臥式過濾分離器設計

王 澎 朱 云 范海峰

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

在天然氣開采過程中，無論是來自油藏的伴生氣還是來自氣藏的非伴生氣，一般都含有液烴、水等液體和巖屑、泥沙等固體物質，同時還含有少量非烴類物質的混合氣體（多為 N2、H2S、CO2、有機硫及 He 等）。這些物質的存在和聯合作用，會使輸送設備、管道、閥門等產生磨損、腐蝕、甚至堵塞，對輸送系統中的計量器具、儀表等產生不良影響，污染脫硫、脫水溶劑，影響輕烴回收中膨脹透平的正常運行。因此，必須在輸送前通過臥式過濾分離器將天然氣中的粉塵和液體去除。臥式過濾分離器已在天然氣集輸站場、天然氣凈化處理廠中得到廣泛應用。

1 結構型式

臥式過濾分離器由快開盲板、過濾段、分離段、除沫絲網、儲液段等組成，其結構型式見圖1。

2 工作原理

由輸氣管道輸來的原料天然氣，首先進入過濾段，通過過濾管將粉塵、少量液體和霧沫夾帶水過濾掉（該過程能去除99%的粉塵和97%的液體），然后進入分離段，通過重力沉降和除沫絲網將剩余的粉塵和液體清除掉。過濾和分離出的粉塵和液體通過連通管進入儲液段，并在適當的時候進行清污或排入污水處理系統。

3 結構設計

由于過濾管需要經常清洗和拆卸，為縮短拆卸時間、減輕一線工人的勞動強度，過濾段端頭應設置快開盲板；為避免氣體短路，積液段中間應設置隔板；為徹底清除過濾出來的粉塵，儲液段的端頭應為可開啟型式。

圖1 臥式過濾分離器結構型式

3.1 設備直徑

其中

式中Di——筒體內徑，m；

Qg——工作條件下氣體流量，m3/s；

V——氣流速度，m/s；

ρL——液體密度（工作條件下），kg/m3；

ρV——氣體密度（工作條件下），kg/m3；

K——氣體速度常數，m/s。

3.2 過濾管數量

式中n——過濾管數量；

G——氣體處理量 （20℃，絕對壓力101.325 kPa），m3/d；

ρov——氣體密度（標準狀況下），kg/m3；

f——按GPSA圖7-16查值；

L——過濾管長度，m；

d——過濾管直徑，m。

3.3 除沫絲網面積

其中

式中F——除沫絲網面積，m2；

Qg——工作條件下的氣體流量，m3/s；

w——氣流速度，m/s；

k——速度系數，m/s。

3.4 儲液段直徑

式中d——儲液段直徑，m；

Vy——天然氣中液體含量，m3；

Vc——每天的天然氣處理量，m3；

t——液體停留時間，min；

π——圓周率；

l——積液段長度，m。

4 強度設計

式中 δ——筒體計算厚度，mm；

Pc——計算壓力，MPa；

Di——筒體內徑，mm；

［σ］t——設計溫度下筒體材料的許用應力 （按GB 150.2-2011 查取），MPa；

φ——焊接接頭系數。

筒體計算厚度取式（7）、（8）中的大者。

5 材料選擇與檢測

5.1 材料選擇

臥式過濾分離器接觸的介質通常為含H2O和H2S的原料天然氣，為防止硫化物應力開裂（SSC）和氫誘發裂紋（HIC），殼體材料通常選擇壓力容器用鋼板［1］；管材通常選用 20［2］或 20G［3］無縫鋼管；鍛件選用 20 鍛件［4］，所選材料必須符合 SY/T 0599-2006《天然氣地面設施抗硫化物應力開裂金屬材料要求》的規定；材料的含鎳量必須＜1%，屈服強度應＜360MPa，硬度值必須≤HB 235［5～6］；焊接材料的選配應按焊縫與母材等強度或略高、其它機械性能基本相同的原則。

5.2 材料檢測

設備殼體所用鋼板應為正火狀態，必須進行超聲縱、橫檢測，并符合JB/T 4730.3-2005《承壓設備無損檢測第3部分：超聲檢測》規定的Ⅰ級或Ⅱ級。如果原料天然氣中的H2S含量較高 （當設計壓力≥10MPa，H2S含量＞5%（V）時），則設備殼體所用鋼板和設備所用鍛件除應滿足GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》、NB/T 47008-2010《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》的要求并具有抗HIC和SSC性能外，還應作如下檢測或試驗：

a）按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物的檢測；

b）按GB 226-1991《鋼的低倍組織及缺陷酸腐蝕試驗法》的規定進行試驗，并按GB/T 1979-2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》進行評級；

c）按GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》進行平均晶粒度測定；

d）當鋼板厚度≥60mm時，應按GB 5313-1985《厚度方向性能鋼板》作厚度方向性能試驗。

6 腐蝕裕量

濕H2S對鋼材的腐蝕十分嚴重，可以根據年腐蝕率和設備的使用壽命來確定腐蝕裕量。當沒有確切的年腐蝕率可循時，腐蝕裕量一般取3～5mm。

7 開孔補強

當設計壓力≤6.3MPa、設計溫度≤350℃、開孔直徑＜0.5Di、開孔處名義厚度≤38mm、筒體所用鋼材的標準抗拉強度下限值≤540MPa時，可以采用補強圈補強；否則應采用整體補強。

8 穩定性校核

設備的穩定性可參照JB/T 4731-2005《鋼制臥式容器》的規定進行校核。由于臥式過濾分離器的長徑比較小，而筒體壁厚相對較厚，一般情況下可以不進行穩定性校核。

9 制造檢驗要求

筒體鋼板下料后應在距坡口50mm范圍內進行超聲檢測；坡口表面應進行磁粉或滲透檢測；對接焊接接頭應進行100%射線檢測或超聲檢測；設備應進行消除殘余應力的整體爐內熱處理［7］；熱處理后應按SY/T 0059-1999《防止硫化物應力開裂技術規范》的規定，對對接焊接接頭進行硬度檢查；如果原料天然氣中的H2S含量較高，則應對對接焊接接頭進行抗HIC和SSC的驗證評定。

10 結論

臥式過濾分離器是天然氣集輸站場和天然氣處理裝置中重要的設備，它的運行可靠與否關系到下游的計量器具、閥門、儀器儀表、下游天然氣凈化裝置等能否正常運行。因此在設計中，必須針對各個環節進行嚴格要求，這樣才能設計出符合要求的臥式過濾分離器。

［1］GB 713-2008，鍋爐和壓力容器用鋼板［S］.

［2］GB/T 8163-2008，輸送流體用無縫鋼管［S］.

［3］GB 5310-2008，高壓鍋爐用無縫鋼管［S］.

［4］NB/T 47008-2010，承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件［S］.

［5］SY/T 0599-2006，天然氣地面設施抗硫化物應力開裂金屬材料要求［S］.

［6］羅光文，李天雷，何 明.酸性氣田腐蝕環境分析及材料選擇［J］.天然氣與石油，2011，29（6）：67-69.

［7］汪國林，秦 濤.酸性介質設備及管道焊縫熱處理技術探討［J］.天然氣與石油，2011，29（5）：60-62.