移動式多相流模擬系統(tǒng)模塊化橇裝設(shè)計

侯 莉 馮福祥 蘇 鋒 陳 斌

1海洋石油工程股份有限公司2寧波威瑞泰默賽多相流儀器設(shè)備有限公司

移動式多相流模擬系統(tǒng)模塊化橇裝設(shè)計

侯 莉1 馮福祥2 蘇 鋒1 陳 斌1

1海洋石油工程股份有限公司2寧波威瑞泰默賽多相流儀器設(shè)備有限公司

移動式多相流模擬系統(tǒng)按照模塊化橇裝設(shè)計思想，根據(jù)工藝流程、實現(xiàn)的功能、靈活吊裝運輸和安裝等問題將整個系統(tǒng)分為7個橇，分別為立式旋流氣液分離橇、三相分離器橇、加熱增壓計量橇、空氣增壓計量橇、水處理橇、多相流發(fā)生橇、控制橇，其中多相流發(fā)生橇是產(chǎn)生多相流多種流型的關(guān)鍵場所。橇體設(shè)計是模塊化橇裝設(shè)計的關(guān)鍵點和難點，橇體設(shè)計時必須對它的強度和剛度校核。經(jīng)校核證明：結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求；橇座結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計是安全合理的；橇體框架結(jié)構(gòu)強度設(shè)計是安全合理的。

多相流；模擬系統(tǒng)；模塊化；橇裝設(shè)計

由于石油和化工行業(yè)工藝過程設(shè)備非常復(fù)雜，各個功能的設(shè)備均是現(xiàn)場安裝，現(xiàn)場建造周期長并且由于需協(xié)調(diào)的接口多，經(jīng)常出現(xiàn)不同設(shè)備之間不匹配的情況。為了更好地解決上述問題，借鑒工業(yè)產(chǎn)品模塊化先進(jìn)設(shè)計理念，對具有一定功能的系統(tǒng)進(jìn)行模塊化橇裝是加快建設(shè)進(jìn)度和解決現(xiàn)場安裝問題的解決途徑。

1 模塊化橇裝設(shè)計

模塊化橇裝是指將功能組件集成于一個整體底座上，可以整體安裝、移動的一種集成方式，模塊化橇裝設(shè)計廣泛應(yīng)用于單層布置的小型系統(tǒng)中。模塊化橇裝設(shè)計具有以下優(yōu)點：①模塊化橇裝設(shè)備的生產(chǎn)、組裝都在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場安裝工作量少，只需完成接口管道及外部電氣的連接就可以工作，縮短現(xiàn)場建造周期；②由于功能組件集成于一個整體底座，可以方便地整體遷移；③模塊化橇裝設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，比傳統(tǒng)的安裝方式減少占地；④模塊化橇裝設(shè)備可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行靈活布局，場地適應(yīng)性強；⑤所有設(shè)備的生產(chǎn)、組裝在工廠內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量得到保證；⑥可現(xiàn)場控制也可遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，運行數(shù)據(jù)實時接收、控制方便。

為了充分發(fā)揮設(shè)備模塊化橇裝的優(yōu)點，在模塊化橇裝化設(shè)計時必須按照設(shè)計總體思路，處理好模塊化橇裝設(shè)計過程中諸多關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

（1）橇體設(shè)計。橇體設(shè)計是橇裝設(shè)計的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計是難點，即要結(jié)構(gòu)簡單美觀又要滿足功能要求。

（2）橇內(nèi)各設(shè)備的合理布置。橇內(nèi)各設(shè)備的布置即要保證工藝合理性，又要保證連接管道最省，還要考慮操作性、安全性等。

（3）橇裝設(shè)備吊裝。模塊化橇裝是整橇吊裝還是現(xiàn)場組裝，設(shè)計時應(yīng)考慮清楚，因為不同的吊裝方案，橇架設(shè)計是不一樣的。

（4）接口設(shè)計。接口設(shè)計有管道接口形式、規(guī)格、壓力等級，以及電氣電壓、功率及控制的通訊協(xié)議、軟件編程接口等。

2 工藝流程

移動式多相流模擬系統(tǒng)模塊化橇裝工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

移動式多相流模擬系統(tǒng)模塊化橇裝組成如下：立式旋流氣液分離單元、三相分離單元、加熱增壓計量單元、空氣增壓計量單元、水處理單元及多相流發(fā)生單元。立式旋流氣液分離單元針對被測試設(shè)備和流型流態(tài)的不確定性，采用預(yù)脫氣技術(shù)（脫出99%以上的混合氣體），實現(xiàn)氣、液快速分離，提高設(shè)備效率；在三相分離單元內(nèi)，通過重力沉降使油和水在三相分離器內(nèi)進(jìn)行分離，氣相出口選用葉片式捕霧器，可實現(xiàn)100%分離出氣體中大于8μm的液滴；加熱增壓計量單元內(nèi)用電加熱器將油、水兩個緩沖罐內(nèi)油和水加熱，并分別通過雙螺桿泵和離心泵加壓輸送，泵的出口管線上設(shè)置質(zhì)量流量計，分別計量輸出的油和水的流量；空氣增壓計量單元通過空壓機產(chǎn)生氣體并增壓輸送，空壓機出口管線上設(shè)置質(zhì)量流量計，計量輸出的氣體流量；水處理單元使用吸氣式微氣泡發(fā)生系統(tǒng)，去除水中含油，水達(dá)到直接排放或輸送到水緩沖罐內(nèi)；多相流發(fā)生單元內(nèi)混合后的油和水，在多相流初始發(fā)生段與壓縮空氣混合。具有一定流量配比的多相流在水平管內(nèi)產(chǎn)生多種流型。

移動式多相流模擬系統(tǒng)按模塊化橇裝設(shè)計思想，根據(jù)工藝流程、實現(xiàn)的功能、吊裝運輸和安裝等問題將整個系統(tǒng)分為7個橇，分別為立式旋流氣液分離橇、三相分離器橇、加熱增壓計量橇、空氣增壓計量橇、水處理橇、多相流發(fā)生橇、控制橇，其中多相流發(fā)生橇是產(chǎn)生多相流多種流型的關(guān)鍵場所。

3 橇體設(shè)計

橇體設(shè)計是模塊化橇裝設(shè)計的關(guān)鍵點和難點。橇體設(shè)計時必須對它的強度和剛度校核。強度校核保證結(jié)構(gòu)的強度滿足材料拉伸和彎曲性能要求；剛度校核保證永久變形符合結(jié)構(gòu)適用場合要求。

在移動式多相流模擬系統(tǒng)中，選取危險性較大的加熱增壓計量橇進(jìn)行校核。加熱增壓計量橇結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示?？傊?2 t，吊耳間距7.1 m，橇底座沿縱向布置3根20b工字鋼，每根20b工字鋼承重4 t，橇體框架采用80 mm×5 mm矩形管，材質(zhì)為Q235A，材料許用應(yīng)力[σ]為215 MPa。

圖2 加熱增壓計量橇體結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 橇體底座強度校核

用集中載荷代替均布載荷，該方法偏于安全且方便計算。再用集中載荷畫出力學(xué)模型簡化圖（見圖3），根據(jù)力學(xué)模型簡化圖進(jìn)行應(yīng)力分析計算。

圖3 集中載荷力學(xué)模型簡化圖

在圖3中，兩個支點表示設(shè)備起吊時吊耳位置，兩個支點間距表示吊耳在橇體長度方向上的距離。

根據(jù)材料力學(xué)[1]計算結(jié)果畫出應(yīng)力和彎矩分布圖，見圖4，從圖4中可以看出吊耳之間中心線位置彎矩最大，最大彎矩Mmax=pL/4，Ra=Rb=p/2。

圖4 受力分析及彎矩示意圖

確定彎矩最大點截面的形心座標(biāo)y和慣性矩I，σ拉=Mmaxy/I，依據(jù)相關(guān)規(guī)范查出橇體結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力[σ]，取永久載荷安全系數(shù)為1.5，用σ拉=Mmaxy/I與[σ]/1.5比較，當(dāng)σ拉=Mmaxy/I值且小于[σ]/1.5時，結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

經(jīng)計算可知σ拉=143.3 MPa，所以橇座結(jié)構(gòu)強度設(shè)計是安全合理的。

3.2 橇體底座剛度校核

從結(jié)構(gòu)應(yīng)力和彎矩分布圖可以看出吊耳之間中心線位置處撓度最大，fmax=pL3/48 E I，式中E為材料的彈性模量；I為彎矩最大處截面的慣性矩。按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[2]最大撓度允許值可以按單梁吊車桁架最大撓度L/500取值，當(dāng)計算出的fmax小于L/500時，橇體結(jié)構(gòu)彎曲撓度滿足設(shè)計要求。

經(jīng)計算可知，fmax=14.2 mm，所以橇座結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計是安全合理的。

3.3 橇體框架強度校核

從圖4中可以看出吊耳之間中心線位置最大彎矩處壓力Ra=Rb=p/2，橇體采用4個80 mm×5 mm矩形管上端的4個吊耳同時起吊，每個吊耳起吊質(zhì)量為3 t。

經(jīng)計算可知，σ拉=143.3 MPa，所以橇體框架結(jié)構(gòu)強度設(shè)計是安全合理的。

4 橇塊內(nèi)及橇塊間布局設(shè)計

（1）單個橇塊內(nèi)布局設(shè)計。以橇內(nèi)核心設(shè)備（如立式柱狀旋流分離器、三相分離器、緩沖罐、空壓機等）為中心按工藝圖進(jìn)行管道布置。在布置管道時需注意閥門、儀表或移動設(shè)備的維修操作空間、保溫空間和安全距離、管道的傾斜度、水平度、垂直度、排污閥和取樣閥操作空間，設(shè)備或管道底部法蘭或螺紋的操作空間等細(xì)節(jié)要求。

（2）系統(tǒng)內(nèi)多個橇塊間布局設(shè)計。按可移動多相流模擬系統(tǒng)工藝流程順序布置橇塊，多以“U”字型布置，也可以在“U”字型中間布置控制室，其他橇塊以“U”字型布置，“U”字型布置符合小型系統(tǒng)的工藝特點，并且結(jié)構(gòu)緊湊、功能集中、占地面積小，橇間連接管道、電纜長度短，便于集中控制和管理。橇塊之間的工藝管道、電氣和控制接口可以快速連接也可永久固定連接，根據(jù)實際需要進(jìn)行選擇。

（3）移動式接口設(shè)計。各橇塊進(jìn)、出口工藝管線之間使用金屬軟管連接，軟管兩端使用快速接口，便于快速拆卸、快速連接。各橇塊儀電接口安裝中間接線箱，橇上儀表信號通過航空插頭接入控制柜，可實現(xiàn)快速插拔。

5 結(jié)語

移動式多相流模擬系統(tǒng)模塊化橇裝設(shè)計，借鑒工業(yè)產(chǎn)品模塊化先進(jìn)設(shè)計理念，按照模塊化橇裝設(shè)計總體思路，可以很好地解決具有一定功能的系統(tǒng)便于安裝、便于遷移、場地適應(yīng)性強、質(zhì)量可靠、操作方便、現(xiàn)場建造周期短、現(xiàn)場接口匹配等問題。

[1]單祖輝．材料力學(xué)教程[M]．2版．北京:國防工業(yè)出版社，2007：124-127.

[2]中華人民共和國建設(shè)部．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GBJ 50017—2003[S]．北京：中國計劃出版社，2003：32-33.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.015

侯莉：高級工程師，主要從事海洋石油工程總體及機械專業(yè)研究工作。

2015-06-16

基金論文：國家科技重大專項“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測試裝備及技術(shù)”（2011ZX05027-004）。

13512458952、hl@mail.cooec.com.cn