臥式過濾分離器設(shè)計(jì)

王 澎 朱 云 范海峰

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

在天然氣開采過程中，無論是來自油藏的伴生氣還是來自氣藏的非伴生氣，一般都含有液烴、水等液體和巖屑、泥沙等固體物質(zhì)，同時(shí)還含有少量非烴類物質(zhì)的混合氣體（多為 N2、H2S、CO2、有機(jī)硫及 He 等）。這些物質(zhì)的存在和聯(lián)合作用，會(huì)使輸送設(shè)備、管道、閥門等產(chǎn)生磨損、腐蝕、甚至堵塞，對(duì)輸送系統(tǒng)中的計(jì)量器具、儀表等產(chǎn)生不良影響，污染脫硫、脫水溶劑，影響輕烴回收中膨脹透平的正常運(yùn)行。因此，必須在輸送前通過臥式過濾分離器將天然氣中的粉塵和液體去除。臥式過濾分離器已在天然氣集輸站場(chǎng)、天然氣凈化處理廠中得到廣泛應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)型式

臥式過濾分離器由快開盲板、過濾段、分離段、除沫絲網(wǎng)、儲(chǔ)液段等組成，其結(jié)構(gòu)型式見圖1。

2 工作原理

由輸氣管道輸來的原料天然氣，首先進(jìn)入過濾段，通過過濾管將粉塵、少量液體和霧沫夾帶水過濾掉（該過程能去除99%的粉塵和97%的液體），然后進(jìn)入分離段，通過重力沉降和除沫絲網(wǎng)將剩余的粉塵和液體清除掉。過濾和分離出的粉塵和液體通過連通管進(jìn)入儲(chǔ)液段，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行清污或排入污水處理系統(tǒng)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于過濾管需要經(jīng)常清洗和拆卸，為縮短拆卸時(shí)間、減輕一線工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，過濾段端頭應(yīng)設(shè)置快開盲板；為避免氣體短路，積液段中間應(yīng)設(shè)置隔板；為徹底清除過濾出來的粉塵，儲(chǔ)液段的端頭應(yīng)為可開啟型式。

圖1 臥式過濾分離器結(jié)構(gòu)型式

3.1 設(shè)備直徑

其中

式中Di——筒體內(nèi)徑，m；

Qg——工作條件下氣體流量，m3/s；

V——?dú)饬魉俣?，m/s；

ρL——液體密度（工作條件下），kg/m3；

ρV——?dú)怏w密度（工作條件下），kg/m3；

K——?dú)怏w速度常數(shù)，m/s。

3.2 過濾管數(shù)量

式中n——過濾管數(shù)量；

G——?dú)怏w處理量 （20℃，絕對(duì)壓力101.325 kPa），m3/d；

ρov——?dú)怏w密度（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），kg/m3；

f——按GPSA圖7-16查值；

L——過濾管長度，m；

d——過濾管直徑，m。

3.3 除沫絲網(wǎng)面積

其中

式中F——除沫絲網(wǎng)面積，m2；

Qg——工作條件下的氣體流量，m3/s；

w——?dú)饬魉俣龋琺/s；

k——速度系數(shù)，m/s。

3.4 儲(chǔ)液段直徑

式中d——儲(chǔ)液段直徑，m；

Vy——天然氣中液體含量，m3；

Vc——每天的天然氣處理量，m3；

t——液體停留時(shí)間，min；

π——圓周率；

l——積液段長度，m。

4 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

式中 δ——筒體計(jì)算厚度，mm；

Pc——計(jì)算壓力，MPa；

Di——筒體內(nèi)徑，mm；

［σ］t——設(shè)計(jì)溫度下筒體材料的許用應(yīng)力 （按GB 150.2-2011 查?。?，MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)。

筒體計(jì)算厚度取式（7）、（8）中的大者。

5 材料選擇與檢測(cè)

5.1 材料選擇

臥式過濾分離器接觸的介質(zhì)通常為含H2O和H2S的原料天然氣，為防止硫化物應(yīng)力開裂（SSC）和氫誘發(fā)裂紋（HIC），殼體材料通常選擇壓力容器用鋼板［1］；管材通常選用 20［2］或 20G［3］無縫鋼管；鍛件選用 20 鍛件［4］，所選材料必須符合 SY/T 0599-2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料要求》的規(guī)定；材料的含鎳量必須＜1%，屈服強(qiáng)度應(yīng)＜360MPa，硬度值必須≤HB 235［5～6］；焊接材料的選配應(yīng)按焊縫與母材等強(qiáng)度或略高、其它機(jī)械性能基本相同的原則。

5.2 材料檢測(cè)

設(shè)備殼體所用鋼板應(yīng)為正火狀態(tài)，必須進(jìn)行超聲縱、橫檢測(cè)，并符合JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3部分：超聲檢測(cè)》規(guī)定的Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)。如果原料天然氣中的H2S含量較高 （當(dāng)設(shè)計(jì)壓力≥10MPa，H2S含量＞5%（V）時(shí)），則設(shè)備殼體所用鋼板和設(shè)備所用鍛件除應(yīng)滿足GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》、NB/T 47008-2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》的要求并具有抗HIC和SSC性能外，還應(yīng)作如下檢測(cè)或試驗(yàn)：

a）按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行非金屬夾雜物的檢測(cè)；

b）按GB 226-1991《鋼的低倍組織及缺陷酸腐蝕試驗(yàn)法》的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，并按GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》進(jìn)行評(píng)級(jí)；

c）按GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》進(jìn)行平均晶粒度測(cè)定；

d）當(dāng)鋼板厚度≥60mm時(shí)，應(yīng)按GB 5313-1985《厚度方向性能鋼板》作厚度方向性能試驗(yàn)。

6 腐蝕裕量

濕H2S對(duì)鋼材的腐蝕十分嚴(yán)重，可以根據(jù)年腐蝕率和設(shè)備的使用壽命來確定腐蝕裕量。當(dāng)沒有確切的年腐蝕率可循時(shí)，腐蝕裕量一般取3～5mm。

7 開孔補(bǔ)強(qiáng)

當(dāng)設(shè)計(jì)壓力≤6.3MPa、設(shè)計(jì)溫度≤350℃、開孔直徑＜0.5Di、開孔處名義厚度≤38mm、筒體所用鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值≤540MPa時(shí)，可以采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)；否則應(yīng)采用整體補(bǔ)強(qiáng)。

8 穩(wěn)定性校核

設(shè)備的穩(wěn)定性可參照J(rèn)B/T 4731-2005《鋼制臥式容器》的規(guī)定進(jìn)行校核。由于臥式過濾分離器的長徑比較小，而筒體壁厚相對(duì)較厚，一般情況下可以不進(jìn)行穩(wěn)定性校核。

9 制造檢驗(yàn)要求

筒體鋼板下料后應(yīng)在距坡口50mm范圍內(nèi)進(jìn)行超聲檢測(cè)；坡口表面應(yīng)進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè)；對(duì)接焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測(cè)或超聲檢測(cè)；設(shè)備應(yīng)進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的整體爐內(nèi)熱處理［7］；熱處理后應(yīng)按SY/T 0059-1999《防止硫化物應(yīng)力開裂技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)對(duì)接焊接接頭進(jìn)行硬度檢查；如果原料天然氣中的H2S含量較高，則應(yīng)對(duì)對(duì)接焊接接頭進(jìn)行抗HIC和SSC的驗(yàn)證評(píng)定。

10 結(jié)論

臥式過濾分離器是天然氣集輸站場(chǎng)和天然氣處理裝置中重要的設(shè)備，它的運(yùn)行可靠與否關(guān)系到下游的計(jì)量器具、閥門、儀器儀表、下游天然氣凈化裝置等能否正常運(yùn)行。因此在設(shè)計(jì)中，必須針對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格要求，這樣才能設(shè)計(jì)出符合要求的臥式過濾分離器。

［1］GB 713-2008，鍋爐和壓力容器用鋼板［S］.

［2］GB/T 8163-2008，輸送流體用無縫鋼管［S］.

［3］GB 5310-2008，高壓鍋爐用無縫鋼管［S］.

［4］NB/T 47008-2010，承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件［S］.

［5］SY/T 0599-2006，天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料要求［S］.

［6］羅光文，李天雷，何 明.酸性氣田腐蝕環(huán)境分析及材料選擇［J］.天然氣與石油，2011，29（6）：67-69.

［7］汪國林，秦 濤.酸性介質(zhì)設(shè)備及管道焊縫熱處理技術(shù)探討［J］.天然氣與石油，2011，29（5）：60-62.