CC BY
78автоматизация
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИИ В УСЛОВИЯХ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АГРЕССИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ
УДК 66-931.2
М.Ю. Родин, ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (Москва, РФ), M_Rodin@vniigaz.gazprom.ru А.Р. Шириев, ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ), A.Shiriev@adm.gazprom.ru Н.И. Жигайлова, ПАО «Газпром», N.Jigaylova@adm.gazprom.ru
В настоящее время в рамках технического переоснащения (реконструкции) объектов Астраханского и Оренбургского месторождений, пластовая смесь которых содержит сероводород и меркаптановую серу, встал вопрос о соответствии информационно-измерительного оборудования требованиям ANSI/NACE MR0175/IS0 15156 «Petroleum and natural gas industries -Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production / Промышленность нефтяная и газовая - Материалы для использования в средах, содержащих сероводород, при нефте- и газодобыче» с учетом установленных генеральным проектировщиком ПАО «ЮЖНИИГИПРОГАЗ» параметров окружающей среды. В связи с этим в рамках программы импортозамещения появилась необходимость разработки нормативных документов ПАО «Газпром» с указанием требований к средствам измерений и информационно-измерительной технике, применение которых допускается на объектах Астраханского газоконденсатного и Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождений. Это позволит отечественным производителям оценить соответствие своего оборудования данным требованиям и обеспечить безопасную эксплуатацию производственных объектов.
ключевые слова: КОРРОЗИОННОЕ ИСПОЛНЕНИЕ, КОРРОЗИОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ, РЕСУРСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Объекты Астраханского газо-конденсатного и Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождений (ГКМ и НГКМ) занимают особое место в структуре ПАО «Газпром». Это связано не только с исключительным по своим масштабам производством серы, но и с уникальным по составу сырьем. Результат переработки углеводородов на указанных предприятиях - природный газ и ценные виды продукции (весь ассортимент бензинов, отвечающих требованиям стандарта Евро-5, мазут, сжиженные углеводородные газы, сера). При этом особенность технологических процессов заключается в высоком содержании серы и меркаптанов как в сырье, так и в окружающем воздухе, что негативно сказывается на работе
оборудования. Так, пластовая смесь Астраханского ГКМ характеризуется как высокосернистая со сложным составом. Из соединений серы, кроме сероводорода Н^, среднее содержание которого составляет до 30,0 % об., в смеси содержится аномально большое количество сероокиси углерода (около 1000 мг/м3), серы меркаптановой (около 2000 мг/м3), сероуглерода (менее 10 мг/м3), углекислоты (12,6 % об.), азота (не превышает 0,5 % об.).
Сероводород и его соединения, диоксид углерода - коррозион-но-активные компоненты, представляющие серьезную угрозу для контактирующих с ними стальных элементов технологического и информационно-измерительного оборудования.Сероводород реагирует почти со всеми металлами, образуя сульфиды, которые мо-
гут отложиться в виде продуктов коррозии и вызвать различные осложнения. Отложения отличаются пирофорностью и высокой химической активностью. Сульфиды по отношению к железу играют роль катода и образуют с ним гальваническую пару. Разность потенциалов этой пары достигает 0,2-0,48 В. Способность сульфидов к образованию микрогальванических пар со сталью приводит к быстрому разрушению стальных элементов измерительного оборудования [1].
Одновременное присутствие сероводорода, кислорода и воды -наиболее неблагоприятно с точки зрения коррозии. Коррозионное воздействие на металл указанных примесей резко возрастает при увеличении давления. Скорость коррозии прямо пропорциональна давлению газа. При этом
автоматизация
M.Yu. Rodin, Gazprom VNIIGAZ LLC (Moscow, Russian Federation), M_Rodin@vniigaz.gazprom.ru A.R. Shiriev, Gazprom PJSC (Saint Petersburg, Russian Federation), A.Shiriev@adm.gazprom.ru N.I. Zhigaylova, Gazprom PJSC, N.Jigaylova@adm.gazprom.ru
Application of measurement tools in aggressive environments
Today it is necessary to bring the information and measurement systems into compliance with the requirements of ANSI/NACE MR0175/IS0 15156 Petroleum and natural gas industries - Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production for the purpose of technical re-equipment and reconstruction of Astrakchan and Orenburg oil fields facilities. These fields' formation fluid contains hydrogen sulphide as well as mercaptan sulfur. The environmental parameters set by the general designer, YuzhNIIgiprogaz, should be considered. Thus, there is a need for the development of Gazprom's regulatory documents stipulating the requirements for measuring instruments and information and measurement systems applied at Astrakhan and Orenburg gas condensate fields as part of the import substitution program. This will help local producers assess the compliance of their equipment with these requirements and ensure safe operation of production facilities.
keywords: CORROSION EXECUTION, CORROSION COMPONENTS, LIFE CYCLE TESTS.
отмечается, что при давлении до 20 ат. и влажном газе достаточно даже следов сероводорода 0,002-0,0002 % об., чтобы вызвать значительные коррозионные поражения металлических поверхностей, тем самым ограничивая срок службы оборудования и информационно-измерительной техники 3-5 годами [2].
Вследствие коррозионного воздействия таких сред существенно сокращается срок службы технологического и измерительного оборудования при добыче, транспортировке и переработке углеводородов.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Защита от коррозии - элемент, составляющий основу надежной и безопасной работы технологического оборудования и информационно-измерительной техники, эксплуатируемых в условиях агрессивных сред.
Перед отечественными изготовителями указанного оборудования встает вопрос о том, как обеспечить эксплуатацию производимых высокоточных средств измерений (СИ) в жестких условиях эксплуатации при сохранении метрологических характеристик.
В каждом случае решение должно учитывать ряд индивидуальных факторов, например, в какой среде предполагается работа устройства
и его назначение, какие дополнительные эксплуатационные свойства необходимо обеспечить наряду с защитой устройства от коррозии и др.
По проекту разработки Астраханского ГКМ и Оренбургского НГКМ генпроектировщиком ПАО «ЮЖНИИГИПР0ГАЗ» обозначены следующие условия эксплуатации оборудования:концентрация сероводорода в воздухе при нормальной работе технологического оборудования - 1 мг/м3, при аварийных ситуациях - до 100 мг/м3 и концентрация сернистого ангидрида -до 200 мг/м3 (кратковременно). Разработчиками основного технологического и информационно-измерительного оборудования учтены требования стандарта ANSI/NACE MR0175/IS0 15156 «Petroleum and natural gas industries - Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production / Промышленность нефтяная и газовая -Материалы для использования в средах, содержащих сероводород, при нефте- и газодобыче». Все поставляемые импортные средства информационно-измерительного комплекса имеют степень защиты IP67, IP68 [3], включая дополнительное покрытие электронных плат.
На основе стандартов NACE [4] для Астраханского ГКМ и Оренбургского НГКМ разработан РТМ 311.001-90 «Приборы для уста-
новок добычи и переработки природного газа и нефти, содержащих сероводород и углекислый газ. Требования к материалам приборов и условиям эксплуатации», устанавливающий «„требования к материалам деталей и узлов контрольно-измерительных приборов и средств вычислительной техники, поставляемых на обустраиваемые месторождения газа и нефти, содержащих Н^ и С02 с парциальным давлением каждого в интервалах 0,00035-5,6 МПа (0,0036-58 кгс/см2), а количество влаги, превышающее допустимое по ОСТ 51.40-83 «Газы горючие природные, подаваемые в магистральные газопроводы».
Уникальный опыт эксплуатации СИ и средств электронно-вычислительного комплекса на Астраханском ГКМ и Оренбургском НГКМ показывает, что не всегда покрытие плат электронных модулей дает необходимую защиту оборудования от сероводородных соединений, содержащихся в воздухе.
В результате исследований вышедших из строя модулей средств измерений с силиконовым конформным покрытием, проведенных независимой лабораторией в 2013 г. методами электронной сканирующей микроскопии (ЭСМ) и энергодисперсионной рентгеновской спектрометрии (ЭРС), на краю металлизированного участка присоединения вывода
автоматизация
под силиконовым конформным покрытием были выявлены образования, представляющие собой сульфид серебра (соединение серебра и серы). В компонентах технологии поверхностного монтажа (ТПМ-компоненты) серебро служит для соединения внутренних функциональных элементов с металлизированной поверхностью внешних выводов под пайку. Под действием активной серы поверхностный слой серебра окисляется, что сказывается на работоспособности компонента. Эта реакция может привести к отказу электронного модуля.
Из этого следует, что активные соединения серы, присутствовавшие в воздухе на объекте, поглотились конформным покрытием и просочились сквозь него, непосредственно прореагировав с серебром поверхностной металлизации в месте подсоединения вывода к компоненту.
ПРИМЕНЕНИЕ
ОТЕЧЕСТВЕННЫХ АНАЛОГОВ
При проведении реконструкции и техперевооружения технологических объектов Астраханского ГКМ и Оренбургского НГКМ в рамках замены импортного оборудования, отвечающего требованиям кор-
розионной защиты, встал вопрос о возможности применения отечественных аналогов при сохранении заявленных метрологических характеристик и, как следствие, обеспечения безопасной эксплуатации технологических установок.
Необходимо учитывать тот факт, что даже при краткосрочном контакте агрессивной среды с электроникой процесс разрушения электронных компонентов может занимать длительный период (как показала практика, до одного года). При этом отклонение метрологических характеристик СИ с незащищенными электронными компонентами носит нелинейный и случайный характер. Определить это отклонение и предотвратить выход из строя измерительного оборудования можно только при уменьшении межкалибровочного интервала. Для непрерывного технологического процесса такая возможность исключается. Вместе с тем с пульта системного инженера предусмотрена функция корректировки «нуля» измерительного канала. Учитывая случайность отклонения метрологических характеристик измерительного оборудования,указанная процедура не может предотвратить недостоверность измерений технологических параметров, влияющих на ведение технологического процесса и качество работы всего оборудования.
При дополнительной защите электронных компонентов риски недостоверности измерений технологических параметров снижаются.
Необходимо отметить, что в настоящий момент в номенклатуре производителей информационно-измерительного оборудования отсутствует информация, указывающая на возможность эксплуатации в условиях с повышенным содержанием агрессивных компонентов.
Ряд изготовителей, декларативно ссылаясь на соответствие изготавливаемых СИ требованиям РТМ 311.001-90 [5], не предоставляют материалы испытаний. В то же
время в технической и эксплуатационной документации, включая маркировку СИ, отсутствует ссылка на исполнение оборудования с учетом защиты от воздействия агрессивных сред. Программы приемо-сдаточных, приемочных, ресурсных испытаний не отражают исследование работоспособности СИ с сохранением метрологических характеристик в условиях присутствия сероводорода.
Вышеизложенные примеры показали, что для работоспособности измерительной техники при сохранении метрологических характеристик и обеспечении безопасной эксплуатации технологических комплексов необходима разработка нормативных документов, устанавливающих требования к конструктивным особенностям измерительного оборудования, защите его электронных компонентов от агрессивного воздействия.
ПОДТВЕРЖДЕНИЕ СООТВЕТСТВИЯ
Основным этапом разработки и внедрения нормативных документов должно стать создание полноценных испытательных лабораторий для проведения исследований измерительного оборудования.
В настоящее время в ПАО «Газпром» разработана «Типовая программа и методика испытаний средств измерений в целях оценки их работоспособности и метрологических характеристик после воздействия на их электронные компоненты среды, содержащей сероводород». Задача испытаний - определение достаточности защиты электронных компонентов от воздействия агрессивных сред при заявленном изготовителем сроке эксплуатации с сохранением метрологических характеристик.
Указанные испытания проводятся в лабораториях ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Этапы испытаний включают:
- экспертизу технической документации на предмет наличия
автоматизация
требований к исполнению СИ,эксплуатация которых допускается в условиях с повышенным содержанием агрессивных компонентов;
- экспериментальные исследования;
- калибровку СИ после каждого этапа исследования.
При экспериментальных исследованиях применяются испытательные установки с воздушной смесью, обеспечивающие возможность изменения температуры и давления среды, содержащей агрессивные компоненты с различной концентрацией, и имитирующие условия окружающей среды. В ходе испытаний создаются максимально допустимые условия,определенные проектной документацией для конкретных технологических объектов.
Создание избыточного давления и влажности ускоряет процесс влияния агрессивной среды на испытываемые электронные элементы. Перед воздействием на СИ и после каждого этапа испытаний, отличающихся длительностью и условиями, осуществляется оценка работоспособности СИ и его калибровка в соответствии с методикой.
После экспериментальных исследований электронные эле-
менты испытуемого СИ проходят обследование с применением электронно-оптического микроскопа. После завершения всех этапов заказчику передается комплект отчетных материалов, включающий протоколы испытаний.
В целях проведения ресурсных испытаний СИ в ПАО «Газпром» разрабатывается концепция создания испытательной лаборатории на базе ООО «Газпром добыча Астрахань», которая позволит проводить исследование СИ при фактическом воздействии сероводорода и его соединений непосредственно на площадке производственного комплекса. При осуществлении ресурсных испытаний предусматривается периодическое моделирование различных операций воздействия агрессивных сред как на измеряемом потоке, так и при внешнем воздействии с обязательным периодическим контролем метрологических характеристик СИ.
Комплексное проведение испытаний позволит наиболее объективно оценить возможность применения отечественного информационно-измерительного оборудования, имеющего дополнительную защиту электронных
компонентов, в реальных условиях эксплуатации.
Разработка нормативных документов ПАО «Газпром» с приведенными требованиями по коррозионной защите к СИ, применение которых допускается в условиях Астраханского ГКМ и Оренбургского НГКМ, предоставит возможность отечественным производителям оценить соответствие изготавливаемого оборудования и в дальнейшем выполнять разработки СИ с учетом указанных требований.Техническое переоснащение, создание новых испытательных лабораторий ПАО «Газпром», разработка методик и методов проведения испытаний исключит поставку продукции, не соответствующей требованиям ПАО «Газпром», и минимизирует риски негативных последствий от применения оборудования несоответствующего качества.
Проведение указанных мероприятий позволит в полном объеме осуществлять техническое переоснащение технологических производств Астраханского ГКМ и Оренбургского НГКМ с учетом политики импортозамещения и обеспечения безопасной эксплуатации объектов. ■
литература
1. Чупрова Л.В., Муллина Э.Р., Ершова О.В., Мишурина О.А. Исследование факторов, влияющих на коррозию электрооборудования, эксплуатируемого в условиях агрессивной окружающей среды // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://science-education.ru/ru/article/view?id=12987 (дата обращения: 05.06.2019).
2. Строительный ресурс. Влияние агрессивных газов на трубы и оборудование [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://spb-sovtrans.ru/zakanchivanie-skvazhin/431-vliyanie-agressivnyh-gazov-na-truby-i-oborudovanie.html (дата обращения: 05.06.2019).
3. ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529:2013). Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP) (с Поправкой) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200136066 (дата обращения: 05.06.2019).
4. NACE MR0175/IS0 15156 «Petroleum and natural gas industries - Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production / Промышленность нефтяная и газовая - Материалы для использования в средах, содержащих сероводород, при нефте- и газодобыче» [Электронный ресурс]. Режим доступа: normdocs.livejournal.com/23173.html (дата обращения: 05.06.2019).
5. РТМ 311.001-90 «Приборы для установок добычи и переработки природного газа и нефти, содержащих сероводород и углекислый газ. Требования к материалам приборов и условиям эксплуатации» [Электронный ресурс]. Режим доступа: ограниченный.
references
(1) Chuprova LV, Mullina ER, Yershova OV, Mishurina OA. The Study of the Factors Causing the Corrosion of the Electric Equipment Operated
in Aggressive Environment. Contemporary Problems in Science and Education (Sovremenniye Problemy Nauki I Obrazovaniya). 2014; 2. Available from: http://science-education.ru/ru/article/view?id=12987 [Accessed 5th June 2019]. (In Russian)
(2) Construction resource. The impact of corrosive gases on pipes and equipment. Available from http://spb-sovtrans.ru/zakanchivanie-skvazhin/ 431-vliyanie-agressivnyh-gazov-na-truby-i-oborudovanie.html [Accessed 5th June 2019]. (In Russian)
(3) GOST 14254-2015 (IEC 60529:2013). Degrees of Protection Provided by Enclosures (IP Code) (with amendment). Available from: http://docs.cntd.ru/document/1200136066 [Accessed 5th June 2019]. (In Russian)
(4) NACE MR0175/ISO 15156 Petroleum and Natural Gas Industries - Materials for Use in H2S-containing Environments in Oil and Gas Production. Available from: normdocs.livejournal.com/23173.html [Accessed 5th June 2019].
(5) PTM 311.001-90 Gauges for Natural Gas and Oil Production and Processing Facilities. Requirements for Gauge Materials and Operation Conditions. Limited availability. (In Russian)
