，如此反復(fù)進(jìn)行3遍浸泡和切換。內(nèi)窺鏡觀察的結(jié)果表明用淡水浸泡清洗法可以除掉轉(zhuǎn)子的葉輪表面上NaCl、KCl等易溶于水的垢鹽，葉輪上的垢鹽已經(jīng)大為減少，但還有少量鹽垢附著在葉輪表面未清除干凈。進(jìn)一步分析認(rèn)為，由于地層水中還含有Ca2＋、Mg2＋和 HCO3－，在壓縮內(nèi)部的高溫下，HCO3－會和Ca2＋、Mg2＋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CaCO3、MgCO3，反應(yīng)方程式如下：

而CaCO3、MgCO3不溶于水，因此淡水無法徹底將垢清洗干凈，雖然水洗后試機(jī)表明壓縮機(jī)振動減小，但并沒有達(dá)到理想狀態(tài)。

第2步冰醋酸溶液清洗，是用冰醋酸配成的溶液浸泡，除掉不溶于水的CaCO3和MgCO3。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

由于冰醋酸屬于弱酸，對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的金屬腐蝕很小，而且在市場上容易獲得，是一種較佳的清洗劑。最終決定采用冰醋酸的水溶液作為清洗劑，實(shí)施在線循環(huán)清洗作業(yè)。具體作業(yè)程序?yàn)椋?/p>

1）能源隔離，拆除相關(guān)管線及安裝液位計(jì)。

2）清洗流程如圖3所示，連接好清洗液儲罐、循環(huán)泵、進(jìn)液口和出液口。

3）將醋酸和水按4∶100比例配比成清洗液，清洗液的pH值控制為3～4。

4）導(dǎo)通清洗流程，將配好的清洗液通過循環(huán)泵注滿壓縮機(jī)腔體，保持機(jī)體內(nèi)液位，使清洗液沿著儲罐→循環(huán)泵→壓縮機(jī)腔體→儲罐流程對葉輪進(jìn)行循環(huán)清洗。

5）定時檢測清洗液的pH值，當(dāng)pH值不再升高時說明壓縮機(jī)葉輪污垢清洗干凈。

6）清洗結(jié)束后，排掉壓縮機(jī)腔體內(nèi)的殘液，馬上使用淡水進(jìn)行浸泡沖洗。

圖3 壓縮機(jī)清洗流程示意圖

7）管線回裝，N2吹掃，充壓測漏，啟機(jī)測試。

結(jié)果表明，這種在線循環(huán)清洗除垢的方法十分有效，清洗后壓縮機(jī)振動情況得到明顯改善，壓縮機(jī)軸段密封也得到了保護(hù)。

進(jìn)一步優(yōu)化措施：在循環(huán)清洗的同時，為了進(jìn)一步提高清洗的效率，在壓縮機(jī)非驅(qū)動端安裝氣動輔助馬達(dá)（圖3），持續(xù)給壓縮機(jī)盤車，讓轉(zhuǎn)子以80～100r／min的速度緩慢轉(zhuǎn)動，使原來的靜態(tài)浸泡變成動態(tài)浸泡，這樣就使鹽垢溶解速度加快，提高了清洗的效率，縮短清洗作業(yè)時間。通過內(nèi)窺鏡檢查，清洗效果顯著（圖4）。

圖4 壓縮機(jī)葉輪清洗后照片

2 在線清洗作業(yè)注意事項(xiàng)

2.1 對密封氣系統(tǒng)壓力的控制

清洗作業(yè)過程中，操作人員需要時刻注意觀察控制界面中的密封氣系統(tǒng)壓力（圖5），使干氣密封壓差不低于130kPa，緩沖器密封不低于152kPa，確保壓縮機(jī)密封系統(tǒng)的安全。

2.2 對清洗液的pH值的控制

圖5 密封氣系統(tǒng)壓力監(jiān)測圖

清洗液是由醋酸［12］和水按4∶100比例配比而成，清洗液的pH值控制在3～4之間，pH值過低容易對壓縮機(jī)葉輪造成腐蝕［13］。在機(jī)體酸液排完后，先沖入少量蘇打水中和，隨后不斷用淡水浸泡清洗，直至pH值檢驗(yàn)為中性為止，最后用純凈的氮?dú)鈱嚎s機(jī)進(jìn)行吹掃干燥，避免殘液對轉(zhuǎn)子和定子造成腐蝕。

3 在線清洗效果

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子清洗作業(yè)時間一般需要3d，平臺生產(chǎn)人員通過對每次壓縮機(jī)前后端的振動值及壓縮機(jī)效率等參數(shù)的跟蹤分析（表2），數(shù)據(jù)顯示天然氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子清洗效果良好。

壓縮機(jī)在線清洗后，機(jī)組振動數(shù)值恢復(fù)到正常水平；清洗后的效率（0.679 8）比清洗前的效率（0.521 2）提高了30%；干氣密封排放壓力在清洗前后無變化，表明干氣密封完好沒有受到污染。截至2014年2月16日，樂東氣田3臺壓縮機(jī)共實(shí)施在線清洗作業(yè)25次，均除垢成功，保證了壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在線清洗方法在國內(nèi)同類機(jī)組屬于首次應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)在其他氣田（如東方氣田）同類壓縮機(jī)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，也同樣取得了良好的效果。

4 結(jié)論

1）含有高礦化度水的濕氣在多級離心式壓縮機(jī)的葉輪易形成結(jié)垢現(xiàn)象。

表2 樂東氣田壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子清洗前后參數(shù)對比表

2）實(shí)踐證明，不拆卸機(jī)組，利用清洗液對壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行在線清洗的技術(shù)方案是可行的。

3）在線清洗的關(guān)鍵是保護(hù)好壓縮機(jī)軸端密封，可以利用保持密封氣壓力對密封進(jìn)行保護(hù)，避免清洗過程中清洗液對密封系統(tǒng)造成污染。

4）同類型的壓縮機(jī)在發(fā)生水溶性鹽垢時可采用類似方案予以解決。

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