管柱式氣液固三相旋流分離除砂裝置耐磨襯里研究

山 濤 李偉權(quán) 張 超

（中油（新疆）石油工程有限公司）

目前，新疆油田部分天然氣氣田由于單井產(chǎn)氣量大、壓力高，而且多為凝析氣井，產(chǎn)出的油氣流具有較強(qiáng)的攜砂能力，因而出砂嚴(yán)重。 氣中含砂會(huì)快速?zèng)_蝕地面油嘴、閥門和生產(chǎn)管網(wǎng)，造成設(shè)備工程事故，影響油井的正常生產(chǎn)和產(chǎn)量。

針對新疆某油氣田開采的天然氣中含有大量砂礫的特點(diǎn)，開展了對高壓氣井井口除砂裝置的研發(fā)，研發(fā)出高壓氣井管柱式氣液固三相旋流分離除砂裝置。 為減少帶砂氣流對井口除砂裝置內(nèi)壁的磨損損壞，延長裝置內(nèi)件更換時(shí)間（大于6個(gè)月）， 提出在裝置入口處增加耐磨襯里的解決方案。

筆者通過對裝置內(nèi)部襯里磨損機(jī)理的研究，結(jié)合耐磨試驗(yàn)，對比分析，提出了適應(yīng)性好的耐磨襯里。

1 裝置簡介

高壓氣井管柱式氣液固三相旋流分離除砂裝置在工作時(shí)，氣井來料經(jīng)過切向入口進(jìn)入三相分離器整流段內(nèi)，切向入口有利于氣、液、固三相之間的分層，實(shí)現(xiàn)三相的初步分離，同時(shí)，若在壓力操作條件較高的情況下，本分離設(shè)備還可以通過氣液混輸來平衡操作壓力以達(dá)到除砂的目的，避免砂礫對后續(xù)操作裝置造成破壞［1～6］。因進(jìn)口含砂量較大，壓力較高，對設(shè)備金屬?zèng)_擊較強(qiáng)，因此需要在整流段內(nèi)壁加耐磨襯里，即圖1 所示的區(qū)域。

圖1 耐磨襯里位置示意圖

2 耐磨襯里研究

2.1 耐磨襯里材料確定

耐磨材料按材料類別可分為：金屬耐磨材料（襯板、襯里、襯片及襯套等），非金屬耐磨材料（橡膠襯板、聚氨酯及耐磨陶瓷等），復(fù)合耐磨材料（鈦、不銹鋼襯里等）。 考慮到本次研發(fā)的高壓氣井井口除砂裝置入口處磨損量大、腐蝕性不高和允許內(nèi)件更換的特點(diǎn)，主要對鈦和不銹鋼復(fù)合板襯里、橡膠襯里和聚氨酯襯里進(jìn)行比較選型：

a. 鈦和不銹鋼復(fù)合板襯里。從經(jīng)濟(jì)和工藝允許條件兩方面考慮，在碳鋼或低合金鋼本體襯里鈦和不銹鋼或采用鈦和不銹鋼復(fù)合板制造防腐蝕設(shè)備，這樣由碳鋼或低碳鋼制作外殼承擔(dān)機(jī)械應(yīng)力， 由鈦和不銹鋼抵御強(qiáng)腐蝕介質(zhì)侵蝕作用，收到既能降低設(shè)備費(fèi)用、 又能防腐蝕的效果，成為在石油、化工生產(chǎn)裝置制造中常采用的一種方法。 鈦和不銹鋼復(fù)合板襯里主要用于化工行業(yè)需要耐強(qiáng)腐蝕的工況，在本高壓氣井井口除砂裝置中，襯里材料主要考慮其耐磨性能、易更換等特點(diǎn)，鈦和不銹鋼復(fù)合襯里雖然有很強(qiáng)的耐腐蝕性能，但是耐磨性能較差且不易更換。

b. 橡膠襯里。 橡膠襯里具有耐腐蝕性能優(yōu)良、耐腐蝕性能好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。 彈性好的軟質(zhì)橡膠襯里不僅可以吸收機(jī)械震動(dòng)，而且可以抵御摩擦性能強(qiáng)的物料攪拌所產(chǎn)生的腐蝕。 在化工裝置中要求耐腐耐磨的場合， 橡膠襯里特別適用。 在本高壓氣井井口除砂裝置中，若在入口處選用橡膠襯里， 雖然能夠起到降低磨損的作用，但是會(huì)大幅降低入口處氣流的速度，吸收較多的動(dòng)能，降低裝置整體的分離效率。

c. 聚氨酯復(fù)合材料耐磨襯里。 聚氨酯彈性體是一種介于橡膠與塑料之間的高分子材料，它在具有一定彈性的同時(shí)，還有很好的耐磨、耐溫和抗撕裂性能，具有耐磨性能好、耐油浸蝕性能好、使用壽命長、適應(yīng)性廣、不污染物料、重量輕、耐化學(xué)腐蝕、噪聲低及安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

通過對不同耐磨材料的初步對比，并具體分析本項(xiàng)目中旋流器的工況條件，初步選擇聚氨酯復(fù)合材料作為旋流器的待選耐磨材料，并對其耐磨性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 聚氨酯簡介

聚氨酯是指在主鏈結(jié)構(gòu)中含有氨基甲酸醋重復(fù)單元鏈節(jié)的一類高分子彈性體材料。 它具有較高的抗拉、抗壓和抗撕裂強(qiáng)度。 它的機(jī)械性能是聚氯乙烯的3～4 倍， 耐磨性是天然橡膠的5倍，耐油性是丁睛橡膠的5 倍，耐寒性保證脆性溫度低達(dá)－50～－30℃， 耐高溫最高可達(dá)130℃，另外還具有如耐輻射、耐臭氧、耐疲勞性、彈性好及延伸率高（可達(dá)50%以上）等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 聚氨酯襯里板的耐磨試驗(yàn)

通常來說，普通磨機(jī)襯板的磨損形式有疲勞磨損、研磨磨損、化學(xué)磨蝕和流體磨損；橡膠等軟性襯板材料還存在滾壓磨損、熱裂磨損等。 聚氨酯耐磨復(fù)合材料磨機(jī)襯板含有硬質(zhì)物料，所以它既具有橡膠類物質(zhì)的彈性，又具有剛性襯板的特點(diǎn)，加上其本身耐磨度高，抗腐蝕性能好，具有較好的耐溫性能和較高的硬度，一般不存在熱裂磨損、化學(xué)磨損和滾壓磨損，只存在疲勞磨損、研磨磨損、流體磨損。

在球磨機(jī)內(nèi)鑲嵌聚氨酯復(fù)合材料磨機(jī)襯板，以鋼球?yàn)檠心ンw，石英砂為被研磨物料，對聚氨酯復(fù)合材料磨機(jī)襯板進(jìn)行耐磨試驗(yàn)。 所得的橡膠襯板、聚氨酯襯板和鋼球的磨耗量如圖2、3 所示。

圖3 橡膠襯板和鋼球的相對磨耗量

根據(jù)磨耗試驗(yàn)計(jì)算可知，經(jīng)長時(shí)間磨耗后聚氨酯耐磨復(fù)合材料的磨耗量與鋼球的磨耗量之比，即板耗與球耗之比為1∶76。 通常，鋼襯板和鋼球的板耗與球耗比為1∶7， 橡膠襯板與鋼球的板耗與球耗比為1∶20。 按上述數(shù)據(jù)計(jì)算，聚氨酯耐磨復(fù)合材料襯板的耐磨度是鋼襯板耐磨度的10.8 倍和橡膠襯板耐磨度的3.8 倍， 耐磨度遠(yuǎn)高于鋼襯板和橡膠襯板。

2.4 聚氨酯耐磨襯里制作

通過對聚氨酯材料的耐磨試驗(yàn)分析，其耐磨性優(yōu)于鋼襯板和橡膠襯板。 襯里聚氨酯工藝易于實(shí)現(xiàn)，不受待襯元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，襯里所需溫度低，同時(shí)襯里聚氨酯不易脫落，能有效提高元件的抗磨性。 因此，選擇聚氨酯制作易損件的襯里（圖4）。襯里采用澆鑄的方式制作，考慮分離過程主要發(fā)生在旋流器錐段，錐段尤其是底流口處磨損比較嚴(yán)重，因此制作時(shí)錐段襯里的厚度較大。

圖4 聚氨酯耐磨襯里

3 結(jié)束語

通過耐磨試驗(yàn)確定了聚氨酯耐磨襯里的技術(shù)方案，具有加工工藝易實(shí)現(xiàn)、不受待襯元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制等優(yōu)勢，選用的聚氨酯材料適用于本項(xiàng)目工況。 通過對除砂裝置設(shè)置耐磨襯里應(yīng)用，提高了設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性。 自正式投運(yùn)后，未發(fā)生下游設(shè)備損壞現(xiàn)象，提高了氣井連續(xù)生產(chǎn)效率，滿足工業(yè)化使用要求。