動態(tài)除砂器除砂效率提升研究及應用

傅劍峰

摘 要：南海某采油平臺油井出砂，對工藝流程及地面集輸設備造成非常嚴重的影響。平臺對已有的動態(tài)除砂器系統(tǒng)進行深入研究，通過改變動態(tài)除砂器工況以及調(diào)整維護策略，提升除砂效率，降低原油含砂量，延長設備使用壽命，降低了生產(chǎn)風險和生產(chǎn)成本，取得了可觀的綜合效益。

關(guān)鍵詞：動態(tài)除砂器;除砂效率

引言

南海某生產(chǎn)平臺動態(tài)除砂器投用以來，進入外輸泵和海管中的原油含砂量大幅度減少，外輸泵零配件磨損速度得到有效控制，海管中泥沙沉積逐漸減少，有效降低了外輸泵故障率和海管堵塞風險，在一定程度上減少設備維護成本，提高經(jīng)濟效率。但隨著運行時間的增加，在原油含砂量基本不變的情況下，動態(tài)除砂器除砂量呈下降趨勢，除砂效率逐漸降低。

動態(tài)除砂器除砂效率的降低，帶來一系列安全隱患和經(jīng)濟損失。

（一）井液含砂造成生產(chǎn)管匯、分離器、外輸泵等一系列地面設備故障，增加維護成本和設備風險。外輸泵機封在細砂的反復摩擦作用下，磨損量迅速變大，導致泄露，引發(fā)安全環(huán)保事故，頻繁更換機封也大量增加了維護成本：分離器和內(nèi)部積砂造成腐蝕和處理效果下降;可能會導致控制閥卡死等故障;

（二）砂在海底管道中沉積，除了減小流通面積，降低輸送效率外，還會誘發(fā)結(jié)垢和腐蝕，增加海底管道的運行成本和風險。

一.動態(tài)除砂器提升方案

針對動態(tài)除砂器除砂效率降低問題，平臺從動態(tài)除砂器結(jié)構(gòu)和維護策略等方面進行分析研究，提出以下幾種措施：

（一）調(diào)整運行工況

根據(jù)設計文件，該動態(tài)除砂器是依靠外部電機驅(qū)動葉輪，料液（油水和砂的混合物）經(jīng)過葉輪后，獲得較大的切向速度并且流入設備的分離段[1]在分離段采用了傳統(tǒng)返流式旋流器的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)油水和砂的高效分離，根據(jù)對旋流器內(nèi)部用來表述固體顆粒沉降速度Us修改過的 Stokes 定律：

由公式可知，當切向速度uT增大時，固體顆粒沉降速度Us變大，除砂效率得到提升。但不能無限制增大切向速度，因為切向速度過大會造成設備使用壽命縮短、軸承與機械密封等部件受損、以及設備振動過大導致油水和砂分離過程失敗等嚴重后果。現(xiàn)場通過調(diào)節(jié)變頻器輸入頻率，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，輸入頻率由以往的30Hz調(diào)為35Hz時，除砂效果最優(yōu)（如表1所示）。

（二）定期對葉輪表面除垢

葉輪表面結(jié)垢嚴重，容易形成對葉輪流道的阻塞，增大能量損失，使流體進入旋流器的切向速度uT減小，對應固體顆粒沉降速度Us減小，除砂效率降低。

現(xiàn)場對葉輪表面除垢，運行兩天后對比發(fā)現(xiàn)動態(tài)除砂器的除砂效率有較為明顯的提升（如表2所示）。

（三）在旋流器內(nèi)壁金屬表面加陶瓷涂層

動態(tài)除砂器的關(guān)鍵部件旋流器金屬內(nèi)壁粘接一層耐磨聚氨酯材料。設備工作時旋流器與熱油接觸，溫度瞬間高達六十幾攝氏度;設備停止工作時，短時間內(nèi)溫差高達六十攝氏度左右，該材料會出現(xiàn)脫落、鼓包和破裂等情況，阻礙流體在旋流器內(nèi)部形成渦流運動，直接導致除砂器效率下降。

建議在旋流器內(nèi)壁金屬表面加陶瓷涂層，可以選用搪瓷涂覆技術(shù)進行加工。搪瓷涂層與一般陶瓷涂層不同，其突出特點是具有玻璃特性。搪瓷涂層主要優(yōu)點：耐酸、耐堿、耐熱、耐磨、耐寒、絕緣、表面光滑美觀等。[3]

（四）動態(tài)除砂器傳動機構(gòu)改造

原來動態(tài)除砂器選用的傳動機構(gòu)為皮帶傳動，軸承箱選用受中等徑向力的深溝球軸承【4】，經(jīng)常出現(xiàn)偏磨和燒軸承等故障;設備振動偏大，導致旋流器內(nèi)部流體受到震蕩，渦流運動受到干擾，影響除砂效果。分析原因發(fā)現(xiàn)，該動態(tài)除砂器處于工作狀態(tài)時，軸承內(nèi)外圈受到極大的徑向力，內(nèi)外圈與滾珠互相磨損導致軸承游隙偏大，設備出現(xiàn)異常振動和噪音，影響整套設備正常使用。

由分析結(jié)果，需要減小軸承所受的徑向力。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可以對設備傳動機構(gòu)進行改造，將皮帶傳動改為聯(lián)軸器傳動，使軸承整體受力均勻，大幅度減小軸承所受的徑向力，延長軸承使用壽命，減小設備振動，提高除砂效率，節(jié)約維護成本。

二.綜合效果

通過采用上述措施后，提高了除砂器的除砂效率，降低了設備故障率，帶來了如下綜合收益：

1）采取系列措施后，排砂量較之前有明顯增加（如表3所示），除砂效率有進一步的提升;

2）除砂效率的提高，降低了外輸泵發(fā)生機封泄漏的風險，有效避免因為外輸泵機封故障而導致停產(chǎn)損失;

3）將皮帶傳動改為聯(lián)軸器傳動，軸承更換周期從以前的兩個月延長到八個月，同時減少皮帶更換，一年可節(jié)約維修費用10萬左右。

三.主要結(jié)論

該平臺通過調(diào)整除砂器運行工況、清洗葉輪、改變傳動等措施，有效提升了動態(tài)除砂器的除砂效率，減少設備維護成本，降低了生產(chǎn)風險和生產(chǎn)成本，給平臺的生產(chǎn)帶了顯著的綜合效益，同時也為其他油田裝置的解決類似問題提供了參考思路。

參考文獻：

[1] 戴毅.動態(tài)旋流除砂器在采油平臺的應用[J].化學工程與裝備，2013（8）：106-108

[2] 劉厚鈞.聚氨酯彈性體手冊[M].2版.山西：化學工業(yè)出版社.2012：13-20

[3] 盧屹東，亢世江等.金屬表面陶瓷涂層的技術(shù)特點及應用[J].焊接技術(shù)，2005，34（2）：6-9

[4] 王振華.實用軸承手冊[M].1版.上海：上海科學技術(shù)文獻出版社. 1996.