高壓工況對天然氣濾芯性能影響的實驗研究

劉震，杜華東，胡旭，姬忠禮

（1中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院，過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室，北京102249；2國家管網(wǎng)集團西部管道有限責(zé)任公司，烏魯木齊新疆830011）

引 言

高壓氣體過濾普遍應(yīng)用于石油化工、天然氣和航空航天等領(lǐng)域[1-3]。在運行壓力為4～12 MPa的天然氣長距離管道輸送過程中，氣體中常夾帶的砂礫、鐵銹等固體顆粒物雜質(zhì)，會污染和磨損壓縮機、燃?xì)廨啓C等動力設(shè)備的核心部件，若沉積在管道內(nèi)壁則會降低集輸效率[4-5]。為使工藝氣氣質(zhì)達(dá)到要求，沿線壓氣站和分輸站需設(shè)置合適的過濾分離設(shè)備，而最為普遍的是由數(shù)支或數(shù)十支濾芯并聯(lián)安裝的過濾分離器。近年來的實際運行情況表明，天然氣過濾分離器仍存在諸多問題，主要體現(xiàn)為輸氣管道內(nèi)壓力高、工況復(fù)雜，尤其是在剛投產(chǎn)、增大輸氣量等情況下，管道內(nèi)顆粒物雜質(zhì)含量較高，納污量較低的濾芯、設(shè)計不合理的過濾分離設(shè)備易出現(xiàn)雜質(zhì)頻繁擁堵的問題，難以滿足連續(xù)運行1年以上的要求；濾芯性能與實際工況不匹配，出現(xiàn)過濾效率過低或被壓潰的情況，導(dǎo)致過濾分離設(shè)備未起到應(yīng)有的作用[6]。

相比于應(yīng)用更廣泛的常壓氣體過濾領(lǐng)域[7-11]，高壓氣體過濾理論與技術(shù)研究相對缺乏。在氣體壓力對過濾性能的影響方面，Xu等[12]測試了空氣過濾器在60～130 kPa壓力范圍內(nèi)的過濾性能，發(fā)現(xiàn)隨著壓力增大，壓差上升至少90 Pa，過濾效率最高降低15%；Tanabe等[13]研究了金屬過濾材料在絕對壓力為193、293和693 kPa時的過濾性能，發(fā)現(xiàn)最高壓力時粉塵在濾材表面的沉積量最大，而濾材表面粉塵層的滲透性隨著壓力升高而增強；在與之近似的壓力條件下，Innocentini等[14]研究了四種過濾材料的滲透行為，指出壓力升高時氣體密度和黏度增大、濾材結(jié)構(gòu)形變阻礙了氣流通道，使氣體密度變化與濾材壓差呈正相關(guān)關(guān)系。在高壓天然氣過濾方面，Chang等[15]研究了濾芯在壓力達(dá)11 MPa的實際工況使用后的滲透性變化，基于非線性滲透定律得出高壓氣體過濾的壓差預(yù)測模型；Azadi等[16]通過測試發(fā)現(xiàn)天然氣輸配管道沿線的顆粒物濃度逐漸降低，但氣體中夾帶的微細(xì)顆粒依然能夠穿透過濾器，說明過濾器的實際效率有待提升。

上述研究逐漸揭示了氣體壓力對過濾性能的影響規(guī)律，但尚未明確長周期高壓氣體工況對過濾元件及過濾材料性能的影響機制，難以指導(dǎo)高壓氣體過濾元件的質(zhì)量控制和性能改進(jìn)。為此，本文制定了天然氣濾芯綜合性能研究方法，選取四種目前常用規(guī)格的天然氣濾芯為研究對象，在高壓天然氣輸送站場開展了一年以上的實際運行實驗，并在實驗室對比測試了濾芯在現(xiàn)場實驗前后的過濾性能，進(jìn)一步從過濾材料性能參數(shù)變化的角度，分析現(xiàn)有濾芯在高壓工況下實際性能的主要影響因素。

1 實驗材料和方法

1.1 研究對象

高壓天然氣輸送具有運行壓力高、流量波動范圍寬、雜質(zhì)組分復(fù)雜的特點，要求濾芯應(yīng)耐受最大0.65 MPa的壓差，對粒徑為1μm及以上的粉塵過濾效率達(dá)到99.0%[17]。天然氣濾芯多為圓筒形，一般設(shè)有耐腐蝕的金屬材質(zhì)內(nèi)骨架和外骨架，以確保在壓差較高時不被壓潰。由濾芯外側(cè)（進(jìn)氣側(cè)）至內(nèi)側(cè)（排氣側(cè)）依次設(shè)有保護(hù)層、預(yù)過濾層和主過濾層，采用多層過濾材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)形式，形成過濾精度的梯級分布，有助于提高納污量和延長使用壽命[18-19]。

本文選取了四種規(guī)格的天然氣濾芯作為研究對象（表1），尺寸均為外徑152 mm、長度1830 mm，可裝于同一規(guī)格過濾分離器。這四種濾芯均已應(yīng)用于國內(nèi)長距離天然氣輸送管道，其生產(chǎn)線的機械化程度高，性能相對穩(wěn)定，可確保實驗結(jié)果具有代表性。四種濾芯均使用纖維過濾材料，但在過濾介質(zhì)、濾材結(jié)構(gòu)形式等方面有所差異。在過濾介質(zhì)方面，濾芯A、B和D均選用了聚酯過濾材料，其具有較高的強度、耐腐蝕性和過濾性能，在過濾領(lǐng)域應(yīng)用普遍[20]；濾芯A的主過濾層選用過濾精度較高的聚丙烯纖維；濾芯C的主過濾層采用纖維直徑小而強度較低的玻璃纖維，預(yù)過濾層采用強度較高的纖維素纖維，兼具支撐作用。在結(jié)構(gòu)形式方面，濾芯A、C和D在濾芯外側(cè)設(shè)有保護(hù)層，其過濾效率較低，但可以避免內(nèi)層過濾材料受損；濾芯B由數(shù)層濾材熱黏合成型，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，未設(shè)置外骨架和保護(hù)層，而其他三種濾芯均有內(nèi)、外骨架和保護(hù)層。濾芯C是將預(yù)過濾層和主過濾層復(fù)合并加工成褶狀，增大了有效過濾面積，而其他三種濾芯采用加工方式簡單可靠的逐層纏繞結(jié)構(gòu)形式。

表1 實驗用天然氣濾芯的基本信息Table 1 Basic information of the experimental natural gas filter cartridges

1.2 研究方法

首先在實驗室測試四種濾芯的過濾性能，然后在長輸天然氣管道壓氣站開展全流量現(xiàn)場實驗，并取現(xiàn)場實驗后的濾芯樣品開展實驗室測試與分析，具體方法如下。

1.2.1 現(xiàn)場實驗 現(xiàn)場實驗所選取的壓氣站工藝流程見圖1，進(jìn)站壓力約7 MPa的工藝氣體經(jīng)過過濾分離后，進(jìn)入壓縮機增壓至約9 MPa，然后外輸至管道下游?，F(xiàn)有工藝氣過濾分離器一般為臥式結(jié)構(gòu)，分離器的腔體內(nèi)部有隔板，將腔體分為進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)，隔板上布置有若干孔并分別裝有濾芯支撐管。筒型濾芯的一端與支撐管的端面相接，另一端由定位銷和盲板密封。上游來氣由濾芯外側(cè)進(jìn)入濾芯內(nèi)側(cè)，并從連接濾芯支撐管的端部流出，穿過隔板進(jìn)入過濾器排氣側(cè)腔體，而來氣夾帶的顆粒物雜質(zhì)被過濾材料捕集，從而完成過濾過程。

現(xiàn)場實驗所選取的四臺并聯(lián)的過濾分離器A～D對應(yīng)安裝四種濾芯，每臺過濾器可安裝24支濾芯。在未達(dá)到濾芯更換壓差（一般為0.1 MPa）的情況下，天然氣濾芯的更換周期普遍為1年，因此將現(xiàn)場實驗時間定為至少1年。若其中一臺過濾器在一年內(nèi)達(dá)到更換壓差，則認(rèn)定現(xiàn)場實驗結(jié)束。在安裝濾芯前，對全部濾芯稱重，清理過濾器腔體的殘余粉塵，排空積液。在濾芯安裝完畢正常通氣后，利用壓氣站的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，記錄輸氣量、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力，以及各臺過濾器的壓差和液位等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后，將濾芯取出稱重，收集過濾器腔體內(nèi)的粉塵并稱重，得出每臺過濾分離器收集的粉塵總量。

1.2.2 實驗室測試 在實驗室對四種濾芯做過濾性能對比，確認(rèn)進(jìn)入現(xiàn)場實驗的濾芯符合基本標(biāo)準(zhǔn)。前期測試結(jié)果證明，因四種濾芯均由機械化生產(chǎn)線同一批次加工而成，同一種濾芯間的性能差異較小?，F(xiàn)場實驗結(jié)束后，從每個過濾器腔體內(nèi)抽取中心位置的濾芯開展實驗室性能測試，對比濾芯在實際高壓工況運行前后的性能差異。

圖1 天然氣濾芯現(xiàn)場實驗示意圖Fig.1 Field test schematic of natural gas filter cartridges

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7034—2016《管道站場用天然氣過濾器濾芯性能實驗方法》，建立了天然氣濾芯過濾性能評價系統(tǒng)（圖2）。主要測試儀器包括：德國Palas Welas 3000型氣溶膠粒徑譜儀，德國Palas BEG1000型粉塵氣溶膠發(fā)生器，美國Rosement 3051CD型差壓變送器。實驗室測試在常溫常壓工況下開展，依據(jù)現(xiàn)場實驗用過濾器的設(shè)計處理氣量與濾芯的總過濾面積，將測試所用的表觀氣速定為0.05 m·s-1，與現(xiàn)場實驗過程的平均氣速一致。實驗過程選用ISO 12103-1 A2級標(biāo)準(zhǔn)實驗粉塵，粉塵濃度穩(wěn)定在300 mg·m-3。

圖2 天然氣濾芯過濾性能評價系統(tǒng)Fig.2 Filtration performance testing system of natural gas filter cartridge

實驗室測試的評價指標(biāo)包括初始壓差、氣固過濾過程壓差和過濾效率，并計算過濾性能品質(zhì)因子。在實驗室的氣固過濾測試過程中，隨著粉塵加載到濾芯，有助于氣固過濾效率的提高。因此，為避免粉塵加載干擾過濾效率的準(zhǔn)確性，選取氣固過濾過程的初始階段測定的濾芯上游和下游數(shù)據(jù)，用于計算過濾效率。本實驗將氣固過濾初始階段設(shè)定為從粉塵加載開始計時的前120 s。過濾性能品質(zhì)因子（quality factor，QF）考慮到過濾效率和壓差兩方面因素，被廣泛用于評價過濾器的綜合性能[21-22]，其計算公式為

其中，Cout和Cin分別為過濾器的出口濃度和進(jìn)口濃度，ΔP為過濾器壓差。

1.2.3 過濾材料測試 為分析過濾材料在現(xiàn)場實驗前后發(fā)生的過濾性能指標(biāo)變化的內(nèi)在原因，小心拆解現(xiàn)場實驗前后的濾芯，得到各過濾層材料，通過掃描電鏡觀察，并測試厚度、透氣度、平均孔徑和抗拉強度等物性參數(shù)。所用到的儀器設(shè)備包括：日本Hitachi SU8081型冷場發(fā)射掃描電鏡；荷蘭Messmer Buchel 49-56型數(shù)字測厚儀；瑞士Textest FX-300型透氣度測試儀；美國Quantachrome Prometer 3G型孔徑分析儀；美國Instron 5900型萬能材料試驗臺。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 濾芯現(xiàn)場運行情況

由于濾芯拆裝的先后順序不同，每種濾芯的實際現(xiàn)場實驗時間為408～410 d，最長運行天數(shù)與最短天數(shù)相差約0.5%，可忽略運行時間不同對各組濾芯評價結(jié)果的影響?，F(xiàn)場實驗期間，站場日處理平均流量(2727×104±641×104)m3，平均進(jìn)氣壓力為(7.87±0.38)MPa，平均進(jìn)氣溫度為(28.66±2.89)℃，實際運行工況相對穩(wěn)定。

圖3摘選了現(xiàn)場運行階段第65～108天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括單臺過濾器的平均日處理氣量、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度和過濾器壓差。四臺過濾器的壓差與處理氣量的變化趨勢比較一致，考慮到現(xiàn)場儀表會定期計量檢定，說明所記錄的數(shù)據(jù)基本可信。此外，現(xiàn)場實驗期間未安排清管作業(yè)（清管過程會在短時間內(nèi)將管道沉積的粉塵帶到過濾器，使過濾器壓差快速上升），四臺過濾器的壓差隨著輸氣量和進(jìn)氣壓力等運行參數(shù)小幅波動，但均未達(dá)到更換壓差。

現(xiàn)場實驗結(jié)束時，發(fā)現(xiàn)所捕集的雜質(zhì)均為黑色粉末，主要沉積在濾芯上，少量位于過濾器腔體底部，主要成分為鐵的硫化物和氧化物等管道內(nèi)腐蝕產(chǎn)物。四臺過濾器分別收集了4～6 kg的粉塵雜質(zhì)（圖4），濾芯增重所占比重均在90%以上，四種濾芯的平均單位面積濾材增重分別為266.61、210.66、254.89和237.11 g·m-2。現(xiàn)場實驗結(jié)果說明，四種濾芯在現(xiàn)場實驗周期內(nèi)均未發(fā)生壓潰、變形等問題，能夠起到對顆粒物雜質(zhì)的過濾功能。由于現(xiàn)場未單獨計量四臺過濾器的處理氣量，不能僅僅依靠粉塵捕集量作為濾芯實際性能優(yōu)劣的判定依據(jù)，需進(jìn)一步在實驗室開展濾芯性能評價。

圖3 現(xiàn)場實驗期間過濾器運行工況與壓差曲線Fig.3 Operating conditionsand pressure drop of filters during the field test

圖4 現(xiàn)場實驗期間四臺過濾器的粉塵收集量Fig.4 Dust collection amount of four filters during the field test

在現(xiàn)場實驗階段，四臺過濾器的液位均未上升，未進(jìn)行排污操作?，F(xiàn)場實驗結(jié)束時也未在過濾器筒體內(nèi)收集到液體雜質(zhì)。將從過濾器筒體收集到的粉塵置于烘干箱，在100℃恒溫條件下烘干2 h，再次稱量發(fā)現(xiàn)質(zhì)量減小均小于2%，由此認(rèn)定現(xiàn)場稱量所得的粉塵收集量即現(xiàn)場實驗期間所收集的雜質(zhì)總量。下文將忽略天然氣中的游離水、重?zé)N或凝析液等液體對實驗結(jié)果的影響，在實驗室開展氣固過濾性能測試和分析。

2.2 濾芯過濾性能評價

利用實驗室過濾性能評價系統(tǒng)，得到了四種濾芯在現(xiàn)場實驗前和現(xiàn)場實驗后的過濾性能（圖5），包括初始壓差、氣固過濾測試過程所記錄的壓差變化、氣固過濾初始階段測得的計數(shù)效率，以及由表觀氣速為0.05 m·s-1的初始壓差值和顆粒粒徑≥0.3 μm的分離效率得到的過濾性能品質(zhì)因子。為便于表述，將現(xiàn)場實驗前的濾芯依次編號為A0、B0、C0和D0，現(xiàn)場實驗后的濾芯編號為A1、B1、C1和D1。

分析圖5(a)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場實驗后四種濾芯的初始壓差均有所上升，但增長幅度有所差異。在0.05 m·s-1的表觀氣速下，四種濾芯壓差分別增長了約26%、15%、14%和20%。值得說明的是，單根濾芯壓差值的大小排序不同于圖3所示的過濾器壓差，其原因在于過濾器壓差代表了數(shù)十支濾芯并聯(lián)安裝時總壓差，受到實際處理氣量、過濾器內(nèi)部流場、個別濾芯端部密封效果等多種因素的影響，與單根濾芯的壓差值沒有直接關(guān)系，不宜將兩圖作直接比較。

在同樣的氣量和進(jìn)口濃度等測試條件下，記錄濾芯的壓差變化，得到了氣固過濾過程壓差[圖5（b）]。結(jié)合圖4分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場實驗后四種濾芯的壓差上升速度均有所增大。濾芯A采用的百葉窗式外骨架具有導(dǎo)流和預(yù)分離作用，將沿濾芯外骨架的氣流方向由接近豎直進(jìn)氣變?yōu)榻咏邢蜻M(jìn)氣，在慣性作用下將粒徑較大的顆粒攔截在外骨架外側(cè)表面[23]，這一作用明顯減緩差壓的增長速率。雖然濾芯B的粉塵捕集量最小，但由于未設(shè)置預(yù)過濾層及外骨架，壓差增長幅度最為明顯。采用了過濾材料打褶的濾芯C在較高的粉塵收集量的情況下，濾芯C壓差增長率相對較小，且現(xiàn)場實驗前后的差異也最小，說明通過對過濾材料打褶能夠明顯減緩壓差上升，有利于延長濾芯使用壽命[24-25]。采用沖孔管式骨架和濾材纏繞加工方式的濾芯D，在現(xiàn)場實驗前后的初始壓差均較低，但現(xiàn)場實驗前后的壓差增長率均最高，反襯出百葉窗骨架和濾材打褶加工方式的優(yōu)勢。

圖5 現(xiàn)場實驗前后四種濾芯的過濾性能對比Fig.5 Filtration performance of four filter cartridgesbefore and after field test

現(xiàn)場實驗前后濾芯的過濾效率[圖5（c）]由高到低排序均為C、A、D和B，與圖4所示的粉塵收集量排序一致。根據(jù)傳統(tǒng)過濾理論，顆粒沉積在濾芯表面或嵌入過濾材料內(nèi)部，能夠增大濾材填充密度和有效過濾面積，進(jìn)而提高整體過濾效率。對比顆粒粒徑≥0.3μm的過濾效率發(fā)現(xiàn)，原本過濾效率相對較低的濾芯B和D分別由96.599%和99.471%升至99.164%和99.657%，而原本過濾效率相對更高的濾芯A和C分別由99.932%和99.999%降至99.752%和99.976%。

圖5（d）說明除原本過濾效率最低的濾芯B的品質(zhì)因子有所增長，其他三種濾芯的品質(zhì)因子均下降，說明經(jīng)過高壓氣體工況下運行了一段時間的濾芯存在整體過濾性能下降的趨勢。然而，初始壓差較低、效率相對保持穩(wěn)定但過濾過程壓差上升較快的濾芯D，雖然現(xiàn)場實驗后的品質(zhì)因子下降明顯，但在四種濾芯中的品質(zhì)因子值始終保持最高。這體現(xiàn)出品質(zhì)因子的局限性，雖然綜合考慮了初始狀態(tài)下的壓差、過濾器上游和下游顆粒濃度，但未涉及在上游濃度一定時的過濾器壓差上升速率，而這一上升速率與動態(tài)的過濾效率和使用壽命直接相關(guān)。

綜合圖5（c）、（d）分析，四種濾芯效率值（粒徑≥0.3μm）的標(biāo)準(zhǔn)差由1.4降為0.3，品質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)差由0.13降為0.05，由此判定不同規(guī)格的濾芯在經(jīng)過現(xiàn)場實際工況運行后的過濾性能更趨接近。濾芯宏觀過濾性能指標(biāo)的變化內(nèi)因是過濾材料的微觀變化，除了關(guān)注顆粒的捕集與沉積對濾芯過濾性能的影響外，有必要分析每種過濾材料的性能參數(shù)變化，探究高壓氣體運行工況對過濾材料的性能影響機理。

2.3 過濾材料性能分析

在不破壞擬分析區(qū)域的過濾材料的前提下，將四種現(xiàn)場實驗前后的濾芯小心拆解，拆分出各濾芯的保護(hù)層、預(yù)過濾層和主過濾層。因濾芯骨架和保護(hù)層材料難以起到對微米級顆粒的過濾作用，且流動阻力可忽略，下文將重點探討預(yù)過濾層和主過濾層兩類材料，具體包括濾材厚度、透氣度、平均孔徑和抗拉強度等性能參數(shù)。

2.3.1 濾材厚度 測量每塊過濾材料的五個不同位置后，得到了厚度均值（圖6），發(fā)現(xiàn)各過濾層的厚度在現(xiàn)場實驗后減小7%～31%，說明過濾材料均存在不同程度的壓縮現(xiàn)象。其中，濾芯D預(yù)過濾層的壓縮現(xiàn)象最為明顯，根據(jù)其在現(xiàn)場實驗前后的橫截面形貌（圖7），可看出潔凈濾材內(nèi)部纖維排列相對蓬松，現(xiàn)場實驗后的濾材纖維內(nèi)部沉積有顆粒雜質(zhì)，變得更為致密。不同于其他柔性過濾材料，濾芯C預(yù)過濾層是較硬挺的木漿纖維，其厚度未發(fā)生變化。

圖6 各過濾層材料厚度對比Fig.6 Thickness comparison of filter layers

現(xiàn)場實驗過程中，所輸送的天然氣主要成分（摩爾分?jǐn)?shù)）包括甲烷約92.5%、乙烷約3.9%、二氧化碳1.9%、氮氣0.85%，計算得到天然氣壓縮因子0.8624，密度為64 kg·m-3，是常溫常壓下空氣密度（約1.2 kg·m-3）的53倍。過濾過程中纖維受到的氣流曳力與氣體密度呈正比，同時細(xì)微顆粒附著在纖維上增大了纖維受力面積，使得過濾材料在實際運行工況下更易被壓縮。由此說明，不同于普遍選用柔性過濾材料的常壓氣體過濾，高壓氣體過濾應(yīng)明確對過濾材料的結(jié)構(gòu)強度要求。

2.3.2 濾材透氣度 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997《紡織品、織物透氣性的測定》，在壓差為200 Pa時測得過濾材料的透氣度（圖8），發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場實驗后各層濾材的透氣度均有減小，這與圖5(a)所示的濾芯壓差上升相對應(yīng)。對于濾芯A、C和D，預(yù)過濾層下降16%～66%，主過濾層下降8%～27%。以濾芯A1和C1為例（圖9），現(xiàn)場實驗后的預(yù)過濾層附著有大量粒徑較大的顆粒，比重較少的微米級顆粒在穿過預(yù)過濾層后被主過濾層捕集，因此主過濾層表面僅沉積了少量粒徑較小的顆粒。由此說明，預(yù)過濾層和主過濾層同時起到了作用，通過形成梯級過濾，在增大納污能力的同時，保證了過濾精度。

2.3.3 孔徑分布 過濾材料的孔徑用于表征多孔材料內(nèi)部可供氣體流過的孔隙尺寸，與過濾效率關(guān)系密切[26]。本文選用毛細(xì)管流動法測量過濾層的孔徑分布，利用氣體壓力推動浸潤液流過濾材樣品的孔隙，所需的氣體壓力與孔徑大小呈反比，由此得出通孔的孔徑分布。該方法量程范圍寬（所用儀器量程為0.02～500μm），測試流體壓力低，不易造成待測材料形變，適宜孔隙結(jié)構(gòu)疏松的纖維過濾材料[27-28]，測試結(jié)果見圖10。

圖7 濾芯D預(yù)過濾層橫截面掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.7 The cross-section SEMimages of filter cartridge D

圖8 過濾材料的透氣度對比Fig.8 Permeability comparison of different filter material

四種濾芯主過濾層的平均孔徑由小到大的排序，與圖5（c）所示過濾效率由高到低的排序一致。除濾芯A預(yù)過濾層外，現(xiàn)場實驗后濾芯中各過濾層的平均孔徑與潔凈濾芯基本持平，且多數(shù)略有縮小。綜合上文結(jié)果認(rèn)為其原因有兩點：現(xiàn)場實驗后的過濾材料被壓縮后，濾材孔隙率下降；過濾層內(nèi)部沉積的顆粒也會減小孔隙尺寸，甚至造成孔隙堵塞，導(dǎo)致平均孔徑減小。值得注意的是濾芯A預(yù)過濾層，其厚度降低0.08 mm，透氣度減小52%，平均孔徑卻增大了近3 μm。進(jìn)一步對比分析濾芯A和D預(yù)過濾層的孔徑分布（圖11），發(fā)現(xiàn)濾芯D預(yù)過濾層在現(xiàn)場實驗前后的分布曲線均近似正態(tài)分布，D1預(yù)過濾層的孔徑峰值稍往左移，反映出平均孔徑減小0.3μm。其他過濾層的孔徑分布曲線與濾芯D預(yù)過濾層相似。與之差別較大的是，濾芯A1預(yù)過濾層的孔徑在80～160 μm的分布區(qū)間內(nèi)有多個波峰，A1預(yù)過濾層的孔徑分布增大到120～180μm并有2個波峰，兩條曲線并不相似，即現(xiàn)場實驗后濾材的平均孔徑和最大孔徑均增大，這與圖5(c)所示的濾芯A在現(xiàn)場實驗后的過濾效率下降相對應(yīng)。綜合濾芯過濾效率和過濾材料性能參數(shù)分析，可確認(rèn)濾芯A預(yù)過濾層所用的聚酯纖維材料在高壓實際工況下發(fā)生了孔隙結(jié)構(gòu)形變。因此，孔徑分布應(yīng)作為高壓氣體過濾用纖維材料選型的重要參考。

圖9 濾芯A1和C1過濾層的掃描電鏡形貌Fig.9 SEMimages of filter layers in filter cartridge A1 and C1

圖10 各過濾層材料的平均孔徑對比Fig.10 Comparison of average pore size of each filter layer

2.3.4 材料強度 天然氣濾芯的實際運行壓力高、處理氣量波動大，并可能含有H2S等腐蝕性氣體，要求過濾材料具有較好的結(jié)構(gòu)強度和耐沖擊性，以確保濾芯過濾性能穩(wěn)定。為檢驗在現(xiàn)場實驗后各層濾材強度的變化，參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 13934-1—2013《織物的拉伸性能——使用條樣法測定斷裂強力和斷裂伸長率》，將濾材裁制成條樣，利用萬能材料試驗臺測試并記錄了斷裂載荷曲線（圖12），并得出抗拉強度（圖13），發(fā)現(xiàn)過濾層材料經(jīng)過實際工況后的濾材強度均未明顯降低，反而多數(shù)材料的抗拉強度略微增大。這一結(jié)果首先證明，在現(xiàn)場實驗的實際工況條件下和實驗周期內(nèi)，四種濾芯所用纖維材料的強度未明顯受到實際運行環(huán)境的破壞，所用纖維材料在高壓天然氣工況下的使用壽命大于本次現(xiàn)場實驗周期。

圖11 濾芯A和D的預(yù)過濾層孔徑分布Fig.11 Pore size distribution of pre-filter layers of filter cartridges A and D

圖12 各過濾層斷裂載荷曲線對比Fig.12 Comparison of fracture load curve of each filter layer

圖13 各層濾材抗拉強度對比Fig.13 Comparison of tensile strength of each filter layer

氣固過濾過程依次分為深層過濾、過渡階段和表面過濾三個階段，圖5和圖9說明現(xiàn)場實驗后的濾芯基本已達(dá)到過渡階段，乃至表面過濾階段。此時，濾材捕獲的顆粒附著在纖維上或纖維間，逐漸形成樹突結(jié)構(gòu)，填充濾材的孔隙[29]。隨著過濾過程持續(xù)，表面過濾所攔截下來的顆粒，在濾材表面逐漸形成濾餅。現(xiàn)場實驗的運行壓力為8～10 MPa，壓力的升高使得濾餅層和過濾材料均較常壓下更加致密，因此在濾材拉伸的過程中需要額外的力作用于現(xiàn)場實驗后的過濾層。該測試結(jié)果與Dai等[30]的研究結(jié)論一致，后者將球形顆粒與短纖維進(jìn)行混合制成復(fù)合濾材，球形顆粒在其中起到填充劑的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的抗拉強度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而線性增大，說明顆粒在濾材中的填充增大了抗拉強度。

3結(jié) 論

本文首先考察了四種天然氣濾芯在高壓天然氣輸送管道的實際性能表現(xiàn)，并在實驗室對比測試了現(xiàn)場實驗前后濾芯的氣固過濾性能變化，隨后將過濾層材料從濾芯拆解出來，考察了纖維材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)、透氣度和力學(xué)性能，分析高壓天然氣輸送管道的實際運行工況對纖維材料過濾性能的影響。主要結(jié)論如下。

（1）經(jīng)過實際高壓天然氣工況運行了一段時間的濾芯，在同樣的氣固過濾測試條件下，壓差值和壓差上升速率普遍增大，而對比過濾效率和綜合性能評價因子，發(fā)現(xiàn)不同濾芯在高壓現(xiàn)場實驗后存在過濾性能差異減小的趨勢。

（2）常規(guī)使用的過濾材料均為非剛性材料，高壓工況下氣體的持續(xù)沖擊導(dǎo)致纖維材料發(fā)生幅度不同的結(jié)構(gòu)形變，雖然能夠保持材料強度，但普遍存在濾材壓縮，部分出現(xiàn)孔徑分布范圍變寬的現(xiàn)象，不利于微納米顆粒的過濾。

（3）針對高壓氣體過濾的實際工況，選用結(jié)構(gòu)強度較高和孔徑分布均勻的纖維材料、復(fù)合過濾材料的過濾精度梯級設(shè)計、對過濾層打褶處理，以及設(shè)置具有導(dǎo)流和預(yù)分離功能的進(jìn)氣側(cè)骨架，均有助于提高濾芯的綜合性能。