管柱式氣液固三相旋流分離除砂裝置耐磨襯里研究

山 濤 李偉權 張 超

（中油（新疆）石油工程有限公司）

目前，新疆油田部分天然氣氣田由于單井產氣量大、壓力高，而且多為凝析氣井，產出的油氣流具有較強的攜砂能力，因而出砂嚴重。 氣中含砂會快速沖蝕地面油嘴、閥門和生產管網，造成設備工程事故，影響油井的正常生產和產量。

針對新疆某油氣田開采的天然氣中含有大量砂礫的特點，開展了對高壓氣井井口除砂裝置的研發，研發出高壓氣井管柱式氣液固三相旋流分離除砂裝置。 為減少帶砂氣流對井口除砂裝置內壁的磨損損壞，延長裝置內件更換時間（大于6個月）， 提出在裝置入口處增加耐磨襯里的解決方案。

筆者通過對裝置內部襯里磨損機理的研究，結合耐磨試驗，對比分析，提出了適應性好的耐磨襯里。

1 裝置簡介

高壓氣井管柱式氣液固三相旋流分離除砂裝置在工作時，氣井來料經過切向入口進入三相分離器整流段內，切向入口有利于氣、液、固三相之間的分層，實現三相的初步分離，同時，若在壓力操作條件較高的情況下，本分離設備還可以通過氣液混輸來平衡操作壓力以達到除砂的目的，避免砂礫對后續操作裝置造成破壞［1～6］。因進口含砂量較大，壓力較高，對設備金屬沖擊較強，因此需要在整流段內壁加耐磨襯里，即圖1 所示的區域。

圖1 耐磨襯里位置示意圖

2 耐磨襯里研究

2.1 耐磨襯里材料確定

耐磨材料按材料類別可分為：金屬耐磨材料（襯板、襯里、襯片及襯套等），非金屬耐磨材料（橡膠襯板、聚氨酯及耐磨陶瓷等），復合耐磨材料（鈦、不銹鋼襯里等）。 考慮到本次研發的高壓氣井井口除砂裝置入口處磨損量大、腐蝕性不高和允許內件更換的特點，主要對鈦和不銹鋼復合板襯里、橡膠襯里和聚氨酯襯里進行比較選型：

a. 鈦和不銹鋼復合板襯里。從經濟和工藝允許條件兩方面考慮，在碳鋼或低合金鋼本體襯里鈦和不銹鋼或采用鈦和不銹鋼復合板制造防腐蝕設備，這樣由碳鋼或低碳鋼制作外殼承擔機械應力， 由鈦和不銹鋼抵御強腐蝕介質侵蝕作用，收到既能降低設備費用、 又能防腐蝕的效果，成為在石油、化工生產裝置制造中常采用的一種方法。 鈦和不銹鋼復合板襯里主要用于化工行業需要耐強腐蝕的工況，在本高壓氣井井口除砂裝置中，襯里材料主要考慮其耐磨性能、易更換等特點，鈦和不銹鋼復合襯里雖然有很強的耐腐蝕性能，但是耐磨性能較差且不易更換。

b. 橡膠襯里。 橡膠襯里具有耐腐蝕性能優良、耐腐蝕性能好、適應性強的特點。 彈性好的軟質橡膠襯里不僅可以吸收機械震動，而且可以抵御摩擦性能強的物料攪拌所產生的腐蝕。 在化工裝置中要求耐腐耐磨的場合， 橡膠襯里特別適用。 在本高壓氣井井口除砂裝置中，若在入口處選用橡膠襯里， 雖然能夠起到降低磨損的作用，但是會大幅降低入口處氣流的速度，吸收較多的動能，降低裝置整體的分離效率。

c. 聚氨酯復合材料耐磨襯里。 聚氨酯彈性體是一種介于橡膠與塑料之間的高分子材料，它在具有一定彈性的同時，還有很好的耐磨、耐溫和抗撕裂性能，具有耐磨性能好、耐油浸蝕性能好、使用壽命長、適應性廣、不污染物料、重量輕、耐化學腐蝕、噪聲低及安裝維修方便等優點。

通過對不同耐磨材料的初步對比，并具體分析本項目中旋流器的工況條件，初步選擇聚氨酯復合材料作為旋流器的待選耐磨材料，并對其耐磨性能進行驗證。

2.2 聚氨酯簡介

聚氨酯是指在主鏈結構中含有氨基甲酸醋重復單元鏈節的一類高分子彈性體材料。 它具有較高的抗拉、抗壓和抗撕裂強度。 它的機械性能是聚氯乙烯的3～4 倍， 耐磨性是天然橡膠的5倍，耐油性是丁睛橡膠的5 倍，耐寒性保證脆性溫度低達－50～－30℃， 耐高溫最高可達130℃，另外還具有如耐輻射、耐臭氧、耐疲勞性、彈性好及延伸率高（可達50%以上）等優點。

2.3 聚氨酯襯里板的耐磨試驗

通常來說，普通磨機襯板的磨損形式有疲勞磨損、研磨磨損、化學磨蝕和流體磨損；橡膠等軟性襯板材料還存在滾壓磨損、熱裂磨損等。 聚氨酯耐磨復合材料磨機襯板含有硬質物料，所以它既具有橡膠類物質的彈性，又具有剛性襯板的特點，加上其本身耐磨度高，抗腐蝕性能好，具有較好的耐溫性能和較高的硬度，一般不存在熱裂磨損、化學磨損和滾壓磨損，只存在疲勞磨損、研磨磨損、流體磨損。

在球磨機內鑲嵌聚氨酯復合材料磨機襯板，以鋼球為研磨體，石英砂為被研磨物料，對聚氨酯復合材料磨機襯板進行耐磨試驗。 所得的橡膠襯板、聚氨酯襯板和鋼球的磨耗量如圖2、3 所示。

圖3 橡膠襯板和鋼球的相對磨耗量

根據磨耗試驗計算可知，經長時間磨耗后聚氨酯耐磨復合材料的磨耗量與鋼球的磨耗量之比，即板耗與球耗之比為1∶76。 通常，鋼襯板和鋼球的板耗與球耗比為1∶7， 橡膠襯板與鋼球的板耗與球耗比為1∶20。 按上述數據計算，聚氨酯耐磨復合材料襯板的耐磨度是鋼襯板耐磨度的10.8 倍和橡膠襯板耐磨度的3.8 倍， 耐磨度遠高于鋼襯板和橡膠襯板。

2.4 聚氨酯耐磨襯里制作

通過對聚氨酯材料的耐磨試驗分析，其耐磨性優于鋼襯板和橡膠襯板。 襯里聚氨酯工藝易于實現，不受待襯元件內部結構的限制，襯里所需溫度低，同時襯里聚氨酯不易脫落，能有效提高元件的抗磨性。 因此，選擇聚氨酯制作易損件的襯里（圖4）。襯里采用澆鑄的方式制作，考慮分離過程主要發生在旋流器錐段，錐段尤其是底流口處磨損比較嚴重，因此制作時錐段襯里的厚度較大。

圖4 聚氨酯耐磨襯里

3 結束語

通過耐磨試驗確定了聚氨酯耐磨襯里的技術方案，具有加工工藝易實現、不受待襯元件的內部結構限制等優勢，選用的聚氨酯材料適用于本項目工況。 通過對除砂裝置設置耐磨襯里應用，提高了設備的使用壽命和運行穩定性。 自正式投運后，未發生下游設備損壞現象，提高了氣井連續生產效率，滿足工業化使用要求。