无人值守天然气脱水站压力容器管理研究

摘要：本文探讨天然气脱水站无人值守模式下压力容器安全管理问题，以蜀南气矿代寺脱水站为实证案例。针对压力容器在高温高压、酸性介质环境中的失效风险，以及无人值守转型中暴露的监测盲区、应急滞后、标准缺失等挑战，通过梳理压力容器设计选型、制造安装、运行维护全生命周期管理要点，结合壁厚减薄预测模型与风险分级响应机制，提出分阶段过渡管理方案。相关工作为提升无人值守场站设备安全性提供技术参考。 

关键词：无人值守站；压力容器管理；壁厚预测；风险分级；代寺脱水站

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

天然气脱水处理是天然气生产过程中的核心环节，直接关系到天然气质量和管道输送安全。作为脱水处理的关键设施，脱水站内配置的分离器、吸收塔、闪蒸罐等压力容器长期处于高温高压、酸性介质腐蚀的恶劣工况环境中，其安全运行直接关系到整个气田的生产安全。随着数字化技术在能源行业的深度应用，无人值守脱水站成为天然气田提质增效的重要发展方向。

中国石油西南油气田分公司在川南地区率先推进脱水站无人化改造，其中大坝脱水站作为川南页岩气首个无人值守脱水站，自2024年底投运以来累计处理气量已突破1亿立方米，人力成本优化比例达67%，实现了从“传统人工巡检”向“电子巡检、自动生产”的转型。2025年6月29日，蜀南气矿代寺脱水站顺利投运并进入集中脱水生产阶段，代表着蜀南气矿智能化、自动化水平取得阶段提升。而压力容器是作为《特种设备目录》明确监管的高风险设备，其失效可能导致灾难性后果。在未来的无人值守模式下，传统依靠人工巡检和现场操作的管理方式已无法满足安全需求，亟需建立适应新运行模式的全生命周期管理体系。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 压力容器管理标准体系

国际上压力容器安全管理已形成较为完善的标准体系。美国机械工程师协会（ASME）制定的《锅炉及压力容器规范》（BPVC）是全球最具影响力的标准之一，其核心内容包括材料要求、设计规则、制造标准、检验方法等九个部分，构成了压力容器全生命周期管理的技术框架。欧盟《压力设备指令》（PED）则从法律层面规定了压力设备设计、制造、测试、标记等环节的基本安全和环境要求，强调风险评估和符合性评估。这些标准体系为我国压力容器安全管理提供了重要参考。

我国压力容器管理标准体系不断完善，形成了以《特种设备安全法》为上位法，《固定式压力容器安全技术监察规程》、《特种设备使用管理规则》为技术规范，《钢制压力容器》等为产品标准的三级标准体系[1][2][3][4][5]。

1.2.2 无人值守场站设备管理

油气行业无人值守场站设备管理研究尚处于探索阶段。德国BASF公司在其路德维希港基地试点应用了压力容器在线监测系统，通过声发射技术和光纤传感网络实时捕捉设备状态变化，将异常识别时间缩短了70%。美国埃克森美孚公司在得克萨斯州页岩气田的无人值守集气站中，建立了“数字孪生”系统，实现了压力容器运行状态的实时映射和故障预判[8]。

国内方面，中国石化普光气田在净化装置中应用了智能诊断系统，通过分析压力容器壁温、压力波动、腐蚀速率等参数的变化趋势，实现故障早期预警。西南油气田在相国寺储气库群开展了压力容器完整性管理试点，构建了“在线监测+定期检验+应急响应”的管理模式，使设备非计划停机时间减少65%。然而，这些实践多集中于常规站场，针对无人值守脱水站压力容器管理的系统研究仍显不足，特别是在智能监测、应急响应等方面的技术创新亟待深化。

1.3 研究内容与方法

本研究采用“理论分析-问题诊断-案例验证-模型构建”的研究路线，聚焦代寺脱水站压力容器管理实践，系统探索无人值守场站压力容器管理的理论体系和实践路径。

研究内容主要涉及压力容器管理标准的梳理、代寺站运行瓶颈的观察、壁厚减薄预测方法的尝试应用、过渡期管理调整的初步方案。

研究方法为参考文献标准（如ASME、TSG规范）、代寺站运行数据、设备台账记录以及工程模型计算。

第2章 压力容器管理理论基础

2.1 设计选型阶段技术规范

压力容器的安全管理始于设计选型阶段，科学的设计参数和合理的材质选择是保障设备长期安全运行的基础前提。对于天然气脱水站的压力容器，设计阶段需综合考量介质特性、工艺条件、环境因素等多维度参数，确保设备在全生命周期内满足安全性和可靠性要求。

设计参数确定应遵循严格的科学准则。压力阈值设定必须低于材料屈服强度的80%，以预留足够的安全裕度；容积设计需预留10-15%的介质相变膨胀余量，防止超压风险；结构设计需采用有限元分析软件进行应力模拟，优化开孔补强区域的结构设计，降低应力集中系数。以代寺脱水站三甘醇吸收塔为例，其设计压力为7.5MPa，远低于材料Q345R的屈服强度（147MPa），符合ASME（美国机械工程师协会）标准要求[6][7]。

材质选择需兼顾强度与耐蚀性。在含硫天然气环境中，压力容器面临电化学腐蚀和应力腐蚀开裂双重威胁。根据NACE MR0175标准，当硫化氢分压超过0.0003MPa时，需选用抗硫材质。代寺脱水站针对原料气过滤分离器选用Q345R钢材，显著提升了设备的抗硫性能。

安全附件配置是设计阶段的关键环节。每台压力容器必须配置双通道安全防护系统：一级安全装置（如安全阀）在设定压力的105%内必须开启；二级安全装置（如爆破片）作为冗余保护。

2.2 制造安装过程质量管控

压力容器制造安装质量直接关系到设备运行安全，必须构建覆盖原材料验收、焊接工艺、无损检测、压力试验全过程的质量管控体系。

板材入场需经化学成分复验（光谱分析）、力学性能测试、超声波探伤\液压试验。

2.3 运行维护管理标准

在压力容器投运后，建立科学的运行维护管理体系是保障设备长期稳定运行的关键。该体系应包括日常巡检、参数监控、预防性维护三个核心模块，形成“监测—分析—处置”的闭环管理机制。

第3章 代寺脱水站压力容器管理挑战

3.1 代寺脱水站简介

本站位于四川省自贡市富顺县代寺镇的代寺脱水站是蜀南气矿自205井区集输、脱水、外输的重要枢纽，主要接收自205H1、自205H2平台以及泸205-1集气站来气，经威江线汇入川渝管网。设计集输规模550×104m3，目前第一期集输规模300×104m3。核心设备包括原料气过滤分离器（设计压力7.5MPa）、三甘醇吸收塔（7.5MPa）、闪蒸罐（1.0MPa）等，形成“分离-吸收-再生”工艺链。具有自动化控制、远程监控、智能诊断等功能。全站主要压力容器设备见表3.1。

表3.1 代寺脱水站主要压力容器

代寺脱水站作为蜀南气矿首座具有无人值守功能的脱水站，其运行机制主要包括以下几个方面：

设备配置：站内配备了三甘醇脱水装置、吸收塔、闪蒸罐、循环泵等关键设备，采用先进的自动化控制系统，通过DCS（分布式控制系统）和PLC（可编程逻辑控制器）实现设备的自动启停、参数调节和流程控制，实现对脱水过程的精确控制。

运行流程：天然气进入脱水站后，首先通过过滤器去除杂质，然后进入吸收塔进行脱水处理，脱水后的干气进入外输系统，而脱水后的富液则进入闪蒸罐进行分离，最后通过再生塔进行再生处理，形成贫液循环使用。

监控系统：站内安装了多个传感器和摄像头，实时监测设备运行状态、温度、压力、液位等关键参数，并通过SCADA（数据采集与监视控制系统）系统将数据上传至远程监控平台，实现对设备运行状态的实时监控。

应急响应机制：站内配备了紧急切断阀、消防设施、报警系统等，确保在发生异常情况时能够及时响应，保障生产安全。 

3.2 传统管理模式在无人值守下的局限性

无人值守场站运行模式对传统压力容器管理方式提出了严峻挑战，主要体现在监测盲区、应急滞后、维护标准缺失三个方面，亟需系统性解决方案。

监测盲区问题在无人值守场站尤为突出。传统人工巡检模式下，压力容器的表面缺陷、异常声响、微量泄漏等隐患依赖经验判断。而无人值守场站日常巡检频次大幅降低，难以实时捕捉设备状态变化。特别是在焊缝热影响区、接管角焊缝等隐蔽部位，表面裂纹往往在扩展至临界尺寸时才被检出，大大增加了事故风险。

应急响应滞后是无人值守场站面临的最大安全挑战。当压力容器发生泄漏、超压等紧急情况时，传统场站可依赖现场人员实施“一键急停”操作，响应时间通常在3分钟以内。而无人值守场站需远程启动应急程序，平均响应时间延长至15分钟以上。以闪蒸罐安全阀起跳为例，若未及时降压，可能导致富液夹带三甘醇，引发下游设备污染和管道堵塞。

维护标准缺失制约管理效能提升。现有特种设备管理规范主要针对有人值守场站设计，缺乏适应无人值守模式的专项标准。特别是在在线检测替代定期检验的技术条件、远程监控系统的验收标准、智能诊断结果的处置规范等方面存在制度空白。某油田无人值守站曾因过度依赖振动监测数据，忽视了三甘醇吸收塔内壁腐蚀减薄（年腐蚀速率0.25mm），导致设备提前报废。这反映出传统管理模式难以满足无人值守场站的安全需求。

3.3 无人值守脱水站的优势

无人值守脱水站相比传统人工值守模式具有以下优势：

一是提高生产效率。无人值守技术通过自动化控制（如DCS系统实现设备自动启停、参数调节）减少人工干预，提升设备运行效率。远程监控（如SCADA系统实时监测状态并处理异常）进一步保障生产连续性。

二是降低运营成本。智能巡检系统替代人工操作，降低人工成本。远程监控（如SCADA系统）及时预警故障，减少设备维修支出。

三是保障生产安全。远程监控与智能预警（如SCADA系统）快速发现并处理异常。智能巡检系统（如图像识别技术自动诊断）提升设备运行安全性，消除人工操作风险。

四是提升管理水平。数据分析优化运行参数与生产流程，实现决策智能化。远程监控与预警系统协同管理，强化设备运行安全。

 3.4代寺脱水站管理

代寺脱水站的管理实践以确保生产系统安全平稳运行为核心，职责由中心站和集中调控中心共同承担。中心站的核心目标是保障工艺系统与设备设施安全平稳运行、安全环保全面受控及生产计划指标完成。其具体职责包括：日常运行管理（编制修订“两册一图”、岗位责任清单，制作生产报表）；严格执行调度指令并协调资源保障运行；负责集输、脱水、消防、气田水储存转输等系统及其辅助系统的巡回检查、维护保养、分析处理、风险防控（危害识别、隐患管控）及应急处置；配合调控中心进行生产异常、事故事件及数据报警的现场核查处置；配合作业区开展隐患整改、设备周期性检测维保、施工检维修、清管作业、信息化系统测试；负责属地合规性及职业健康安全环境节能节水管理；及时向作业区反馈运行情况与建议。集中调控中心分为监控岗与调度岗。

监控岗负责脱水站现场电子巡查（工艺参数、设备状态）及视频监控（生产、施工、气田水装卸），负责脱水系统、消防系统等关键参数（详见附表1）每小时信息化巡查，负责报警信息管理及参数复核分析，配合报警联锁测试及数据维护，按指令核实现场后远程操作，负责安眼系统监控并及时处理预警（10分钟内）。调度岗负责集输系统关键参数（详见附表1）每小时巡查及报警监控，归口管理生产调度指令，负责脱水站指令落实及工艺调整信息与气矿综合智能指挥中心联络及对外协作，负责生产异常及报警管理应急处置闭环（突发事故信息快报执行《西南油气田公司突发事件应急管理办法》），审核脱水站生产信息及报表，按方案组织场站管线停气碰头清管通球期间的生产气量调配监控并向矿级综合智能指挥中心汇报进度。

信息化系统是管理实践的关键技术支撑。在中心站和作业区调控中心的站控系统上位机中，完成了进出站压力、流量、温度、场站ESD等重要参数的历史趋势组态，其中压力和流量实现秒级趋势监控并设置关键趋势组。中心站和作业区调控中心均设置历史备份存储设施，备份存储本站所辖站场和管道的控制逻辑、报警、系统事件、SOE事件、历史趋势等，存储空间满足三年需求。完善了智能电子巡检系统，通过集成关键参数一览表功能，将运行压力、液位、气体检测仪示值、阀位状态等需关注点位整合至一张表展示，系统实现每小时自动巡检并形成预警报告，由监控岗每小时分析确认。整合生产类信息化应用系统，实现数据集成，提高应用系统的协同能力和响应速度。

基础资料管理要求明确。作业区集中调控中心统一管理调控中心资料，包括各业务基础资料台账、调度资料、应急管理资料、各单位调度部门电话记录、书面调度指令、生产报表（电子版）、用户书面请示及批复（电子版）、上级部门及地方政府部门各类文件。业务基础资料包括设备设施基础信息台账、“两册一图”、岗位责任清单、生产运行报表及信息化功能测试记录（报警、阀门、联锁、后备电源等）。应急管理资料包括脱水站应急预案及计划、应急演练记录、应急联络人员台账。

第4章 压力容器壁厚简易预测

无人脱水站压力容器长期处于高压、高温、腐蚀性介质环境中，壁厚减薄是导致失效的核心风险。由于无人值守特性，传统定期检验难以覆盖腐蚀发展的关键周期，壁厚异常减薄可能成为安全事故的“盲点”，而超限压力容器需执行更严格的使用管理规范[9]。

4.1 壁厚减薄的主要机制

4.1.1 腐蚀作用

在脱水站压力容器面临的各种壁厚减薄机制中，电化学腐蚀是最为普遍且最具破坏性的因素。压力容器接触的介质通常含有水、硫化氢、二氧化碳及各类盐分，这些物质共同构成了强腐蚀环境。以含硫天然气脱水系统为例，H₂S与水分结合形成的弱酸溶液会对碳钢容器产生典型的硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）和均匀腐蚀。腐蚀过程表现出明显的时间依赖性特征。在设备投用初期（1-3年），表面保护性氧化膜尚未完全破坏，腐蚀速率相对平缓；进入中期（4-10年），随着腐蚀产物的脱落与新生，腐蚀速率达到峰值；后期（10年以上）则可能出现局部腐蚀加剧现象，形成点蚀坑或沟槽腐蚀，导致局部壁厚急剧减薄。而无人值守站的风险焦点是加速期腐蚀易在定期检验间隔内突破安全阈值。

4.1.2 磨蚀与冲蚀

脱水介质中的固体颗粒物（如砂粒、腐蚀产物、盐结晶等）在高速流动条件下对容器内壁造成的机械磨损是另一重要减薄机制。研究表明，当介质流速超过临界值时，固体颗粒的动能足以破坏金属表面的保护膜，使新鲜金属持续暴露于腐蚀环境中，形成腐蚀-冲蚀协同效应，加速壁厚减薄。

4.1.3 疲劳与蠕变

压力容器在交变载荷作用下，材料会发生累积损伤，导致壁厚有效承载能力下降。脱水站的压力容器承受着多种循环应力：周期性再生操作引起的温度波动、气量变化导致的压力波动、以及设备振动产生的机械应力。这些交变应力在结构不连续区域（如焊接接头、开孔接管处）形成应力集中，诱发疲劳微裂纹，随着时间推移裂纹扩展，降低结构整体性。

对于高温操作容器（如再生气体系统），长期热应力作用下还会发生蠕变损伤。碳钢材料在超过150℃的环境下持续工作，晶界滑移导致材料发生不可逆的塑性变形，表现为壁厚方向的蠕变膨胀和局部减薄。

4.2 检测方法与监控技术

4.2.1 壁厚测量技术

准确测定壁厚是评估压力容器安全状况的基础工作[10]。目前工业应用的主要检测方法包括：

超声波测厚法：利用高频声波在材料中的传播时间原理测量壁厚，是目前最常用的在线检测技术。其优势在于便携性和高精度，可对容器进行网格化布点测量，绘制壁厚等值线图。

射线检测技术：通过X射线或γ射线穿透金属，利用底片感光差异显示壁厚变化。该方法特别适用于检测内部腐蚀和夹层缺陷，但需考虑辐射安全防护，通常用于停车检修期间的重点部位检测。

4.2.2 定期检验规范

我国《压力容器定期检验规则》（TSG R7001-2013）建立了分级检验制度，要求压力容器投用后3年内进行首次全面检验，后续检验周期根据安全状况等级确定：1-2级每6年一次，3级每3-6年一次，4级容器需监控使用且累计不得超过3年。壁厚测定是定期检验的核心项目，要求选择有代表性的位置（包括易腐蚀区、应力集中区）进行测量，点数需足够反映整体情况[11][12]。

4.3 简易预测模型

4.3.1最小需要壁厚计算

根据GB/T 150.4-2023《压力容器》第4.3.2条，圆筒形压力容器最小计算厚度公式：

P计：设计压力（MPa）

Di：筒体内直径（mm）

[σ]t：材料许用应力（MPa）

φ：焊接接头系数

C：腐蚀裕量，至下一个检验周期容器的腐蚀量。为增加安全系数，取腐蚀速率为 0.2mm/a，（按NACE RP0775-2005 取点蚀的中度腐蚀速率）检验周期3年，C =0.6mm。

4.3.2剩余寿命简易估算

剩余寿命（年）= （实际壁厚−tmin）/C

案例数据源于自贡采气作业区压力容器设备设施台账公开数据。

类型：再生气/冷吹气换热器（压力容器类别：II类）

设计压力P计：2.5 MPa

内径 Di：800 mm

材料：筒体材质Q345R（[σ]t = 147 MPa，φ取0.85，C =0.6mm）

介质：再生气、废气。

计算过程：

最小需要厚度：

安全判定：
剩余寿命 =（6.7-5.93）/0.2=3.85年，在下一次检验周期（3年）前合格

第5章 压力容器管理提升路径规划

5.1 现状评估与前瞻性挑战

基于代寺脱水站当前处于“有人值守→过渡至第三方定期巡检→最终无人值守”的转型阶段，结合行业实践和站场特性，建议采取以下分阶段管理优化措施[13][14]，兼顾当前安全需求与未来无人化目标：

5.1.1人员职能

建议值守人员当前做好日常操作、数据监控与异常诊断，为无人化积累经验；建议设立专职数据诊断岗，将1-2名员工转为实时数据诊断员，专注分析SCADA系统（压力、温度、腐蚀速率等）的异常波动，建立《代寺脱水站站参数波动特征库》，记录不同工况下的正常波动阈值。

5.1.2推行“故障预判”实战训练 

建议每个季度组织1次模拟故障推演：基于同类脱水站历史故障案例（如焊缝微泄漏、安全阀卡滞），演练通过数据趋势预判故障的逻辑路径，提升诊断准确率；编制《培训手册》，按设备分区负责编写运维知识库，包括设备临界参数清单（如分离器液位安全阈值）、常见故障的远程处置指令（如远程重启循环泵的联锁条件）、第三方巡检必检项（如焊缝腐蚀重点区域标记）。

5.1.3 构建“预防性维护+智能校验”双机制

针对超限压力容器的核心风险，优化维护策略。一是关键设备实施“预防性维护日历”；二是试点智能校验技术替代人工，在重沸器、闪蒸罐等设备加装自诊断模块；安全阀加装压力-位移双信号传感器，实时监测起跳动作有效性；

5.1.4 分级管控

建立“红-黄-蓝”风险分级响应机制。

蓝色预警（中风险）：参数达到设计压力80%~85%，系统自动推送工单至第三方巡检组检查工况，调整参数避免持续上升，4小时内现场核查整改；

黄色预警（高风险）：参数设计压力的85%~90%，触发声光报警，自动通知中心站、作业区紧急介入，操作员需在控制室确认原因并同步启动应急预案，2小时内现场核查整改。

红色预警（极高风险）：参数达到设计压力90%~95%，压力接近设备承压极限，存在爆炸风险，必须紧急停机；自动触发安全联锁，人工不得干预复位，通知中心站、作业区、气矿相关部门紧急介入，同步启动应急预案。

5.1.5 第三方管理机制：从“被动履约”到“主动共防”

实施“培训-演练-考核”一体化认证，第三方人员需通过代寺站定制化考核，推行“隐患上报积分制”

第三方巡检员上报非清单内隐患（如隐蔽处锈迹），经确认后兑换奖励，激发主动风险识别。

过渡路径规划：分阶段削减值守人力，见表5.1。

表5.1 代寺脱水站路径规划

第6章 结论

代寺脱水站实践表明，无人值守模式下压力容器管理需解决三方面问题：一是隐蔽部位缺陷监测盲区，二是应急响应时间延长，三是现有标准缺乏智能运维专项条款。通过建立全生命周期管理框架（设计阶段预留安全裕度、运行阶段实施"监测-分析-处置"闭环、维护阶段应用壁厚模型预测），可量化设备风险。过渡期采用人员职能转型、"红—黄—蓝"风险分级响应、第三方隐患上报积分制等措施，为无人值守场站安全管理提供可行路径。

参考文献

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[2] TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[S]． 北京： 中国标准出版社， 2016.

[3] TSG 08-2017《特种设备使用管理规则》[S]． 北京： 中国标准出版社， 2017.

[4] TSG R7001-2013《压力容器定期检验规则》[S]． 北京：中国标准出版社，  2013.

[5] NB/T 47013-2015《承压设备无损检测》[S]． 北京： 中国标准出版社， 2015.

[6] ASME Boiler and Pressure Vessel Code,  Section VIII Rules for Construction of Pressure Vessels[S].  New York:  ASME,  2023.

[7] NACE SP0169  Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems[S].  Houston:  NACE International,  2023.

[8] NACE MR0175  Materials for Use in H₂S-Containing Environments in Oil and Gas Production[S].  Houston:  NACE International,  2023.

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[11] 邓亚华． 压力容器安全管理研究[J]． 青海特种设备， 2019(4):  25-30.

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[14] 中国机械工程学会压力容器分会． 压力容器全生命周期安全管理要点解析[J]． 压力容器人， 2025, 8(4):  12-18.