油田三相分離器優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)

趙輝， 徐學(xué)剛

（1.中國(guó)石油克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依834003；2.常州藍(lán)翼飛機(jī)裝備制造有限公司，江蘇 常州213016）

1 三相分離器的工作原理

石油工業(yè)中的三相分離器是油田油氣水分離主要設(shè)備之一。它的作用是將油氣水分開(kāi)，以保證原油生產(chǎn)的進(jìn)行及污水的排出。

原油自油氣進(jìn)口切向進(jìn)入游離水脫除器的預(yù)分離筒，首先進(jìn)行氣液初步分離。氣體從預(yù)分離筒頂部經(jīng)氣體連通管進(jìn)入設(shè)備頂部的氣相空間，從而避免了氣體對(duì)液體的擾動(dòng)，有利于油水更好地分離。

2 三相分離器的分類(lèi)與功能

分離器可按應(yīng)用范圍及結(jié)構(gòu)形式兩種方法分類(lèi)。

（1）按應(yīng)用范圍分類(lèi)

按照分離器的應(yīng)用分為：生產(chǎn)分離器、計(jì)量分離器、氣體洗滌器、段塞流吸收器、過(guò)濾分離器、除砂器、泡沫分離器、蒸汽分離器、閃蒸分離器。

（2）按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)及比較

表1 匯集了分離器的三種結(jié)構(gòu)形式以及優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 三種分離器優(yōu)、缺點(diǎn)比較

由表1 中可見(jiàn)，臥式分離器通用性較強(qiáng)，費(fèi)用較低。在中高油氣比的場(chǎng)合下推薦使用臥式分離器。

3 三相分離器的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)件

一個(gè)分離器可以分為五個(gè)區(qū)：入口區(qū)（初分離區(qū)）、沉降區(qū)（第二分離區(qū)）、除霧區(qū)、液體滯留區(qū)（集液區(qū)）、出口區(qū)。

3.1 入口區(qū)（初分離區(qū)）內(nèi)件

入口內(nèi)件有幾種，本次設(shè)計(jì)采用如圖1 所示的預(yù)分離筒示意圖形式。

圖1 所示為本次設(shè)計(jì)采用的旋流入口裝置。旋流式入口裝置進(jìn)口采用螺旋通道，旋流預(yù)分離技術(shù)，使油氣在離心力的作用下進(jìn)行充分分離，并對(duì)高速流體起到緩沖作用。

圖1 預(yù)分離筒示意圖

3.2 出口區(qū)重要內(nèi)件

（1）防渦裝置，如圖2 所示。

（2）液 面 控制裝置：三相分離器還必須考慮控制液面的問(wèn)題。

圖2 防渦裝置

4 三相分離器設(shè)計(jì)條件以及設(shè)計(jì)依據(jù)

4.1 三相分離器設(shè)計(jì)條件

已知的設(shè)計(jì)條件如表2所示。

4.2 三相分離器設(shè)計(jì)依據(jù)

本次設(shè)計(jì)主要依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)：GB150-2011，《壓力容器》；NB/T47015-2011，《壓力容器焊接規(guī)程》；JB-T4731-2005，《鋼制臥式容器》；JB/T4736-2002，《補(bǔ)強(qiáng)圈》；GB/T25198-2011，《壓力容器用封頭》。

表2 已知計(jì)算條件列表

4.3 三相分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.3.1 三相分離器設(shè)計(jì)選材

筒體：Q245R；封頭：Q245R；鞍座墊板：Q245R。

4.3.2 內(nèi)壓圓筒及封頭計(jì)算

表3 圓筒及封頭的計(jì)算條件

設(shè)計(jì)計(jì)算條件如表3所示。

筒體和封頭的厚度按GB153.3 進(jìn)行計(jì)算。

（1）圓筒厚度δ 按下式計(jì)算：

最小厚度：

設(shè)計(jì)厚度：δd=δ+C2=5.21+3=8.21mm

鋼板負(fù)偏差C1＝0.3mm，經(jīng)圓整圓筒名義厚度δn=10mm。

（2）封頭厚度計(jì)算：

最小厚度：δmin=0.15%Di=0.15%×2600=3.9mm

由于計(jì)算厚度大于最小厚度，故設(shè)計(jì)厚度：δd=δ+C2=5.21+3=8.21mm?？紤]鋼板的負(fù)偏差和封頭沖壓減薄量，取封頭名義厚度δn=10mm。

4.3.3 鞍座反力計(jì)算

按JB/T4731-2005 進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算質(zhì)量：（1）圓筒質(zhì)量m1=5790.02kg，（2）單個(gè)封頭質(zhì)量m2=586.8kg，（3）附件質(zhì)量m3=5570.88kg（包括人孔、接管、液面計(jì)、平臺(tái)等），（4）充液質(zhì)量m4=52779.4kg，（5）保溫層質(zhì)量m5=275.076kg，（6）設(shè)備最大質(zhì)量m=m1+2m2+m3+m4+m5=65589.006kg。

計(jì)算鞍座反力：F′＝mg/2=65589.006×9.8/2=321386.13N，

4.3.4 圓筒軸向彎矩計(jì)算

（1）圓筒中間截面處的彎矩計(jì)算

按JB/T4731 中式（7-2）計(jì)算：M1=5.36×108N·m

（2）鞍座處截面上的彎矩計(jì)算

按JB/T4731 中式（7-3）計(jì)算：M2=－7.71×106N·m

（3）軸向應(yīng)力組合與校核

軸向最大拉應(yīng)力：σ2=σ2′+σp=14.96+48.69=63.92MPa

軸向最大壓應(yīng)力：σc=σ1=-14.96MPa

軸向應(yīng)力校核：許用軸向拉應(yīng)力［σ］t=147MPa，σ=63.92MPa<［σ］t；軸向許用壓縮應(yīng)力［σ］ac=83.4722MPa，［σc］=14.96MPa<［σ］ac；軸向許用壓縮應(yīng)力［σ］ac按GB150.3確定。

（4）圓筒周向應(yīng)力校核

4.3.5 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

按GB150.3 進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4 所示。

表4 各類(lèi)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)匯總表

考慮鋼板負(fù)偏差并經(jīng)圓整，參照補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)JB/T4736 取補(bǔ)強(qiáng)圈名義厚度為6mm，但為方便制造時(shí)準(zhǔn)備材料，補(bǔ)強(qiáng)圈名義厚度取為殼體的厚度，即δ′=10mm。

其余開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)匯總情況見(jiàn)表4。

經(jīng)計(jì)算，該分離器符合要求。

5 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)三相分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)得出以下結(jié)論：（1）油氣進(jìn)口預(yù)分離筒采用螺旋通道，旋流預(yù)分離技術(shù)，可提高分離效率；（2）采用雙波波紋板聚結(jié)器，有利于油水沉降；采用波紋板后，設(shè)備的處理效果和處理能力都將大大提高；（3）增設(shè)出氣筒，保證出氣質(zhì)量；在游離水脫除器頂部出口端，設(shè)置出氣筒，出氣筒內(nèi)設(shè)有擋液傘帽及波紋板除霧器，從而大大減少了天然氣中的夾液量，保證了出氣質(zhì)量；（4）增設(shè)大口徑內(nèi)置式水位調(diào)節(jié)器，有利于油水分流。

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