油田新型加熱分離處理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

牟鴻翔，蘇海鵬，劉小鋒

（華油惠博普科技股份有限公司 北京分公司，北京 100088）

加熱分離處理裝置是利用火焰直接加熱原油、天然氣、水的混合物以促進(jìn)其分離的油氣田專用設(shè)備，多用于井口和集輸站場，具有火筒式加熱爐和油水分離器一體化結(jié)構(gòu)以及加熱、緩沖、分離等功能［1-3］。加熱分離處理裝置分為臥式和立式2種結(jié)構(gòu)型式，均由容器外殼、火筒、分離裝置等組成，內(nèi)部區(qū)域按功能分為加熱區(qū)、緩沖區(qū)、分離區(qū)等［4-5］，外部區(qū)域構(gòu)成主要為儀表、控制系統(tǒng)等。其中，火筒是主要的傳熱構(gòu)件，內(nèi)部分離區(qū)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點［6-7］。文中以國外某油田原油處理站加熱分離處理裝置的設(shè)計過程為例，介紹了一種新型加熱分離處理裝置，從總體要求、關(guān)鍵內(nèi)件的計算思路、方法等方面探討了其結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型的要點、難點。

1 新型加熱分離裝置方案設(shè)計

1.1 工藝原理

新型加熱分離處理裝置工藝原理見圖1。新型加熱分離處理裝置內(nèi)部包含多個功能區(qū)，前端為加熱區(qū)，中間為緩沖區(qū)，后端為油水分離區(qū)。加熱區(qū)內(nèi)，油水界面上方布置火筒，下方布置導(dǎo)流管，被加熱介質(zhì)經(jīng)導(dǎo)流管流至設(shè)備底部。油水分離區(qū)分內(nèi)，上半部為油室，底部為水室。緩沖區(qū)與分離區(qū)之間設(shè)溢流堰板，油室與水室之間設(shè)隔板。待處理混合介質(zhì)從設(shè)備入口進(jìn)入內(nèi)部功能區(qū)，分離后的氣體由頂部汽包出裝置，分離后的水和油分別進(jìn)入水室、油室，然后由各自的出口出設(shè)備。

圖1 加熱分離處理裝置工藝原理示圖

1.2 工藝選型要點

加熱分離處理裝置的機(jī)械設(shè)計要經(jīng)過工藝選型計算，確定機(jī)械設(shè)計條件，并通過設(shè)計過程中的反復(fù)調(diào)整才能落實工藝選型的具體要求。工藝選型計算包括熱負(fù)荷計算、燃料燃燒與傳熱計算，以及油水分離工藝計算等［8-9］。熱負(fù)荷計算與燃燒計算的主要任務(wù)是確定將介質(zhì)加熱到要求的溫度所需要熱負(fù)荷和火筒的結(jié)構(gòu)尺寸。油水分離工藝計算依據(jù)現(xiàn)行的API與國內(nèi)石油工業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合火筒熱力計算的結(jié)果，確定油水分離過程的有關(guān)參數(shù)和裝置的外形尺寸。

1.3 機(jī)械設(shè)計條件

國外某新型加熱分離處理裝置的工藝選型結(jié)果見表1。其中給出的燃料消耗量為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)值。

表1 加熱分離處理裝置工藝計算選型結(jié)果

根據(jù)工藝計算選型結(jié)果確定的加熱分離處理裝置結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。設(shè)備內(nèi)徑為φ3 000 mm，筒體長度為12 000 mm，火筒兼具平直爐膽與波形爐膽的特點，由其左右及下方的滑道裝置進(jìn)行支撐和固定。

圖2 加熱分離處理裝置結(jié)構(gòu)示圖

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計基本要求

加熱分離處理裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造，總體上應(yīng)符合 ASME BPVCⅧ.1—2017［6］相關(guān)規(guī)定?；鹜驳慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮后續(xù)生產(chǎn)運行過程的經(jīng)濟(jì)性、便利性、安全性［10-11］，可參考API 12K—2008《油田間接加熱器》［12］有關(guān)條款。比如，采用雙火筒、可抽出結(jié)構(gòu)型式，以便后續(xù)運行過程中加熱負(fù)荷調(diào)節(jié)和設(shè)備維護(hù)；采用平直爐膽與波形爐膽相結(jié)合的型式，并進(jìn)行整體熱處理，以消除加工制造過程中的焊接應(yīng)力；盡可能將火筒布置在油水界面以上，以確保足夠的熱量用以加熱原油和提高熱量利用率；提高火筒的承壓、密封性能，以方便沉積物的清理。

1.5 加熱分離裝置機(jī)械設(shè)計方案

1.5.1 主體結(jié)構(gòu)

加熱分離裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖3。按照火筒特征，采用立式U型、雙火筒的設(shè)計方案?；鹜矁?nèi)徑500 m，總體布置在設(shè)備內(nèi)部中間，具體布置在進(jìn)液豎管兩側(cè)，其U型段采用內(nèi)徑400 mm的180°鋼制彎頭、異徑管連接［13-14］。火筒內(nèi)徑定尺考慮了裝置處理量降低的可能、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置及油水分離工藝計算的需要。導(dǎo)流豎管底部設(shè)置了布液盤，具有液體分布主功能和防沖擊作用?；鹜驳撞看怪狈较蚓嚯x油水界面170 mm，即火筒底部距離設(shè)備底部870 mm。在水平方向距離火筒末端外壁600 mm和2 900 mm位置分別布置填料、堰板，油室隔板距離容器內(nèi)底部600 mm。

圖3 加熱分離裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計示圖

1.5.2 內(nèi)部附件

考慮了火筒的可抽出維護(hù)要求、穩(wěn)定性高要求以及必要的熱膨脹，在火筒底部和側(cè)面分別設(shè)置了滑道和導(dǎo)軌、支撐和墊板，在火筒煙氣高、低溫部分設(shè)置了波紋火筒，為2個火筒設(shè)計了各自獨立的支撐結(jié)構(gòu)和滑道支撐。此外，在火筒頂部設(shè)置了沖砂管，以便在設(shè)備運行過程中對火筒頂部進(jìn)行沖洗。

2 新型加熱分離處理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 火筒結(jié)構(gòu)

火筒外形總體為U型，其機(jī)械設(shè)計模型見圖4。為了緩解受熱過程中的熱膨脹，火筒煙氣高、低溫部分設(shè)計了可伸縮波紋?；鹜膊ㄐ味闻c平直段的公稱內(nèi)徑均為500 mm，U型最小內(nèi)徑為424 mm，壁厚為16 mm，波形部分波峰高38 mm。火筒和支撐結(jié)構(gòu)材質(zhì)為SA516 70N。

圖4 火筒機(jī)械設(shè)計模型

2.2 火筒與殼體連接結(jié)構(gòu)

火筒與殼體的連接為長圓法蘭及法蘭蓋連接（圖5），長圓法蘭蓋與火筒通過雙腿螺栓焊接（圖6），長圓管嘴及長圓法蘭焊接在橢圓封頭上（圖7）。在帶壓運行條件下，這種結(jié)構(gòu)和連接型式無法通過規(guī)則設(shè)計的方法進(jìn)行強(qiáng)度計算，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及性能驗證均是采用分析設(shè)計方法完成的。

圖7 火筒與殼體連接型式

2.3 內(nèi)部支撐機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

火筒的總質(zhì)量大，維護(hù)時單靠人力進(jìn)行抽出操作可行性差，同時考慮到火筒重心高的特定情況，在加熱分離裝置內(nèi)部功能區(qū)、火筒的底部和側(cè)面設(shè)置了滑道、導(dǎo)軌及支撐裝置（圖8和圖9），并設(shè)置了輔助性鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)一步加強(qiáng)火筒的支撐和固定。此外，在火筒頂部設(shè)置沖砂管，以便在設(shè)備運行過程中沖洗火筒頂部，保持火筒的清潔和良好的傳熱效果。

圖8 火筒側(cè)面滑道布置

圖9 火筒中間支持結(jié)構(gòu)

2.4 長圓法蘭開孔力學(xué)性能驗證方法

橢圓形封頭上的長圓形開口（圖7）的尺寸較大，超出ASME BPVCⅧ.1—2017第U-2條規(guī)定的強(qiáng)度計算范圍，需要采用有限元分析方法進(jìn)行強(qiáng)度分析。這部分工作通過外協(xié)方式，運用ANSYS有限元分析軟件，采用應(yīng)力分布曲線和應(yīng)力線性化方法［15-16］，對封頭開孔、長圓法蘭及其長圓管嘴、法蘭蓋及其開孔在外部載荷作用下的力學(xué)性能進(jìn)行分析，分析設(shè)計輸入條件和外部管嘴條件見表 2、表 3和圖 10。

圖10 管口受力示圖

表2 長圓法蘭開孔力學(xué)性能分析設(shè)計條件

表3 煙囪接口管嘴載荷設(shè)計條件

表3和圖10中，F(xiàn)A為軸向拉伸或壓縮力，F(xiàn)L為軸向剪切力，F(xiàn)C為周向剪切力，N；MT為扭矩，MC為周向彎矩，ML為軸向彎矩，N·m。

根據(jù)ASMEⅧDiv.2 Ed.2017附錄5，對應(yīng)力線性化結(jié)果與允許值進(jìn)行比較顯示，局部薄膜應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力、一次應(yīng)力加二次應(yīng)力的允許值，即圓封頭開孔及其長圓法蘭管嘴的應(yīng)力值均小于允許值。結(jié)果顯示容器結(jié)構(gòu)及有關(guān)金屬材料厚度滿足設(shè)計條件的要求。

3 結(jié)語

加熱分離處理裝置是集加熱、分離等功能于一體的油田處理設(shè)備，其火筒的可抽出結(jié)構(gòu)是技術(shù)關(guān)鍵。待處理介質(zhì)中通常含有的泥沙、膠質(zhì)物量大，易于附著和沉淀到火筒外壁上而影響燃燒和傳熱。設(shè)計選型過程中，應(yīng)考慮盡可能降低受熱面平均熱流密度，充分考慮泥沙的預(yù)處理或泥沙對設(shè)備運行的危害，應(yīng)盡可能使火筒在設(shè)備內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)有利于污物的流動和清理，持續(xù)不斷優(yōu)化改進(jìn)設(shè)備內(nèi)部的清理沖洗裝置。