超大型管式段塞流捕集器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吉　寧，王　磊，孫雪瓊

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067；2.中海石油深圳分公司，廣東 深圳 518067；3.深圳海油人力資源服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067)

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超大型管式段塞流捕集器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吉寧1，王磊2，孫雪瓊3

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067；2.中海石油深圳分公司，廣東 深圳 518067；3.深圳海油人力資源服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067)

摘要：簡(jiǎn)述了段塞流的形成機(jī)理及段塞流捕集器的分類應(yīng)用，對(duì)珠海高欄終端采用的7 000 m3超大型管式段塞流捕集器在設(shè)計(jì)過程中面臨的難點(diǎn)及關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了介紹。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該段塞流捕集器能夠適應(yīng)不同的段塞流工況，能夠連續(xù)穩(wěn)定地向下游設(shè)備供氣，并具有凝液儲(chǔ)存量大、瞬時(shí)凝液量大和分離精度高等特點(diǎn)，其規(guī)模及工藝性能均屬國(guó)內(nèi)首例。

關(guān)鍵詞：段塞流；捕集器；鞍型支座；海管；陸地終端

大規(guī)模的陸地及海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目在長(zhǎng)距離管道集輸過程中多采用氣液混輸工藝，在重力的作用下，液體趨向于在管道底部流動(dòng)，而氣體常常占據(jù)管道的頂部區(qū)域。在特定的操作條件下，氣體和液體在管道中的分布并不均勻，容易出現(xiàn)氣體推動(dòng)著液體像活塞一樣交替流動(dòng)的現(xiàn)象；因此，被形象地稱為段塞流。段塞流對(duì)于管道下游設(shè)備的壓力波動(dòng)影響十分嚴(yán)重，氣液瞬時(shí)流量波動(dòng)大，并伴有強(qiáng)烈振動(dòng)，影響管道下游設(shè)備的正常工作和系統(tǒng)安全。

段塞流捕集器是位于混輸管道末端和下游處理設(shè)備之間的油氣初級(jí)分離設(shè)備，能有效地分離并捕集液體，確保下游設(shè)備正常工作，當(dāng)最大段塞到達(dá)時(shí)，可作為帶壓液體的臨時(shí)儲(chǔ)存器，連續(xù)地向下游供氣[1]。

1段塞流形成機(jī)理

氣液混輸管道中的滯液是產(chǎn)生段塞流的基本條件，它的形成主要有如下幾種原因。

1)地形段塞流。地形段塞流是由于管線各處海拔的高低不一致而造成的。對(duì)于海底管線，它們一般隨著海底地形進(jìn)行鋪設(shè)，由于液體會(huì)在管線內(nèi)部地勢(shì)較低處聚集，只有當(dāng)聚集量達(dá)到足夠的壓力、速度時(shí)才會(huì)被推出最低點(diǎn)，從而形成一次段塞流。

2)上升管段塞流。上升管段塞流的形成與海上生產(chǎn)平臺(tái)或其他生產(chǎn)設(shè)施相連接的上升管有關(guān)。液體在上升管底部聚集直至達(dá)到足夠的壓力被推向上升管的頂部，從而打破靜壓狀態(tài)。液體段塞流受到氣體段塞流的推動(dòng)，與此同時(shí)，新的液體段塞流再次在上升管底部積聚形成。

3)水動(dòng)力段塞流。水動(dòng)力段塞流是由于氣體以較快的流速經(jīng)過較低流速的液體而造成的。氣體會(huì)在液體表面造成液體波，如果波浪足夠大，那就可能充滿管道的整個(gè)橫斷面，層流狀態(tài)被破壞，從而阻礙氣體的流動(dòng)，并在管道中形成段塞流。

4)操作引起的段塞流。清管操作時(shí)，會(huì)在清管球前端形成大體積的液體段塞流。由于段塞流在管道中的流速不同，可能會(huì)因?yàn)槎稳鞯捏E然增大而產(chǎn)生較大的推力，對(duì)管道下游設(shè)備造成強(qiáng)烈的沖擊；在其他操作條件下，如啟動(dòng)、停輸、流量及壓力快速變化等工況下，管道內(nèi)液體減少，多余液體被帶出，也可能形成段塞流。

從本質(zhì)上來講，地形段塞流、上升管段塞流和水動(dòng)力段塞流都是呈周期出現(xiàn)的，一次段塞流是否能抵達(dá)管道末端，取決于液體聚集在段塞流前部的速度(即在流向上的聚集速度)及液體在后端脫離段塞流的速度。一些段塞流在流經(jīng)管道時(shí)會(huì)逐漸增大，另一些則在到達(dá)管道末端前逐漸減小，甚至消失。

2段塞流捕集器的分類及應(yīng)用

常見的段塞流捕集器分為容器式和管式等2種形式。這2種形式的捕集器在結(jié)構(gòu)形式上區(qū)別較大，實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)勢(shì)。

容器式段塞流捕集器一般由罐體、緩沖板、捕霧器及防渦器等部件組成。常被用于易起泡的油氣介質(zhì)，因其有較大容積空間和停留時(shí)間，使氣液分離和泡沫破碎，便于保溫且能保持流體的流動(dòng)性。容器式段塞流捕集器占地面積小，能適應(yīng)海上平臺(tái)狹小空間的限制。

管式段塞流捕集器一般由分流器、段塞分離段、段塞收集段和段塞儲(chǔ)液段、立管和沉液管以及平衡管束等組成。在對(duì)于接收海上氣液混輸管線或陸上管線較長(zhǎng)、地形起伏變化復(fù)雜的工況下應(yīng)用廣泛，具有吸收段塞波動(dòng)量大、處理量大的特點(diǎn)；缺點(diǎn)是占地面積較大，且對(duì)來液分配均勻要求較高，不均勻的分配會(huì)導(dǎo)致分離效果顯著降低[2]。

目前，世界上許多已建成的混輸管道末端都設(shè)置有段塞流捕集器。段塞量在100 m3以下，國(guó)際上通常推薦選用容器式段塞流捕集器，而對(duì)于較大段塞量的情況，多選用管式段塞流捕集器[3]。對(duì)于受空間限制的海上平臺(tái)，一般采用容器式段塞流捕集器，陸地處理終端則多采用管式段塞流捕集器。如：LW3-1中心平臺(tái)4套容器式段塞流捕集器直徑為4 000 mm，長(zhǎng)度為16 000 mm；珠海橫琴終端設(shè)有容積為3 300 m3的管式段塞流捕集器，管徑為1 219.2 mm；世界上最長(zhǎng)的天然氣/凝析液管道(Far North Liquids and Associated Gas System，F(xiàn)LAGS)的長(zhǎng)度為448 km，設(shè)有容積為1 590 m3的管式段塞流捕集器，管徑為914 mm；卡塔爾于2008年建成世界上最大的管式段塞流捕集器，容積為5 000 m3，管徑為1 219.2 mm。

3超大型段塞流捕集器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1技術(shù)背景

南海深水LW3-1中心平臺(tái)通過30 in的海底管道向261 km外的陸地終端輸送天然氣及凝析液。由于海管輸送介質(zhì)氣液比大、登陸高程高(190 m)、受海管鋪設(shè)地形影響、輸送氣量變化大及清管操作等因素，易產(chǎn)生嚴(yán)重的段塞流，影響終端站內(nèi)正常的安全與生產(chǎn)。段塞流捕集器作為海管登陸的首站設(shè)備，是解決該問題的關(guān)鍵設(shè)備。

海管滯液量隨輸送氣量的增大而減小，在清管作業(yè)時(shí)產(chǎn)生最大段塞量。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算，不同輸送氣量對(duì)應(yīng)的海管段塞量見表1。在最小輸氣量工況下，段塞量為13 159 m3，體積最大，產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)單元中的2個(gè)4 000 m3的商混丙烷球罐可用作臨時(shí)存儲(chǔ)，以減小段塞流捕集器的設(shè)計(jì)容積，降低投資成本。

表1　不同輸送氣量對(duì)應(yīng)的段塞量

3.2設(shè)計(jì)參數(shù)及難點(diǎn)

目前，容器式和管式段塞流捕集器的技術(shù)都已十分成熟，但對(duì)于處理如此超大型段塞流的工況，管式段塞流捕集器是最佳的選擇。按照工藝設(shè)計(jì)要求，該段塞流捕集器具有凝液儲(chǔ)存量大、瞬時(shí)凝液量大、分離液滴小和分離精度高等特點(diǎn)，其規(guī)模及工藝性能均屬國(guó)內(nèi)首例、世界最大，占地面積約為1.9 hm2，主要參數(shù)見表2。

表2　段塞流捕集器的設(shè)計(jì)參數(shù)

該段塞流捕集器為特種設(shè)備，類別為工業(yè)管道，級(jí)別為GC1級(jí)，同時(shí)執(zhí)行美國(guó)ASME B31.8(Gas Transmission and Distribution Piping Systems)和國(guó)標(biāo)GB 50251《輸氣管道設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

段塞流捕集器的設(shè)計(jì)首先應(yīng)解決的難點(diǎn)是由于凝液儲(chǔ)存量大、瞬時(shí)凝液量大而帶來的超大容積的分離設(shè)備的排列型式，使占地面積達(dá)到最小；其次是如何保證從海管輸送過來的天然氣中的液滴分離精度達(dá)到<70 μm；再次是如何驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，滿足工藝需求；最后是復(fù)雜的抗載荷設(shè)計(jì)。

3.3關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

該段塞流捕集器主要由一級(jí)分離管匯、二級(jí)分離管匯、指狀儲(chǔ)液管、進(jìn)出口管匯、平衡管匯及其他輔助部件組成，與國(guó)外同類設(shè)備相比(見表3)，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

表3　與國(guó)外段塞流捕集器技術(shù)對(duì)比

3.4優(yōu)化的總體形式

目前，世界上存在多種形式的管式(指式)段塞流捕集器，經(jīng)過多種方案比選，優(yōu)化后的段塞流捕集器設(shè)計(jì)形式如圖1所示。

圖1　段塞流優(yōu)化設(shè)計(jì)型式

優(yōu)化后的段塞流捕集器具有如下顯著特點(diǎn)。

1)順向流設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)能力大。滿足設(shè)計(jì)要求的7 000 m3凝液儲(chǔ)存能力，為目前世界上最大的凝液存儲(chǔ)量，儲(chǔ)液支管采用1∶100傾斜度的順向流設(shè)計(jì)，氣液分離和液體存儲(chǔ)的流向?yàn)橥颍Y(jié)合大管徑設(shè)計(jì)，達(dá)到了更好的分離效果和更優(yōu)的液體存儲(chǔ)空間。

2)占地面積最小。采用優(yōu)化后的順向流和大管徑設(shè)計(jì)，比常規(guī)的逆向流分離設(shè)計(jì)可以節(jié)約30%以上的占地面積，在合理制造成本的前提下，達(dá)到了最小的占地面積。段塞流捕集器由28列直徑為1 422.4 mm的指式管組成，單管長(zhǎng)度達(dá)175.26 m，設(shè)備寬度為84.62 m，占地面積18 972 m2。

3.5模塊化的管匯設(shè)計(jì)

初始設(shè)計(jì)的段塞流捕集器由2個(gè)完全相同的處理區(qū)域組成，各自承擔(dān)50%的分離和儲(chǔ)存任務(wù)，在入口和出口處均設(shè)置電動(dòng)控制閥門，使兩部分能夠獨(dú)立運(yùn)行和檢修，然而，這樣的設(shè)計(jì)型式使得各分離管匯和排液管匯等部件的單體長(zhǎng)度>35 m，管匯部件的單體質(zhì)量>50 t，分離管匯的組合質(zhì)量>100 t，以致管匯的工廠模塊化制造難以實(shí)現(xiàn)，而且運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)吊裝也面臨極大困難；因此，最終將每個(gè)處理區(qū)域再分成2個(gè)處理單元，每個(gè)處理單元包含7列儲(chǔ)液指管及相應(yīng)管匯，各自完成總流量25%的分離和儲(chǔ)存功能。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的管匯單體長(zhǎng)度約為18 m，管匯部件的單體質(zhì)量≤42 t，大大降低了管匯的工廠模塊化制造難度。

3.6高效的兩級(jí)分離設(shè)計(jì)

按照工藝設(shè)計(jì)要求，段塞流捕集器的分離精度要求達(dá)到100%去除70 μm以上液滴，比同類設(shè)備的一般要求(100～150 μm)高。設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)重力分離、沖擊分離和慣性分離等基本定律，使用專利工程軟件進(jìn)行校核計(jì)算后，采用了高效的兩級(jí)分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分離系統(tǒng)與管段的儲(chǔ)存能力完全獨(dú)立，保證了分離精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

兩級(jí)分離系統(tǒng)包括了分液管、一級(jí)分離管匯和二級(jí)分離管匯。在進(jìn)入一級(jí)分離管匯前，流體已被分液管多次均衡地分離，以保證它被均勻地分配到4套分離管匯中。一級(jí)分離管匯的作用是將所有粒徑>200 μm的液滴分離出去，進(jìn)入一級(jí)分離管匯的流體流速被降到<0.61 m/s，在低流速下，比重不同的氣體和液體更易實(shí)現(xiàn)分離。初步分離的流體從4個(gè)一級(jí)分離管匯分別進(jìn)入8個(gè)二級(jí)分離管匯，在二級(jí)分離管匯中，流速稍微高于一級(jí)分離管匯中的流速，而二級(jí)管匯的有效工作長(zhǎng)度大約是一級(jí)管匯有效工作長(zhǎng)度的4倍，以便實(shí)現(xiàn)>70 μm液滴的分離。

3.7流體動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證

為保證分離指標(biāo)和流動(dòng)性能，應(yīng)通過建立流體動(dòng)力學(xué)CFD模型對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證分析。由于段塞流捕集器由2個(gè)完全相同的區(qū)域組成，每個(gè)區(qū)域由2個(gè)一級(jí)分離管匯和4個(gè)二級(jí)分離管匯組成，故對(duì)段塞流捕集器系統(tǒng)的1/8進(jìn)行建模分析。CFD模擬了3種工況下段塞流捕集器的工作情況：設(shè)計(jì)流量(工況1)、在清管作業(yè)瞬時(shí)最大段塞流(工況2)和120%設(shè)計(jì)流量(工況3)。部分模擬分析結(jié)論如下：1)一級(jí)分離管匯對(duì)111 μm以上的霧狀液滴去除效率達(dá)到100%；2)在所有的工況下都不可能存在大量的液體被攜帶到二級(jí)分離管匯中，在設(shè)計(jì)流量下，二級(jí)分離管匯對(duì)66 μm以上的霧狀液滴去除效率達(dá)到100%；3)在工況3中，即在120%設(shè)計(jì)流量下，二級(jí)分離管匯對(duì)79 μm以上的霧狀液滴去除效率達(dá)到100%；4)工況1和工況3二級(jí)分離管匯的液滴去除效率曲線對(duì)比如圖2所示。

圖2　液滴去除效率曲線對(duì)比

3.8優(yōu)異的抗載荷設(shè)計(jì)

由于段塞流捕集器的巨大規(guī)模，現(xiàn)場(chǎng)溫差條件將使管道產(chǎn)生嚴(yán)重的熱膨脹，其在縱向和橫向上的熱膨脹將分別達(dá)到100和50 mm。段塞流捕集器的結(jié)構(gòu)和支座設(shè)計(jì)除了需面臨熱膨脹的考驗(yàn)，還應(yīng)面臨地震以及最大段塞流沖擊力的共同挑戰(zhàn)。

針對(duì)橫向熱膨脹問題，由于段塞流捕集器由4個(gè)完全相同的處理單元組成，每個(gè)處理單元包含7列指式管及相應(yīng)管匯，因此，在每單元的中間進(jìn)行錨固，這樣橫向的最大熱膨脹就縮減到50 mm的1/8(6.25 mm)；另外，除錨固點(diǎn)外的其他每個(gè)支座均設(shè)計(jì)了橫向滑移功能。

對(duì)于縱向熱膨脹和段塞流抗沖擊力問題，則將進(jìn)口端管匯的第1排支座設(shè)計(jì)為限制縱向位移的剛性支座組，并采用抗壓強(qiáng)度≥95 MPa、抗折強(qiáng)度≥25 MPa的環(huán)氧樹脂高強(qiáng)度灌漿料進(jìn)行灌漿錨固，以保證足夠的抗沖擊性能，同時(shí)允許它沿液體流動(dòng)方向膨脹，除第1排支座外的其他每個(gè)支座均設(shè)計(jì)了縱向滑移功能。

在正常運(yùn)行時(shí)，段塞流捕集器由壓力和重力作用在管道支承上產(chǎn)生了持續(xù)載荷；在地震作用時(shí)，由于重心較高，將產(chǎn)生較大的側(cè)向力。設(shè)計(jì)中采用了寬底座的馬鞍型管支座來支承大口徑的儲(chǔ)液管，以保證能承受由于地震引起的強(qiáng)大沖擊力；另外，為保證鞍型管支座具有良好的橫向和縱向滑移功能，支座底部設(shè)計(jì)為特氟龍與316 L不銹鋼滑板接觸以減小摩擦力。

經(jīng)過對(duì)段塞流捕集器的受力計(jì)算，設(shè)計(jì)了3種鞍型支座，即由280個(gè)可以左右滑動(dòng)的鞍座(Ⅲ型鞍座)、4個(gè)不可以活動(dòng)的固定鞍座(Ⅰ型鞍座)和24個(gè)可以單向移動(dòng)的鞍座(Ⅱ型鞍座)組成。

3.9制造與應(yīng)用

段塞流捕集器的安全性要求極高，對(duì)鋼材的理化性能、成型長(zhǎng)度、尺寸偏差和表面質(zhì)量等有最嚴(yán)格的要求，主管道鋼為國(guó)產(chǎn)的X65M直縫埋弧焊鋼，該鋼管是迄今為止國(guó)內(nèi)首次使用的最大口徑(φ1 422 mm×28.6 mm)高壓輸送天然氣用鋼管，且批量成型長(zhǎng)度達(dá)到同類鋼管的最大長(zhǎng)度。所有對(duì)接焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)，II級(jí)合格，段塞流捕集器建造周期持續(xù)11個(gè)月，順利完成了1.5倍設(shè)計(jì)壓力強(qiáng)度試驗(yàn)。

目前，段塞流捕集器已投入使用，實(shí)際應(yīng)用效果表明，該段塞流捕集器能夠適應(yīng)不同的段塞流工況，具有高效的分離精度，能夠連續(xù)穩(wěn)定地向下游設(shè)備供氣，以確保下游設(shè)備正常工作；但是，在天然氣處理負(fù)荷較低的工況下，段塞流捕集器巨大的表面積會(huì)產(chǎn)生換熱器效果，使段塞流捕集器出口天然氣因?yàn)閾Q熱而導(dǎo)致溫度變化較大，對(duì)下游丙烷制冷、凝析油穩(wěn)定和天然氣制冷單元的工藝參數(shù)產(chǎn)生一定的不利影響，隨著天然氣處理量的增大或環(huán)境溫差較小時(shí)，對(duì)下游流程的影響也相應(yīng)減小。

4結(jié)語(yǔ)

珠海高欄終端的7 000 m3超大型管式段塞流捕集器無(wú)論是規(guī)模還是工藝性能均屬國(guó)內(nèi)首例，其優(yōu)化的總體型式、高效的兩級(jí)分離管匯、模塊化的管匯及優(yōu)異的抗載荷設(shè)計(jì)等內(nèi)容都對(duì)同類設(shè)備的設(shè)計(jì)建造具有重要參考借鑒價(jià)值。

目前，段塞流捕集器的設(shè)計(jì)及建造技術(shù)已日趨成熟，建造占地小、容量大、分離精度高和抗載荷性好的管式段塞流捕集器是未來大型陸地及海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目氣液混輸管道上不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。

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責(zé)任編輯鄭練

Design and Application of the Largest Tube-type Slug Catcher

JI Ning1, WANG Lei2, SUN Xueqiong3

(1.CNOOC Deepwater Development Company, Shenzhen 518067, China; 2.CNOOC China Limited Shenzhen, Shenzhen 518067, China; 3.CNOOC Energy Technology & Service-human Resource Co. Shenzhen Branch, Shenzhen 518067, China)

Abstract：This paper is to describe the theory of slug and classification application of slug catcher, and introduce the difficulty and key technologies that are applied to the largest 7 000 m3 tube-type slug catcher at Zhuhai Gaolan Gas Plant. Actual application shows that this slug catcher can adapt the various slug cases, be operated at a very stable condition, with the characters of big storage volume, high liquid capacity, and high separation accuracy. Also, its scale and process property is the best in China.

Key words:slug, slug catcher, saddle support, sub-sea pipeline, onshore gas plant

收稿日期：2015-07-28

作者簡(jiǎn)介：吉寧(1984-)，男，工程師，主要從事海洋石油天然氣開發(fā)、工程管理與生產(chǎn)運(yùn)行等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TE 977

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B