生產(chǎn)水處理系統(tǒng)水力旋流器的工作優(yōu)化與創(chuàng)新

張 想，屈 濤，覃 豪，羅 環(huán)

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

1 背景資料

某海上油田作為潿洲油田群的生產(chǎn)水處理中心，有自營、合營兩套生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，單套水處理系統(tǒng)由捕集器、三相分離器、電脫水器、生產(chǎn)水緩沖罐、水力旋流器、精細過濾器、增壓輸送泵以及換熱器等組成。其中，水力旋流器作為生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的重要一環(huán)，能將生產(chǎn)水出口中的油有效降低至30×10-6，最終經(jīng)過精細過濾器處理后的生產(chǎn)水含油降低至15×10-6以下，達到排放或注入地層的標準。水力旋流器的運行對生產(chǎn)水處理系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)具有重要意義。

油田自營系統(tǒng)有3 套水力旋流器，型號為HSA800/84，單套生產(chǎn)水處理量4800 m3/d。合營系統(tǒng)也有3 套水力旋流器，型號為HSA600/42，單套生產(chǎn)水處理量2400 m3/d，共計6 套水力旋流器，處理能力21 600 m3/d。上游油田持續(xù)開采之后，原油含水率不斷升高，下游該油田生產(chǎn)水處理設備任務日益加重，為響應公司產(chǎn)量任務“七年行動計劃”，上游通過調(diào)整井、鉆新井以及開發(fā)新油田等策略，在穩(wěn)住總產(chǎn)量的同時，生產(chǎn)水處理任務進一步增加。以自營系統(tǒng)水力旋流器為例，參數(shù)見表1。

表1 水力旋流器參數(shù)

水力旋流器的關(guān)鍵部件為旋流管，型號HSA800/84 的旋流器里有84 根旋流管，均勻分布在旋流器筒體中。旋流管由分配口、旋流腔、收縮腔、尾錐、尾管、底流口、溢流口等部分組成，依靠兩種不相溶液體的比重差，主要用于去除水中80%以上的非乳化油。油水混合液由旋流腔上的分配口進入旋流管，在一定的壓差條件下，形成螺旋流動。經(jīng)收縮腔、尾錐兩級收縮，使流體增速并在旋流管內(nèi)形成一個穩(wěn)定的離心力場。根據(jù)斯托克斯（Stokes）定律，油水混合液中重相水在強大離心力作用下被甩向旋流管內(nèi)壁呈螺旋態(tài)從底流口排出，輕相油則向旋流管的中心聚集形成油芯，從溢流口排出，實現(xiàn)油水分離。該離心場產(chǎn)生離心加速度為2000 g，因此油水在幾秒內(nèi)可實現(xiàn)分離[1]。水力旋流器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，旋流管的工作原理如圖2 所示。

圖1 水力旋流器結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)1——溢流蓋板內(nèi)部結(jié)構(gòu)腐蝕治理

水力旋流器工作介質(zhì)為多腐蝕性介質(zhì)的生產(chǎn)水，合營系統(tǒng)中的生產(chǎn)水還含有一定量的H2S。自投產(chǎn)以來，水力旋流器一直處于高負荷運行，其內(nèi)部過流部分已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的腐蝕，尤其表現(xiàn)在溢流蓋板部分（材料為16Mn）。由生產(chǎn)水溫度較高、組分復雜且流速較快等原因，加速了溢流蓋板的腐蝕，使其表面涂層脫落、腐蝕變形，影響了其功能（圖3）。

圖3 水力旋流器溢流蓋板腐蝕情況

（1）在工作過程中，溢流蓋板部分有大量從生產(chǎn)水分離出來的油液經(jīng)過。由于表面腐蝕、坑洼不平，給流體流動產(chǎn)生阻力，造成一定的水頭損失。同時，在腐蝕變形部分結(jié)垢嚴重，使其性能進一步受影響[2]。

（2）溢流蓋板一側(cè)的環(huán)狀凸起，對旋流管起著一定的定位作用，能夠有效防止旋流管在本身油水分離過程中軸向力影響而產(chǎn)生軸向位移，從而保證旋流管的位置固定性和密封有效性。在溢流蓋板腐蝕變形后，有部分的旋流管向外側(cè)產(chǎn)生位移，使其和前、后支撐板的密封失效，油水分離效果下降。

（3）溢流蓋板腐蝕，使其結(jié)構(gòu)強度減小，影響其安全性能。鑒于溢流蓋板腐蝕嚴重，有必要對其進行治理，治理辦法有以下3種：①送修，但維修周期較長，會影響到油田產(chǎn)量；②購買溢流蓋板零件，價格動輒8 萬元，成本過于高昂；③自主治理，通過協(xié)調(diào)材料等資源，在油田現(xiàn)場進行整改。綜合考慮設備維修經(jīng)濟性和可靠性，最終選擇了在油田自主治理這一辦法。從溢流蓋板環(huán)狀凸起部分的功能出發(fā)，分析整改方案，選擇“割除環(huán)狀結(jié)構(gòu)，改為結(jié)構(gòu)簡單的條狀結(jié)構(gòu)”的整改方案，如圖4 所示。利用水力旋流器檢修的窗口，拆下溢流蓋板，洗凈表面油污，先割除溢流蓋板上腐蝕嚴重的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，進行打磨、除銹，使其工作表面恢復平整光滑，再精準測量前支撐板上旋流管分布的位置，進而劃線確定條狀結(jié)構(gòu)在溢流蓋板上的焊接位置。依據(jù)設備完工文件中的焊接工藝，采用J507 焊條進行焊接修復，打磨焊接表面使其光滑，并采用結(jié)構(gòu)防腐性能較好的陶瓷油漆進行防腐處理[3]。

圖4 溢流蓋板腐蝕自主治理

在運行一段時間后，該水力旋流器表現(xiàn)性能良好，在拆檢后發(fā)現(xiàn)油相出口沒有出現(xiàn)嚴重堵塞，旋流管也沒有產(chǎn)生軸向位移，運行時水相出口含油穩(wěn)定在30×10-6左右，處理量為200 m3/h左右。對其他幾臺水力旋流器陸續(xù)進行了相同改造，都取得了較好的效果，大幅節(jié)省維修成本。

3 關(guān)鍵技術(shù)2——水力旋流器拆卸工裝創(chuàng)新設計

水力旋流器作為油田生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設備，其長時間穩(wěn)定運行關(guān)系到油田的生產(chǎn)，因此縮短維護周期、降低維護頻次將直接提高設備生產(chǎn)時效，創(chuàng)造設備自身價值。面對傳統(tǒng)作業(yè)方法效率低下、產(chǎn)量受影響的情況，總結(jié)以往工作經(jīng)驗，對現(xiàn)有的水力旋流器拆檢技術(shù)進行創(chuàng)新，能夠顯著提高作業(yè)質(zhì)量與效率，主要從以下4 個方面展開：

（1）焊接龍門吊。旋流器結(jié)構(gòu)中的前支撐板安裝在溢流蓋板與容器筒體中間，用來支撐旋流管的前端，同時起到分隔油腔和油水混合腔的作用。前支撐板的重量約為200 kg，在拆檢過程中需要用手拉葫蘆進行吊裝，傳統(tǒng)作業(yè)時需要用腳手架搭建臨時吊點。在旋流器撬塊內(nèi)部焊接龍門吊后，能安全便利吊裝前支撐板，也避免了重復搭建臨時吊點所帶來人力、物力等資源的浪費。

（2）制作專用拉拔工具。單臺水力旋流器HSA800/84 有84根旋流管，HSA600/42 有42 根旋流管，自營、合營系統(tǒng)6 臺旋流器總共有378 根旋流管。旋流管安裝在前支撐板和后支撐板上，分別有兩道密封圈用來將油、油水混合物、水分隔在3 個腔室，故旋流管的前端和后端都緊密配合安裝，給拆卸帶來一定難度，拆卸旋流管成為一道耗費作業(yè)人員大量精力和時間的工序。通過總結(jié)維修經(jīng)驗，在圍繞如何高效、高質(zhì)量地進行拆卸旋流管的方法上進行創(chuàng)新，設計并制作了旋流管專用拉拔工具（圖5、圖6）。

圖5 旋流管專用拉拔工具

圖6 旋流管專用拉拔工具使用示意

旋流管專用拉拔工具總長度1 m，由桿（手持部分）、擋鐵、滑環(huán)、倒鉤等組成，桿和擋鐵通過焊接的方式固定；滑環(huán)可以在桿上自由活動，且有一定的重量，用手滑動時能產(chǎn)生較大的慣性；倒鉤采用M8 的螺栓和螺母制成，在倒鉤和桿安裝完之后，打磨螺栓使其光滑。在操作時，一手握桿的手持部分、一手握滑環(huán)，倒鉤插入旋流管前端的孔中，用力滑動滑環(huán)，滑環(huán)撞擊擋鐵后會使桿產(chǎn)生較大的慣性力，直接將旋流管水平拉出，整個操作過程安全且效率高。

（3）制作專用清洗水槍。在水力旋流器長時間工作時，旋流管內(nèi)部會結(jié)垢從而影響油水分離效果，拆檢時需將旋流管內(nèi)部結(jié)垢清除干凈。測量旋流管內(nèi)徑后選用″的硬質(zhì)儀表管制作專用清洗水槍，由快速接頭、球閥、轉(zhuǎn)換接頭、″儀表管、噴頭組成，如圖7 所示，快速接頭選用與高壓淡水公用站或生產(chǎn)水管線泄壓口匹配的″快速接頭公頭；轉(zhuǎn)換接頭采用″OD；在儀表管的端部用焊接的方法堵死，并且兩側(cè)開斜溝，與插入旋流管的方向相反。經(jīng)過儀表管機械疏通與高壓水沖洗，油泥與顆粒從旋流管內(nèi)側(cè)脫落并反沖回來，達到最佳的清洗效果。

圖7 旋流管專用清洗水槍

（4）制作其他工具。水力旋流器拆檢的步驟為隔離排空、旋流器拆裝、油泥處理、清洗檢查、易損件更換、試漏恢復等，在旋流管拆卸完成后，需要經(jīng)過一個浸泡的過程，以軟化旋流管上的結(jié)垢，方便進行下一步用專用水槍進行清洗。考慮到旋流管數(shù)量比較多，且清洗過程容易污染環(huán)境，一般容器無法滿足要求，故利用其他工程剩下的316 不銹鋼、角鋼等材料焊接可移動式水槽（圖8）。可移動式水槽規(guī)格為2 m×1 m×0.8 m（長×寬×高），下方焊接有4 個輪子，其中一側(cè)的兩個輪子屬于萬向輪，可以滿足移動時轉(zhuǎn)向的功能；水槽底部接有球閥，可以在需要時進行排液。該水槽不僅可以滿足旋流管浸泡、旋流管沖洗的功能，還可以進行其他的泵濾網(wǎng)清洗等作業(yè)，保證整個作業(yè)過程干凈整潔，不污染環(huán)境。

圖8 可移動式水槽

用不銹鋼材料制作托盤（圖9），托盤兩側(cè)分別有提手，方便搬運。該托盤可以浸泡、清洗旋流管上的溢流口、分配口等小件，也可以在維修化學藥劑泵等作業(yè)時，拆卸并擺放零部件，做到環(huán)境零污染。其次，制作油泥鏟子（圖10），能有效地從水力旋流器較長的筒體里把油泥掏出來。

圖9 托盤

圖10 油泥鏟子

4 關(guān)鍵技術(shù)3——水力旋流器工作流程優(yōu)化

該油田受上游來液量大、組分復雜、無備用旋流器等條件的影響，水力旋流器在使用2 個月后內(nèi)部會因聚集油泥、結(jié)垢導致油水分離效果變差，需對其進行拆檢作業(yè)以保證其工作性能。為充分利用上游油田通過減產(chǎn)辦法創(chuàng)造的水力旋流器拆檢時間窗口，其準備工作尤為重要。提前檢查拆檢工、機具、物料等，并放置作業(yè)現(xiàn)場，對地面鋪設帆布避免作業(yè)時油污對環(huán)境造成污染。大風天氣時提前搭設擋風架，為作業(yè)人員提供一個避風避雨的舒適環(huán)境。采用晚上隔離、惰化、排空，白天對水力旋流器進行拆檢，創(chuàng)造最佳的作業(yè)條件從本質(zhì)上保證作業(yè)安全。

水力旋流器拆檢主體作業(yè)過程可以分解為拉拔旋流管、熱水浸泡、拆卸旋流管、全面清洗、檢查、更換密封件、旋流管組裝、污油收集、回裝旋流器等步驟。傳統(tǒng)作法是5 人左右的作業(yè)隊伍耗費3 d 時間完成上述主要內(nèi)容。經(jīng)過系統(tǒng)性分析，該作業(yè)內(nèi)容可以形成串聯(lián)，由不同的人員完成各項工作內(nèi)容，并整合油田作業(yè)資源，形成了一條集“拔管”、“清洗”、“檢查”、“組裝”作業(yè)流水線。其一，各個作業(yè)內(nèi)容難度不大，只需要給作業(yè)人員集體做一個作業(yè)安全分析和簡單的操作培訓；其二，流水線作業(yè)時間持續(xù)半天，大部分作業(yè)人員可調(diào)離現(xiàn)場完成其他作業(yè)任務，剩下恢復工作可以交由作業(yè)主導人員完成。該作法積極響應了“提質(zhì)增效”的號召，極大地優(yōu)化了傳統(tǒng)作業(yè)，將單臺旋流器作業(yè)時間從3 d 縮短到1 d，減少了因停產(chǎn)、減產(chǎn)帶來的產(chǎn)量損失。

5 關(guān)鍵技術(shù)4——水力旋流器維護成本降低

（1）水力旋流器在拆檢清洗后，內(nèi)部大量的油泥、顆粒可以清理出來，大約400 L/臺，其中少部分的油水混合物可以重新通過氣動泵打入生產(chǎn)水處理流程。利用油田現(xiàn)有一些空的208 L 化學藥劑（檸檬酸）塑料桶，將桶蓋的一個圓一分為二，用曲線鋸掏開一個半圓，用來盛裝污油。塑料桶的主要結(jié)構(gòu)不受破壞，桶身強度影響較小，可以滿足搬運、吊裝的要求。1 臺水力旋流器需要2 個208 L 的空桶，6 臺旋流器總共需要12 個空桶，且該油田的空桶供應較足。裝滿污油的塑料桶作好標識后，被搬運至碼頭進行專業(yè)處理，減少了污油罐的租賃使用，在利用廢舊空桶的同時減少了操作費。

（2）由于旋流器工作條件比較惡劣，在拆檢時需要更換大量的O 形密封圈，保證其最佳的密封效果。以旋流器HSA800/84 為例，O 形密封圈使用部位及數(shù)量見表2，采用標準GB 3452.1—92：

表2 單臺旋流器O 形圈規(guī)格數(shù)量

旋流器工作溫度為75 ℃左右，選擇耐油、耐高溫等性能較好的氟橡膠材質(zhì)密封圈，能大幅提高密封圈的使用壽命。由于采購模板內(nèi)O 形圈價格貴，且采購周期稍長，在保證質(zhì)量前提下，選擇價格優(yōu)勢比較明顯的氟橡膠密封圈。溢流蓋板與前支撐板的密封圈采用Φ10 mm 的密封條進行手工粘接制作，其余幾種密封圈購買成品。經(jīng)使用試驗表明，其可靠性較高，能滿足使用要求，大幅度減少了備件成本。