油田三相分离器优化改进设计

赵辉， 徐学刚

（1.中国石油克拉玛依石化公司，新疆 克拉玛依834003；2.常州蓝翼飞机装备制造有限公司，江苏 常州213016）

1 三相分离器的工作原理

石油工业中的三相分离器是油田油气水分离主要设备之一。它的作用是将油气水分开，以保证原油生产的进行及污水的排出。

原油自油气进口切向进入游离水脱除器的预分离筒，首先进行气液初步分离。气体从预分离筒顶部经气体连通管进入设备顶部的气相空间，从而避免了气体对液体的扰动，有利于油水更好地分离。

2 三相分离器的分类与功能

分离器可按应用范围及结构形式两种方法分类。

（1）按应用范围分类

按照分离器的应用分为：生产分离器、计量分离器、气体洗涤器、段塞流吸收器、过滤分离器、除砂器、泡沫分离器、蒸汽分离器、闪蒸分离器。

（2）按结构形式分类及比较

表1 汇集了分离器的三种结构形式以及优缺点。

表1 三种分离器优、缺点比较

由表1 中可见，卧式分离器通用性较强，费用较低。在中高油气比的场合下推荐使用卧式分离器。

3 三相分离器的结构和主要内件

一个分离器可以分为五个区：入口区（初分离区）、沉降区（第二分离区）、除雾区、液体滞留区（集液区）、出口区。

3.1 入口区（初分离区）内件

入口内件有几种，本次设计采用如图1 所示的预分离筒示意图形式。

图1 所示为本次设计采用的旋流入口装置。旋流式入口装置进口采用螺旋通道，旋流预分离技术，使油气在离心力的作用下进行充分分离，并对高速流体起到缓冲作用。

图1 预分离筒示意图

3.2 出口区重要内件

（1）防涡装置，如图2 所示。

（2）液 面 控制装置：三相分离器还必须考虑控制液面的问题。

图2 防涡装置

4 三相分离器设计条件以及设计依据

4.1 三相分离器设计条件

已知的设计条件如表2所示。

4.2 三相分离器设计依据

本次设计主要依据以下标准：GB150-2011，《压力容器》；NB/T47015-2011，《压力容器焊接规程》；JB-T4731-2005，《钢制卧式容器》；JB/T4736-2002，《补强圈》；GB/T25198-2011，《压力容器用封头》。

表2 已知计算条件列表

4.3 三相分离器结构设计与计算

4.3.1 三相分离器设计选材

筒体：Q245R；封头：Q245R；鞍座垫板：Q245R。

4.3.2 内压圆筒及封头计算

表3 圆筒及封头的计算条件

设计计算条件如表3所示。

筒体和封头的厚度按GB153.3 进行计算。

（1）圆筒厚度δ 按下式计算：

最小厚度：

设计厚度：δd=δ+C2=5.21+3=8.21mm

钢板负偏差C1＝0.3mm，经圆整圆筒名义厚度δn=10mm。

（2）封头厚度计算：

最小厚度：δmin=0.15%Di=0.15%×2600=3.9mm

由于计算厚度大于最小厚度，故设计厚度：δd=δ+C2=5.21+3=8.21mm。考虑钢板的负偏差和封头冲压减薄量，取封头名义厚度δn=10mm。

4.3.3 鞍座反力计算

按JB/T4731-2005 进行计算。

计算质量：（1）圆筒质量m1=5790.02kg，（2）单个封头质量m2=586.8kg，（3）附件质量m3=5570.88kg（包括人孔、接管、液面计、平台等），（4）充液质量m4=52779.4kg，（5）保温层质量m5=275.076kg，（6）设备最大质量m=m1+2m2+m3+m4+m5=65589.006kg。

计算鞍座反力：F′＝mg/2=65589.006×9.8/2=321386.13N，

4.3.4 圆筒轴向弯矩计算

（1）圆筒中间截面处的弯矩计算

按JB/T4731 中式（7-2）计算：M1=5.36×108N·m

（2）鞍座处截面上的弯矩计算

按JB/T4731 中式（7-3）计算：M2=－7.71×106N·m

（3）轴向应力组合与校核

轴向最大拉应力：σ2=σ2′+σp=14.96+48.69=63.92MPa

轴向最大压应力：σc=σ1=-14.96MPa

轴向应力校核：许用轴向拉应力［σ］t=147MPa，σ=63.92MPa<［σ］t；轴向许用压缩应力［σ］ac=83.4722MPa，［σc］=14.96MPa<［σ］ac；轴向许用压缩应力［σ］ac按GB150.3确定。

（4）圆筒周向应力校核

4.3.5 开孔补强计算

按GB150.3 进行计算，结果如表4 所示。

表4 各类开孔补强汇总表

考虑钢板负偏差并经圆整，参照补强圈标准JB/T4736 取补强圈名义厚度为6mm，但为方便制造时准备材料，补强圈名义厚度取为壳体的厚度，即δ′=10mm。

其余开口补强汇总情况见表4。

经计算，该分离器符合要求。

5 结 论

经过本次设计对三相分离器的结构进行改进得出以下结论：（1）油气进口预分离筒采用螺旋通道，旋流预分离技术，可提高分离效率；（2）采用双波波纹板聚结器，有利于油水沉降；采用波纹板后，设备的处理效果和处理能力都将大大提高；（3）增设出气筒，保证出气质量；在游离水脱除器顶部出口端，设置出气筒，出气筒内设有挡液伞帽及波纹板除雾器，从而大大减少了天然气中的夹液量，保证了出气质量；（4）增设大口径内置式水位调节器，有利于油水分流。

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