移動式多相流模擬系統模塊化橇裝設計

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備有限公司

移動式多相流模擬系統模塊化橇裝設計

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備有限公司

移動式多相流模擬系統按照模塊化橇裝設計思想，根據工藝流程、實現的功能、靈活吊裝運輸和安裝等問題將整個系統分為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、多相流發生橇、控制橇，其中多相流發生橇是產生多相流多種流型的關鍵場所。橇體設計是模塊化橇裝設計的關鍵點和難點，橇體設計時必須對它的強度和剛度校核。經校核證明：結構強度滿足設計要求；橇座結構剛度設計是安全合理的；橇體框架結構強度設計是安全合理的。

多相流；模擬系統；模塊化；橇裝設計

由于石油和化工行業工藝過程設備非常復雜，各個功能的設備均是現場安裝，現場建造周期長并且由于需協調的接口多，經常出現不同設備之間不匹配的情況。為了更好地解決上述問題，借鑒工業產品模塊化先進設計理念，對具有一定功能的系統進行模塊化橇裝是加快建設進度和解決現場安裝問題的解決途徑。

1 模塊化橇裝設計

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，模塊化橇裝設計廣泛應用于單層布置的小型系統中。模塊化橇裝設計具有以下優點：①模塊化橇裝設備的生產、組裝都在工廠內完成，現場安裝工作量少，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模塊化橇裝設備結構緊湊，比傳統的安裝方式減少占地；④模塊化橇裝設備可根據現場情況進行靈活布局，場地適應性強；⑤所有設備的生產、組裝在工廠內進行，設備生產質量得到保證；⑥可現場控制也可遠程可視化監控，運行數據實時接收、控制方便。

為了充分發揮設備模塊化橇裝的優點，在模塊化橇裝化設計時必須按照設計總體思路，處理好模塊化橇裝設計過程中諸多關鍵環節：

（1）橇體設計。橇體設計是橇裝設計的關鍵，其結構的合理設計是難點，即要結構簡單美觀又要滿足功能要求。

（2）橇內各設備的合理布置。橇內各設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）橇裝設備吊裝。模塊化橇裝是整橇吊裝還是現場組裝，設計時應考慮清楚，因為不同的吊裝方案，橇架設計是不一樣的。

（4）接口設計。接口設計有管道接口形式、規格、壓力等級，以及電氣電壓、功率及控制的通訊協議、軟件編程接口等。

2 工藝流程

移動式多相流模擬系統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生單元。立式旋流氣液分離單元針對被測試設備和流型流態的不確定性，采用預脫氣技術（脫出99%以上的混合氣體），實現氣、液快速分離，提高設備效率；在三相分離單元內，通過重力沉降使油和水在三相分離器內進行分離，氣相出口選用葉片式捕霧器，可實現100%分離出氣體中大于8μm的液滴；加熱增壓計量單元內用電加熱器將油、水兩個緩沖罐內油和水加熱，并分別通過雙螺桿泵和離心泵加壓輸送，泵的出口管線上設置質量流量計，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生氣體并增壓輸送，空壓機出口管線上設置質量流量計，計量輸出的氣體流量；水處理單元使用吸氣式微氣泡發生系統，去除水中含油，水達到直接排放或輸送到水緩沖罐內；多相流發生單元內混合后的油和水，在多相流初始發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產生多種流型。

移動式多相流模擬系統按模塊化橇裝設計思想，根據工藝流程、實現的功能、吊裝運輸和安裝等問題將整個系統分為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、多相流發生橇、控制橇，其中多相流發生橇是產生多相流多種流型的關鍵場所。

3 橇體設計

橇體設計是模塊化橇裝設計的關鍵點和難點。橇體設計時必須對它的強度和剛度校核。強度校核保證結構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構適用場合要求。

在移動式多相流模擬系統中，選取危險性較大的加熱增壓計量橇進行校核。加熱增壓計量橇結構尺寸如圖2所示。總重12 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，材質為Q235A，材料許用應力[σ]為215 MPa。

圖2 加熱增壓計量橇體結構示意圖

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模型簡化圖（見圖3），根據力學模型簡化圖進行應力分析計算。

圖3 集中載荷力學模型簡化圖

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

根據材料力學[1]計算結果畫出應力和彎矩分布圖，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y和慣性矩I，σ拉=Mmaxy/I，依據相關規范查出橇體結構材料的許用應力[σ]，取永久載荷安全系數為1.5，用σ拉=Mmaxy/I與[σ]/1.5比較，當σ拉=Mmaxy/I值且小于[σ]/1.5時，結構強度滿足設計要求。

經計算可知σ拉=143.3 MPa，所以橇座結構強度設計是安全合理的。

3.2 橇體底座剛度校核

從結構應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。按鋼結構設計規范[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，當計算出的fmax小于L/500時，橇體結構彎曲撓度滿足設計要求。

經計算可知，fmax=14.2 mm，所以橇座結構剛度設計是安全合理的。

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，每個吊耳起吊質量為3 t。

經計算可知，σ拉=143.3 MPa，所以橇體框架結構強度設計是安全合理的。

4 橇塊內及橇塊間布局設計

（1）單個橇塊內布局設計。以橇內核心設備（如立式柱狀旋流分離器、三相分離器、緩沖罐、空壓機等）為中心按工藝圖進行管道布置。在布置管道時需注意閥門、儀表或移動設備的維修操作空間、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，設備或管道底部法蘭或螺紋的操作空間等細節要求。

（2）系統內多個橇塊間布局設計。按可移動多相流模擬系統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的工藝特點，并且結構緊湊、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，根據實際需要進行選擇。

（3）移動式接口設計。各橇塊進、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，可實現快速插拔。

5 結語

移動式多相流模擬系統模塊化橇裝設計，借鑒工業產品模塊化先進設計理念，按照模塊化橇裝設計總體思路，可以很好地解決具有一定功能的系統便于安裝、便于遷移、場地適應性強、質量可靠、操作方便、現場建造周期短、現場接口匹配等問題。

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

[2]中華人民共和國建設部．鋼結構設計規范：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“深水水下生產設施制造、測試裝備及技術”（2011ZX05027-004）。

13512458952、hl@mail.cooec.com.cn