某海洋平臺上海水籃式過濾器事故分析

楊雪，王亞瑩，周姝娟

某海洋平臺上海水籃式過濾器事故分析

楊雪1，王亞瑩1，周姝娟2

（1.博邁科海洋工程股份有限公司，天津 300451；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

研究分析東海某一海上平臺海水用籃式過濾器發(fā)生的腐蝕和堵塞事故原因。從海洋平臺海水系統(tǒng)用籃式過濾器的原理、工藝流程、材料選擇、濾網(wǎng)精度，濾芯設(shè)計、人工操作等多方面進行分析。受內(nèi)壓濾芯結(jié)構(gòu)要優(yōu)于受外壓濾芯結(jié)構(gòu)，如果過濾精度選擇過高，會增加壓差，造成濾芯堵塞。籃式過濾器濾芯單元應采用多濾芯的受內(nèi)壓結(jié)構(gòu)，過濾精度應根據(jù)下游用戶要求來確定。

籃式濾器；過濾精度；濾芯單元；腐蝕

藍式過濾器由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低、占用空間小、易于拆裝維護等特點，廣泛應用于海洋平臺，主要用于除去液體中少量固體顆粒，可保護壓縮機、泵、儀表和其他平臺設(shè)備的正常工作。當流體進入有一定規(guī)格濾網(wǎng)的濾桶后，其雜質(zhì)被阻擋，而清潔的濾液則由過濾器出口排出。當需要清洗時，只要將可拆卸的籃式濾桶取出，處理后重新裝入即可，使用維護極為方便。目前已廣泛應用于石油、化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)保等行業(yè)。海上平臺常將其安裝在泵的入口或系統(tǒng)管線的其他部位，既可以延長泵和其他設(shè)備的使用壽命，又能保證整個系統(tǒng)的安全。

1 籃式濾器

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

籃式過濾器主要由進出口、通氣孔、排放口、筒體、濾網(wǎng)、濾網(wǎng)支架、法蘭蓋及緊固件等組成。常規(guī)及多濾芯籃式濾器結(jié)構(gòu)及濾芯開孔如圖1所示。

圖1 常規(guī)及多濾芯籃式濾器結(jié)構(gòu)及濾芯開孔

1.2 過濾流程

當液體通過濾器入口進入濾網(wǎng)后，固體雜質(zhì)顆粒被阻擋在濾網(wǎng)內(nèi)，而經(jīng)過過濾后的潔凈流體通過濾網(wǎng)，由過濾器出口送至下游用戶。當在濾器進出口設(shè)置的壓差表顯示壓力高于設(shè)定壓力時，說明濾網(wǎng)內(nèi)過濾雜質(zhì)過多，此時要清洗過濾網(wǎng)。打開濾器底部排放球閥，排凈濾器內(nèi)流體，然后打開頂部法蘭蓋，清洗濾網(wǎng)后，重新裝入即可。

1.3 過濾面積計算

依據(jù)過濾器選用、檢驗及驗收規(guī)范（SH/T 3411—2017），規(guī)定的有效過濾面積定義為：過濾器內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)開孔總面積減去開孔處濾網(wǎng)占據(jù)面積的凈面積。因此計算有效過濾面積時應考慮支撐結(jié)構(gòu)和濾網(wǎng)的有效面積，見式（1）。

2=1×1×2×(1)

式中：2為有效過濾面積，m2；1為過濾網(wǎng)的表面積，m2；1為濾網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)開孔率（由廠家根據(jù)濾網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)確定），%；2為濾網(wǎng)有效開孔率（%）；為流通比，有效過濾面積與進口管道截面積的比值。對于流通比值，在JB/T 7538—2016中有明確規(guī)定，可按照入口截面積3~10倍選擇，一般在海洋平臺上過流比選擇6倍。

1.4 過濾精度選擇

籃式過濾器的過濾精度決定了過濾器能夠過濾固體顆粒的粒徑大小，直接影響下游設(shè)備是否能夠正常使用，對下游設(shè)備的使用壽命、維護周期、維護成本都會產(chǎn)生影響。如果過濾精度過低，將導致更多的雜質(zhì)進入下游管道和設(shè)備，會帶來沖蝕問題，也會增大堵塞的風險。在濾器過濾精度的選擇上主要從下面幾個方面考慮：過濾器前端和后端的設(shè)備類型，特別是要明確過濾器后端的設(shè)備對過濾后介質(zhì)清潔程度的要求；被過濾介質(zhì)的類別、物理性質(zhì)、化學性質(zhì)，特別要明確介質(zhì)的黏度和其中可能的雜物；過濾器使用的場所和環(huán)境、介質(zhì)溫度、工作壓力等；過濾器的工藝連接標準和形式。

1.5 材質(zhì)選擇

籃式過濾器作為壓力容器的一種，其選材有其特殊要求，材料的使用溫度、使用條件和各項性能等均應滿足規(guī)范或標準要求。一般壓力容器材料的選擇按照GB 150的材料篇進行選擇，主要考慮以下因素：容器的使用條件（如設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、介質(zhì)特性和操作特點等）；元件的功能和制造工藝（結(jié)構(gòu)形式等）；設(shè)備或元件的失效模式；材料性能（力學性能、物理性能、工藝性能和化學性能）；材料的使用業(yè)績和經(jīng)濟合理性。

2 事故分析

2.1 運行工況

事故籃式過濾器的運行設(shè)計工況見表1。

表1 事故海水藍式過濾器運行條件

Tab.1 Operating condition of accident basket seawater filter

2.2 事故案例介紹

在某一海上油田投產(chǎn)前進行設(shè)備聯(lián)調(diào)過程中，該項目海水提升泵的前置海水過濾器在調(diào)試過程中，不久就發(fā)生了濾芯堵塞、變形、腐蝕嚴重現(xiàn)象，見圖2、圖3?？梢园l(fā)現(xiàn)，過濾器已經(jīng)發(fā)生了嚴重變形，其濾芯結(jié)構(gòu)為雙層濾芯，已經(jīng)堵塞嚴重，被固體雜質(zhì)覆蓋，且已經(jīng)被腐蝕、破壞。

圖3 堵塞的籃式濾器濾芯

2.3 事故發(fā)生原因分析

2.3.1 發(fā)生濾芯變形原因

由濾網(wǎng)發(fā)生變形的過程可知，在海水進入濾網(wǎng)后，連帶著固體顆粒以及浮游生物、微生物一起進入濾網(wǎng)。由于過濾精度過高，導致過多固體顆粒被濾網(wǎng)攔截、聚集，從而造成堵塞。由于濾芯堵塞，使濾芯進出口兩端壓差逐漸增大，當壓差值達到一定程度時，濾網(wǎng)被擠壓而最終導致變形，現(xiàn)場測得濾芯的變形量最大達300 mm。發(fā)生堵塞的原因有以下三點。

1）濾器濾芯設(shè)計壓差值最大為50 kPa，但并沒有設(shè)計報警功能，只能在巡檢時發(fā)現(xiàn)，如不能及時發(fā)現(xiàn)，會致使壓差超過設(shè)定值，從而濾網(wǎng)受到的壓力變得越來越大，導致超過濾網(wǎng)骨架能承受的最大強度，最終變形。這是設(shè)計缺陷和未及時發(fā)現(xiàn)壓差過高，并進行停機操作而造成的。

2）由于該濾芯廠家采用多層濾芯，內(nèi)層濾芯承受外壓，而濾芯骨架并沒有足夠強度，從而導致濾芯變形。

3）過濾器設(shè)計時考慮下游用戶為海洋平臺用中央空調(diào)及自制淡水機，過濾精度取值偏低（180 μm），未對現(xiàn)場海水內(nèi)浮游生物進行分析考量。事故后對現(xiàn)場堵塞浮游生物進行測量，發(fā)現(xiàn)大多浮游生物尺寸在400 mm以下。

2.3.2 濾芯設(shè)計缺陷

該海水濾器設(shè)計時考慮處理量比較大，如果采用單濾芯設(shè)計，濾芯質(zhì)量比較大，不利于濾芯清洗，所以采用了多濾芯設(shè)計方案。廠家提供的多濾芯方案只是單純地為了減少設(shè)備質(zhì)量和節(jié)約成本，采用了內(nèi)外濾芯方案，內(nèi)濾芯承受外壓，外濾芯承受內(nèi)壓。對于同樣條件下的材料，在結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面，濾芯受內(nèi)壓要強于受外壓，這也是產(chǎn)生變形的一個主要原因。

2.3.3 濾器發(fā)生腐蝕原因

該項目籃式濾器筒體材質(zhì)為碳鋼，內(nèi)襯環(huán)氧樹脂涂層，同時筒體內(nèi)部設(shè)置了犧牲陽極，而濾芯采用316L。在選材上并沒有問題，可參考國內(nèi)以往項目海水用籃式濾器選材，見表2。

從表2中可以看出，國內(nèi)多個項目海水濾器的選材同本項目一致，但并沒有收到平臺操作方反饋濾器發(fā)生海水腐蝕現(xiàn)象。從腐蝕機理來說，如果碳鋼內(nèi)襯的氯丁橡膠沒有發(fā)生損壞，海水并不會對濾器筒體產(chǎn)生腐蝕，同時本項目濾器內(nèi)部還設(shè)置了犧牲陽極，保證即使內(nèi)襯涂層發(fā)生破壞后，可以持續(xù)保護筒體短時間內(nèi)不被破壞。針對上述對濾器本體和濾芯發(fā)生的腐蝕進行綜合分析，確認發(fā)生腐蝕的主要原因為：濾芯發(fā)生堵塞，壓差超設(shè)計值50 kPa后，未及時檢修，導致濾芯發(fā)生變形破壞了涂層，從而海水和碳鋼直接接觸，發(fā)生了腐蝕；濾芯清洗操作過程中，抽芯時破壞了筒體涂層，導致海水直接接觸筒體，發(fā)生了腐蝕；廠家涂層質(zhì)量不滿足涂裝要求。

表2 國內(nèi)幾個項目中海水濾器材料選擇

Tab.2 Materials selection of seawater filter in some projects of China

3 解決措施

在對海水濾器濾芯堵塞、變形和腐蝕的原因進行分析后，為了保證項目的順利投產(chǎn)進行，在該項目海水濾器選型進行針對性的替代方案。主要改進如下：要求廠家采用多濾芯設(shè)計，同時保證濾芯為內(nèi)壓結(jié)構(gòu)，提供強度計算書；在保證下游用戶中央空調(diào)和重自制淡水機正常需求的前提下，降低濾芯過濾精度，過濾精度從180 μm降至40目；筒體材質(zhì)由碳鋼更換為雙相不銹鋼。根據(jù)上述更換設(shè)備后，設(shè)備運行3年來，未再發(fā)生上述質(zhì)量事故。

4 結(jié)論

通過對籃式濾器的原理介紹，以及對某海上項目海水濾器，堵塞、腐蝕和設(shè)計的案例進行了分析，得出以下結(jié)論。

1）濾器精度要依據(jù)下游用戶、過流介質(zhì)特性進行選擇，不能僅依據(jù)理論或經(jīng)驗設(shè)計。

2）籃式濾器濾芯設(shè)計要采用內(nèi)壓設(shè)計，因為對于同樣條件下的材料，內(nèi)壓設(shè)計結(jié)構(gòu)強度優(yōu)于外壓設(shè)計。

3）籃式濾器壓差要提供報警設(shè)計，便于及時把控濾芯堵塞情況。

4）材料選擇要兼顧過流流體的腐蝕性，同時要考慮經(jīng)濟性和便于維護。

5）從維護和濾芯更換角度考慮，當濾芯質(zhì)量超過25 kg時，建議采用多濾芯結(jié)構(gòu)。

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Accident Analysis of Basket Seawater Filter on an Offshore Platform

YANG Xue1, WANG Ya-ying1, ZHOU Shu-juan2

(1. BOMESC Offshore Engineering Company Limited, Tianjin 300451, China; 2. Offshore Oil Engineering Co. Ltd, Tianjin 300451, China)

The paper aims to study the reason of corrosion and plugging of basket filter on an offshore platform in the East China Sea. Principles, process flow, material selection, filter accuracy, filter design, manual operation, etc. of the casket filter for seawater system of an offshore platform were analyzed comprehensively. The internal pressure structure was better than the external pressure structure about filter element. The pressure difference would increase and the filter element would be plugged if the filtration precision was too high. The filter element of the basket filter should be internal pressure structure of multi-filter elements; the filtration precision of the basket filter should be confirmed by the downstream user.

basket filter; filter fineness; filter element; corrosion

2019-11-18；

2019-12-19

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.016

TG172.5

A

1672-9242(2020)05-0101-04

2019-11-18；

2019-12-19

楊雪（1983—），女，碩士，工程師，主要研究方向為過濾和分離。

YANG Xue (1983—), Female, Master, Engineer, Research focus: filtration and separation.