關(guān)于海洋石油液氣分離器的檢測與評判

劉金玲

（中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司海洋物探處，天津 300457）

事實上，從石油和天然氣井生產(chǎn)石油和天然氣的第一階段正是將多相混合物(天然氣、石油、水、沙子)通過長長的生產(chǎn)管道輸送到液氣分離器，對多相混合物進(jìn)行最初的分離和運輸，以便進(jìn)一步加工。因此，天然氣、石油、水和沙土的有效分離，對于實現(xiàn)理想的油氣生產(chǎn)率至關(guān)重要。今天油氣生產(chǎn)中所使用的液氣分離器都是基于重力，在重力的作用下，氣體從頂部噴出，混合物中的固體在底部清除，油和水在沉降后分離。其中，油和水之間密度的差別是分離的結(jié)果。當(dāng)油和水的密度差很大時，分離過程得到了加強(qiáng)。

在生產(chǎn)率方面，需要較短的分離時間和高效率的水油分離。自從世界石油生產(chǎn)達(dá)到頂峰以來，對石油及其相關(guān)產(chǎn)品精煉各階段優(yōu)化的研究越來越多。盡管由于國際市場上原油價格上漲，邊際油井的開發(fā)有相當(dāng)大的增加，但石油產(chǎn)品的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過供應(yīng)。在這方面，提高精煉原油供應(yīng)的途徑之一是優(yōu)化分離階段。由于液氣分離器的可控性對分離過程的效率有很大影響，一旦液氣分離器發(fā)生故障將對油氣生產(chǎn)造成阻礙。因此，有必要探究液氣分離器的檢測與評判。本文據(jù)此出發(fā)，以“海洋石油液氣分離器”為例，闡述海洋石油液氣分離器的工作原理，分析海洋石油液氣分離器的檢測方法，提出海洋石油液氣分離器的評判標(biāo)準(zhǔn)，以期為行業(yè)人員提供參考和借鑒。

1 海洋石油液氣分離器的工作原理

“海洋石油液氣分離器”是海洋鉆修井作業(yè)中初級脫氣的專用設(shè)備，其工作原理是液氣分離器氣侵鉆井液從分離器進(jìn)液口切線進(jìn)入分離器內(nèi)，順內(nèi)壁落在專門設(shè)計的一系列內(nèi)擋板上，碰撞、增大暴露表面積，向下流動，造成紊流狀態(tài)，使氣體與鉆井液分離。游離氣體通過罐頂?shù)臍怏w出口排出，排氣管長度由現(xiàn)場確定及配備，并引到安全處，而脫氣后的鉆井液排入循環(huán)罐?，F(xiàn)階段的海洋鉆修井作業(yè)中，海洋石油液氣分離器分為常壓式液氣分離器和立式液氣分離器兩種類型。一般而言，選擇這兩種液氣分離器的主要根據(jù)，是自由空間的可用性和液體和氣體的體積流動率。

在海洋鉆井作業(yè)工程中，與立式液氣分離器相比，常壓式液氣分離器更受歡迎。實際上，當(dāng)海洋鉆井作業(yè)工程中的多相流動混合物中，液體成分( 油和水)的體積分?jǐn)?shù)高于氣體時，由于停留時間較長，表面積較大，因此，優(yōu)先采用常壓式液氣分離器；而在多相混合物以氣體為主的情況下，則優(yōu)先采用立式液氣分離器。

2 海洋石油液氣分離器的檢測方法

2.1 海洋石油液氣分離器的檢測現(xiàn)狀

在進(jìn)行液氣分離器的安裝調(diào)試與維護(hù)時，要求液氣分離器固定牢靠，排液管線出口要暢通無阻，液氣分離器內(nèi)部構(gòu)造要有圖或照片，安裝前，要檢查內(nèi)部并進(jìn)行清理，安裝完一定要進(jìn)行循環(huán)實驗。此外，為了保證液氣分離器的安全運行，還需要對液氣分離器進(jìn)行定期檢測，確保液氣分離器處于良好狀態(tài)。在這方面，目前市場上有幾種儀器能夠精確測量液氣分離器中的氣體/液體界面水平，進(jìn)而對海洋石油液氣分離器進(jìn)行測試和評判，以此查找液氣分離器故障部位，確保海洋石油液氣分離器的安裝調(diào)試與維護(hù)。不過，大多數(shù)儀器的油水界面水平測量的準(zhǔn)確性差異較大。其中，能夠提供精確的氣體/液體和石油/水界面水平測量的少數(shù)可用儀器是基于放射性測量原則。

這些放射性儀器具有很強(qiáng)的健康、安全和環(huán)境風(fēng)險，且儀器成本很高，因此，對市場的需求沒有如預(yù)期的那樣增長。

在目前的工作中，海洋石油液氣分離器的操作人員有時需要目測、讀取和記錄氣體/液體和石油/水界面的水平，以確保海洋石油液氣分離器的安裝調(diào)試與維護(hù)。

根據(jù)海洋石油標(biāo)準(zhǔn)《Q/HS 14035-2018 海上井控設(shè)備檢驗規(guī)范》中要求，海洋液氣分離器的檢測，需要測量液氣分離器中的氣體/液體界面水平；對液氣分離器罐體焊縫進(jìn)行探傷；對罐體進(jìn)行測厚評估?？傊Ｑ笠簹夥蛛x器不應(yīng)存在裂紋、壁厚腐蝕超標(biāo)等影響承壓能力的缺陷。依據(jù)《規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)要求，通常對海洋液氣分離器的檢測，包括電氣檢測、超聲波檢測、熱檢測和放射檢測等多種方法。例如，由基于光纖布拉格光柵的壓力傳感器和基于法布里-佩羅特腔的壓力傳感器組成的雙壓力傳感器系統(tǒng)，可用于同時檢測海洋液氣分離器的氣體/液體界面水平和密封性能；利用量子點紅外熒光顯示技術(shù)進(jìn)行液氣分離器罐體焊縫檢測等。

這些檢測方法各有優(yōu)缺，存在明顯的益處和局限性。例如，雙壓力傳感器系統(tǒng)成本較高且對應(yīng)用場景有所限制；量子點紅外熒光顯示技術(shù)檢測便利但是精度較差。這種情況下，需要研究一種替代的成本效益高、環(huán)境友好、準(zhǔn)確和簡單的海洋石油液氣分離器的檢測方法。

2.2 基于X 射線、圖片紋理特征和超聲波的檢測方法

本文基于某海洋石油平臺液氣分離器，應(yīng)用X 射線、圖片紋理特征和超聲波技術(shù)，提出一種海洋石油液氣分離器的檢測方法。其中，所選海洋石油液氣分離器型號為GY-RT-SN11，罐體厚度為16.00mm，材質(zhì)為碳鋼，焊縫為V 型坡口焊接，外表面焊縫寬度為20mm，長度為1124mm，內(nèi)表面焊縫寬度為10mm，長度為940mm；X 射線設(shè)備型號為XH2005，焦點尺寸為φ3×3mm，增感方式為Pb0.1mm×2，膠片型號AGFA-C7，膠片尺寸為300×80，顯影液為“天山”牌，顯影條件為5min20℃，一次透照長度為250mm，檢測標(biāo)準(zhǔn)為JB/T4730.2-2005；圖片紋理特征分析以目標(biāo)的表面圖像為輸入，并以二進(jìn)制大顆粒（Binary Large OBjects，BLOB）的形式輸出檢測結(jié)果。獲得缺陷部分的BLOB 后，可以進(jìn)一步使用顆粒分析工具對其屬性、尺寸等進(jìn)行分析；分階段陣列超聲波檢測根據(jù)NB/T 47013.3-2015 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，標(biāo)定頻率為4～5MHz，晶片尺寸為10×10，折射角K ≥1.68°，探頭移動區(qū)寬度為80mm，能夠保持探頭在一個固定的位置，通過一個角度范圍到達(dá)一個部分的不可進(jìn)入的區(qū)域。具體檢測流程如圖1 所示。

圖1 基于X 射線、圖片紋理特征和超聲波的海洋石油液氣分離器檢測流程

如圖1 所示，本文所提的檢測方法，綜合運用了X射線、圖片紋理特征和分階段陣列超聲波技術(shù)，不僅受既定標(biāo)準(zhǔn)(JB/T4730.2-2005 和NB/T 47013.3-2015)的規(guī)管，而且形成了海洋石油液氣分離器檢測工藝閉環(huán)，從而有助于操作員更好地對海洋石油液氣分離器進(jìn)行日常維護(hù)和故障檢測。

3 海洋石油液氣分離器的評判標(biāo)準(zhǔn)

3.1 建立檢測結(jié)果評判標(biāo)準(zhǔn)的意義

應(yīng)當(dāng)指出的是，海洋石油液氣分離器檢測的目的是檢測和糾正制造過程、運行過程、日常維護(hù)中的缺陷、故障，以便在最后檢驗階段確保海洋石油液氣分離器沒有隱藏的缺陷。這種情況下，在對海洋石油液氣分離器進(jìn)行檢測后，信號幅值校準(zhǔn)特征的參數(shù)被作為參考，根據(jù)信號幅值與參考值幅值的比率，歸類為缺陷或非缺陷。然而，缺陷的嚴(yán)重性不能僅僅根據(jù)其信號幅度來判斷。例如，一個非常長的應(yīng)力裂紋與一個非常緊的開口，在檢測過程中可以有一個非常小的UT 信號幅比較少的臨界缺陷，特別是當(dāng)加載條件是作用最小的裂紋開口時，更是會影響檢測結(jié)果的評斷。

這種情況下，調(diào)查共同的適應(yīng)證的性質(zhì)至關(guān)重要，有助于更好地理解信號寬度級，進(jìn)而對檢測結(jié)果進(jìn)行校正。此外，本文所提檢測方法是多元技術(shù)的綜合應(yīng)用，也對傳統(tǒng)的評判標(biāo)準(zhǔn)提出了挑戰(zhàn)，并強(qiáng)調(diào)了在評判過程中存在有意缺陷的重要性。多元技術(shù)的綜合應(yīng)用的表現(xiàn)在很大程度上依賴向系統(tǒng)提供的培訓(xùn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性和完整性。例如，一個只在LFF 缺陷信號下訓(xùn)練的系統(tǒng)就不能將裂紋信號與LFF 缺陷信號區(qū)分開來。因此，建立檢測結(jié)果評判標(biāo)準(zhǔn)，十分重要。

3.2 建立檢測結(jié)果評判標(biāo)準(zhǔn)的方法

實際上，檢測結(jié)果通常被繪制成扇形掃描(S-SCAN)圖像，并與不同角度的掃描結(jié)果相互堆疊在一起。需要注意的是，在S-掃描中，光束角度的變化使用戶能夠從焊接中不同方向的缺陷得到更好的信號響應(yīng)。然而，實施這種技術(shù)并非沒有挑戰(zhàn)。例如，角度掃描中的每個光束都可以在一個點上聚焦，以生成一個聚焦的S-掃描圖像。因此，S-SCAN 能夠在一定程度上為光束聚焦點提供更好的檢查結(jié)果，而來自焊接其他部分的指示是以較低的質(zhì)量捕獲的。

這個問題通常通過使用動態(tài)聚焦或較新的完全矩陣捕獲來解決，記錄所有傳輸-接收陣列元素組合的完整矩陣數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以形成被檢查區(qū)域的圖像。本文提出一種處理方法，即應(yīng)用總聚焦法(TFM)產(chǎn)生完全聚焦的焊接段圖像，只要被檢查的區(qū)域在陣列附近，預(yù)計結(jié)果將優(yōu)于S-SCAN 圖像。

以某海洋石油平臺液氣分離器為例，在清除檢測面油漆、焊接飛濺、鐵屑等異物后，應(yīng)用所提檢測方法掃查待檢測區(qū)域，并以5MHz64 元素線性陣列的節(jié)距0.5mm連同一個長距離POE 控制器用于對焊接進(jìn)行剪切分段掃描（A 掃描）。在陣列上附加了37.6°楔形，產(chǎn)生了焦距定律，形成了一個S-SCAN，覆蓋40°～75°。楔子長78mm、高47mm、寬40mm，所有的檢查都是在樣品達(dá)到室溫時進(jìn)行的。所有視察都嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)程序，以執(zhí)行對焊接快速掃描,以找到幾乎無缺陷部分的焊接。為了這個目的在測試中使用了脈沖寬度為100s、重復(fù)頻率為20kHz 的80V 傳輸電壓和30Fb 的固定增益。隨后，在55°角接收的SDH 信號被設(shè)置為屏幕高度的80%。其中，55°光束是中心折射剪切梁，用于陣列和楔形件的選定組裝。

在S-掃描圖像上選擇了一個掃描窗口，然后模擬其中一個SDHS 的信號幅變，并將SDH 移動到檢查窗口的末端。與所選窗口內(nèi)缺陷的信號幅值相比，測量到的幅度變化可以忽略不計(小于1db)。從尖峰到峰值的幅度側(cè)波獲得的范圍為40%～80%的屏幕高度，并通過編碼器連接到TOFD 系統(tǒng)來記錄位置數(shù)據(jù)。掃描步驟選擇小于0.5mm，以符合標(biāo)準(zhǔn)。沿焊接長度對TofD 裝配件進(jìn)行了掃描，數(shù)據(jù)形成B 掃描。將A 掃描和B 掃描所得結(jié)果利用數(shù)據(jù)圖像系統(tǒng)對行數(shù)據(jù)進(jìn)行合成C 掃描，如圖2所示。

圖2 C 掃描部分?jǐn)?shù)據(jù)圖

如圖2 所示，如果根據(jù)波幅高度及信號長度，將異常信號的等級評定為I 級，則判定此檢測結(jié)果為合格。反之，如果此數(shù)據(jù)已經(jīng)超出了液氣分離器的腐蝕裕量，通過強(qiáng)度計算，不能滿足其強(qiáng)度要求，則此液氣分離器不合格，需要進(jìn)行維修或更換后再進(jìn)行使用。

4 結(jié)語

綜上所述，定期進(jìn)行海洋石油液氣分離器的檢測十分重要，能夠保證海洋石油液氣分離器的正確安裝和日常維護(hù)，及時發(fā)覺海洋石油液氣分離器故障并進(jìn)行排除。在這方面，本文所提的檢測方法具有提供信號響應(yīng)數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，提供了更好的可察覺性，如海洋石油液氣分離器有裂紋或缺陷，但檢測能力不足的問題。這對于海洋石油液氣分離器無損檢測驗收，至關(guān)重要。本文所提的檢測方法是非常靈活且全面的檢測方法，配合本文所提評判標(biāo)準(zhǔn)，能夠最大限度地實現(xiàn)海洋石油液氣分離器的檢測驗收，對于判斷海洋石油液氣分離器的安全情況，十分有效，值得參考和應(yīng)用。