油田三相分離器優化改進設計

趙輝， 徐學剛

（1.中國石油克拉瑪依石化公司，新疆 克拉瑪依834003；2.常州藍翼飛機裝備制造有限公司，江蘇 常州213016）

1 三相分離器的工作原理

石油工業中的三相分離器是油田油氣水分離主要設備之一。它的作用是將油氣水分開，以保證原油生產的進行及污水的排出。

原油自油氣進口切向進入游離水脫除器的預分離筒，首先進行氣液初步分離。氣體從預分離筒頂部經氣體連通管進入設備頂部的氣相空間，從而避免了氣體對液體的擾動，有利于油水更好地分離。

2 三相分離器的分類與功能

分離器可按應用范圍及結構形式兩種方法分類。

（1）按應用范圍分類

按照分離器的應用分為：生產分離器、計量分離器、氣體洗滌器、段塞流吸收器、過濾分離器、除砂器、泡沫分離器、蒸汽分離器、閃蒸分離器。

（2）按結構形式分類及比較

表1 匯集了分離器的三種結構形式以及優缺點。

表1 三種分離器優、缺點比較

由表1 中可見，臥式分離器通用性較強，費用較低。在中高油氣比的場合下推薦使用臥式分離器。

3 三相分離器的結構和主要內件

一個分離器可以分為五個區：入口區（初分離區）、沉降區（第二分離區）、除霧區、液體滯留區（集液區）、出口區。

3.1 入口區（初分離區）內件

入口內件有幾種，本次設計采用如圖1 所示的預分離筒示意圖形式。

圖1 所示為本次設計采用的旋流入口裝置。旋流式入口裝置進口采用螺旋通道，旋流預分離技術，使油氣在離心力的作用下進行充分分離，并對高速流體起到緩沖作用。

圖1 預分離筒示意圖

3.2 出口區重要內件

（1）防渦裝置，如圖2 所示。

（2）液 面 控制裝置：三相分離器還必須考慮控制液面的問題。

圖2 防渦裝置

4 三相分離器設計條件以及設計依據

4.1 三相分離器設計條件

已知的設計條件如表2所示。

4.2 三相分離器設計依據

本次設計主要依據以下標準：GB150-2011，《壓力容器》；NB/T47015-2011，《壓力容器焊接規程》；JB-T4731-2005，《鋼制臥式容器》；JB/T4736-2002，《補強圈》；GB/T25198-2011，《壓力容器用封頭》。

表2 已知計算條件列表

4.3 三相分離器結構設計與計算

4.3.1 三相分離器設計選材

筒體：Q245R；封頭：Q245R；鞍座墊板：Q245R。

4.3.2 內壓圓筒及封頭計算

表3 圓筒及封頭的計算條件

設計計算條件如表3所示。

筒體和封頭的厚度按GB153.3 進行計算。

（1）圓筒厚度δ 按下式計算：

最小厚度：

設計厚度：δd=δ+C2=5.21+3=8.21mm

鋼板負偏差C1＝0.3mm，經圓整圓筒名義厚度δn=10mm。

（2）封頭厚度計算：

最小厚度：δmin=0.15%Di=0.15%×2600=3.9mm

由于計算厚度大于最小厚度，故設計厚度：δd=δ+C2=5.21+3=8.21mm。考慮鋼板的負偏差和封頭沖壓減薄量，取封頭名義厚度δn=10mm。

4.3.3 鞍座反力計算

按JB/T4731-2005 進行計算。

計算質量：（1）圓筒質量m1=5790.02kg，（2）單個封頭質量m2=586.8kg，（3）附件質量m3=5570.88kg（包括人孔、接管、液面計、平臺等），（4）充液質量m4=52779.4kg，（5）保溫層質量m5=275.076kg，（6）設備最大質量m=m1+2m2+m3+m4+m5=65589.006kg。

計算鞍座反力：F′＝mg/2=65589.006×9.8/2=321386.13N，

4.3.4 圓筒軸向彎矩計算

（1）圓筒中間截面處的彎矩計算

按JB/T4731 中式（7-2）計算：M1=5.36×108N·m

（2）鞍座處截面上的彎矩計算

按JB/T4731 中式（7-3）計算：M2=－7.71×106N·m

（3）軸向應力組合與校核

軸向最大拉應力：σ2=σ2′+σp=14.96+48.69=63.92MPa

軸向最大壓應力：σc=σ1=-14.96MPa

軸向應力校核：許用軸向拉應力［σ］t=147MPa，σ=63.92MPa<［σ］t；軸向許用壓縮應力［σ］ac=83.4722MPa，［σc］=14.96MPa<［σ］ac；軸向許用壓縮應力［σ］ac按GB150.3確定。

（4）圓筒周向應力校核

4.3.5 開孔補強計算

按GB150.3 進行計算，結果如表4 所示。

表4 各類開孔補強匯總表

考慮鋼板負偏差并經圓整，參照補強圈標準JB/T4736 取補強圈名義厚度為6mm，但為方便制造時準備材料，補強圈名義厚度取為殼體的厚度，即δ′=10mm。

其余開口補強匯總情況見表4。

經計算，該分離器符合要求。

5 結 論

經過本次設計對三相分離器的結構進行改進得出以下結論：（1）油氣進口預分離筒采用螺旋通道，旋流預分離技術，可提高分離效率；（2）采用雙波波紋板聚結器，有利于油水沉降；采用波紋板后，設備的處理效果和處理能力都將大大提高；（3）增設出氣筒，保證出氣質量；在游離水脫除器頂部出口端，設置出氣筒，出氣筒內設有擋液傘帽及波紋板除霧器，從而大大減少了天然氣中的夾液量，保證了出氣質量；（4）增設大口徑內置式水位調節器，有利于油水分流。

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