油田加熱爐空穴水力射流除垢技術

大慶油田采油九廠

油田加熱爐空穴水力射流除垢技術

劉洪花

大慶油田采油九廠

由于水質等因素的影響，幾乎所有工質為水的加熱爐都會出現不同程度的結垢現象。盤管管壁結垢降低了加熱爐的傳熱能力和系統效率，同時大量的熱損失也造成了能源的浪費。針對以上問題，開展了空穴水力射流除垢技術研究。該技術是運用流體力學中的空穴效應原理，將清洗器投放在盤管中，在水流和壓縮空氣的推動下其快速向前移動，清洗器上的葉片高頻率、劇烈振顫，產生的急速旋轉渦流將清洗器包圍形成了連續移動的低壓區，這個區域的水流始終呈汽化狀態，產生的細微汽泡又迅速被壓縮直至崩裂，瞬間激射出強力的微射流，無數的微射流匯聚成沖擊波，徹底粉碎了物體表面的沉積物。對大慶油田采油七廠葡四聯3#、4#真空加熱爐進行了空穴水力射流除垢，2臺真空加熱爐在除垢后的半年時間里，加熱爐效率得到了明顯的提升。

加熱爐；空穴射流；除垢；沖擊壓力；結構改造

由于水質等因素的影響，幾乎所有工質為水的加熱爐都會出現不同程度的結垢現象。盤管管壁結垢降低了加熱爐的傳熱能力和系統效率，同時大量的熱損失也造成了能源的浪費。若垢層厚度達到4 mm，耗氣至少要增加26.6%，全油田每年將有1.05×108m3氣被垢質消耗掉，并且結垢還會造成加熱爐燒損。近3年，因燒損大修的加熱爐占全油田加熱爐總數的1/4，大修改造費用近1.2億元。加強加熱爐的防垢、清垢工作迫在眉睫。

1 空穴水力射流除垢技術

加熱爐空穴水力射流除垢技術[1-2]是運用流體力學中的空穴效應原理，將清洗器投放在盤管中，在水流和壓縮空氣的推動下其快速向前移動，清洗器上的葉片高頻率、劇烈振顫，產生的急速旋轉渦流將清洗器包圍形成了連續移動的低壓區，這個區域的水流始終呈汽化狀態，產生的細微汽泡又迅速被壓縮直至崩裂，瞬間激射出強力的微射流，無數的微射流匯聚成沖擊波，徹底粉碎了物體表面的沉積物。該技術清洗效果好，工作效率高，能順利通過“U”型彎與蛇形彎；清洗器運行速度為1.6 km/h，清洗行程長；動力水流從清洗器的縫隙中激射而出，掃清了前面被清洗下來的污垢；通過能力強，彈性變形大，直徑收縮比可達30%以上。

2 清洗器工作原理

葉片可張型清洗器工作原理：射流在其內部誘使生成充滿水蒸汽的空穴泡，適當調節與沖擊物體表面距離，使這些空穴泡有長大、壓縮的過程。當射流沖擊到物體表面時，空穴泡破裂產生超聲波、微射流和激波沖擊，在物體表面或其附近形成高壓區，由于空穴泡破裂時產生的巨大能量集中作用在許多非常小的面積內，從而在許多局部區域產生極高的應力集中，破壞被沖擊物體的表面。

射流所產生的空穴泡每次潰滅時，近壁處微射流速度可達70～180 m/s，在物體表面產生的沖擊壓力高達140～170 MPa。微射流直徑約為2～3μm，物體表面受到微射流沖擊次數約為100～1000次/ (s·cm2)，沖擊脈沖作用時間每次只有幾微秒。空泡潰滅的沖擊壓力不斷作用到物體表面，微射流的沖擊作用將像錘擊一樣連續打擊著固體壁面，且短時空穴射流不會對基體產生破壞，達到清洗除垢的目的。

3 加熱爐結構改造

真空相變加熱爐內盤管長，結構復雜，有多處“U”型彎，結垢嚴重，采用簡單的化學除垢方法（如酸洗）難以達到理想效果，且對盤管腐蝕較大。因此對該加熱爐結構進行了改造[3]，具體改造內容如下：

（1）將封頭后面板割開，將盤管進、出口匯集器割斷，把盤管接長引出爐體外部。預制后封頭，根據單根盤管位置情況，在后封頭開孔，將盤管進、出口伸出筒體外部。

（2）預制盤管匯集器和清洗接頭，并組裝成整體。

（3）根據現場進、出口管線位置確定匯集器的尺寸和彎頭位置；根據現場情況適當調節匯集器的長度；由于進、出口位置的改變，相應改造進出口工藝管線位置。進、出口集箱示意圖見圖1。

圖1 進、出口集箱示意圖

（4）當筒體后封頭與盤管進、出口匯集器清洗接頭焊接完成后，分別對殼程和管程進行水壓試驗，試驗無任何異常時進行管線進、出口連接。

（5）如果需要清洗，打開進、出口清洗接頭，接上清洗設備管線即可對單組盤管進行清洗。清洗接頭改造見圖2。

圖2 清洗接頭改造

4 應用效果

2013年12月3日，對大慶油田采油七廠葡四聯3#、4#真空加熱爐進行了空穴水力射流除垢，具體操作如下：

（1）在加熱爐摻水進口集箱處投入清管器，集箱接管與水泥車相連接，水泥車與水罐車連接。

（2）在加熱爐摻水出口集箱處連接清管器接收裝置；連接排污管線至空罐車內；啟動水泥車推動清管器在盤管中前進。

（3）當清管器進入接收裝置后，水泥車停止工作，取出清管器，至此單根管線清洗完成。

本次除垢盤管彎頭多，垢質最厚達2 cm，垢質堅硬。除垢后管壁無損傷及腐蝕現象發生，垢質清除徹底。

清洗后，每月對葡四聯3#、4#加熱爐熱效率、排煙溫度、空氣系數進行跟蹤測試（結果見表1），并對錄取數據進行分析總結。

表1 真空加熱爐節能監測評價

由表1可以看出，2臺真空加熱爐在空穴水力射流除垢后的半年時間里，加熱爐效率得到了明顯的提升。其主要原因是加熱爐結垢得到有效抑制，受熱面的熱傳導率有所提升[4]，從而提高了系統效率。

5 結語

（1）應用空穴射流除垢技術避免了化學除垢等技術對管線的腐蝕和損傷，保證了管線的使用壽命。

（2）射流除垢效率高，用時短，垢質被擊成粉末狀，直接被水帶走，不會發生堵管現象，生產恢復快。

（3）安全環保。空穴射流除垢屬于純物理清洗技術，對管道無損傷；污垢收集后定點排放，減少環境污染，無任何安全隱患。

[1]何治武，楊全安，李應軍，等．水力空穴射流在油田輸油管線清垢中的應用[J]．當代化工，2011，40（10）：1 051-1 053．

[2]張振東，張偉哲．空穴射流清洗技術在加熱爐上的應用[J]．油氣田地面工程，2011，30（12）：80-81.

[3]左景欒，任韶然，于洪敏．油田防垢技術研究與應用進展[J]．試油工程建設，2000，3（2）：7-17．

[4]李濤，張莉．項目管理[M]．北京：中國人民大學出版社，2005：90-106.

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.030

劉洪花：大學本科，工程師，從事油田生產管理工作。

2015-04-03

18945976368、Liuhonghua@petrochina.com.cn