卧式过滤分离器设计

王 澎 朱 云 范海峰

中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

在天然气开采过程中，无论是来自油藏的伴生气还是来自气藏的非伴生气，一般都含有液烃、水等液体和岩屑、泥沙等固体物质，同时还含有少量非烃类物质的混合气体（多为 N2、H2S、CO2、有机硫及 He 等）。这些物质的存在和联合作用，会使输送设备、管道、阀门等产生磨损、腐蚀、甚至堵塞，对输送系统中的计量器具、仪表等产生不良影响，污染脱硫、脱水溶剂，影响轻烃回收中膨胀透平的正常运行。因此，必须在输送前通过卧式过滤分离器将天然气中的粉尘和液体去除。卧式过滤分离器已在天然气集输站场、天然气净化处理厂中得到广泛应用。

1 结构型式

卧式过滤分离器由快开盲板、过滤段、分离段、除沫丝网、储液段等组成，其结构型式见图1。

2 工作原理

由输气管道输来的原料天然气，首先进入过滤段，通过过滤管将粉尘、少量液体和雾沫夹带水过滤掉（该过程能去除99%的粉尘和97%的液体），然后进入分离段，通过重力沉降和除沫丝网将剩余的粉尘和液体清除掉。过滤和分离出的粉尘和液体通过连通管进入储液段，并在适当的时候进行清污或排入污水处理系统。

3 结构设计

由于过滤管需要经常清洗和拆卸，为缩短拆卸时间、减轻一线工人的劳动强度，过滤段端头应设置快开盲板；为避免气体短路，积液段中间应设置隔板；为彻底清除过滤出来的粉尘，储液段的端头应为可开启型式。

图1 卧式过滤分离器结构型式

3.1 设备直径

其中

式中Di——筒体内径，m；

Qg——工作条件下气体流量，m3/s；

V——气流速度，m/s；

ρL——液体密度（工作条件下），kg/m3；

ρV——气体密度（工作条件下），kg/m3；

K——气体速度常数，m/s。

3.2 过滤管数量

式中n——过滤管数量；

G——气体处理量 （20℃，绝对压力101.325 kPa），m3/d；

ρov——气体密度（标准状况下），kg/m3；

f——按GPSA图7-16查值；

L——过滤管长度，m；

d——过滤管直径，m。

3.3 除沫丝网面积

其中

式中F——除沫丝网面积，m2；

Qg——工作条件下的气体流量，m3/s；

w——气流速度，m/s；

k——速度系数，m/s。

3.4 储液段直径

式中d——储液段直径，m；

Vy——天然气中液体含量，m3；

Vc——每天的天然气处理量，m3；

t——液体停留时间，min；

π——圆周率；

l——积液段长度，m。

4 强度设计

式中 δ——筒体计算厚度，mm；

Pc——计算压力，MPa；

Di——筒体内径，mm；

［σ］t——设计温度下筒体材料的许用应力 （按GB 150.2-2011 查取），MPa；

φ——焊接接头系数。

筒体计算厚度取式（7）、（8）中的大者。

5 材料选择与检测

5.1 材料选择

卧式过滤分离器接触的介质通常为含H2O和H2S的原料天然气，为防止硫化物应力开裂（SSC）和氢诱发裂纹（HIC），壳体材料通常选择压力容器用钢板［1］；管材通常选用 20［2］或 20G［3］无缝钢管；锻件选用 20 锻件［4］，所选材料必须符合 SY/T 0599-2006《天然气地面设施抗硫化物应力开裂金属材料要求》的规定；材料的含镍量必须＜1%，屈服强度应＜360MPa，硬度值必须≤HB 235［5～6］；焊接材料的选配应按焊缝与母材等强度或略高、其它机械性能基本相同的原则。

5.2 材料检测

设备壳体所用钢板应为正火状态，必须进行超声纵、横检测，并符合JB/T 4730.3-2005《承压设备无损检测第3部分：超声检测》规定的Ⅰ级或Ⅱ级。如果原料天然气中的H2S含量较高 （当设计压力≥10MPa，H2S含量＞5%（V）时），则设备壳体所用钢板和设备所用锻件除应满足GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》、NB/T 47008-2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》的要求并具有抗HIC和SSC性能外，还应作如下检测或试验：

a）按GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物的检测；

b）按GB 226-1991《钢的低倍组织及缺陷酸腐蚀试验法》的规定进行试验，并按GB/T 1979-2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》进行评级；

c）按GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》进行平均晶粒度测定；

d）当钢板厚度≥60mm时，应按GB 5313-1985《厚度方向性能钢板》作厚度方向性能试验。

6 腐蚀裕量

湿H2S对钢材的腐蚀十分严重，可以根据年腐蚀率和设备的使用寿命来确定腐蚀裕量。当没有确切的年腐蚀率可循时，腐蚀裕量一般取3～5mm。

7 开孔补强

当设计压力≤6.3MPa、设计温度≤350℃、开孔直径＜0.5Di、开孔处名义厚度≤38mm、筒体所用钢材的标准抗拉强度下限值≤540MPa时，可以采用补强圈补强；否则应采用整体补强。

8 稳定性校核

设备的稳定性可参照JB/T 4731-2005《钢制卧式容器》的规定进行校核。由于卧式过滤分离器的长径比较小，而筒体壁厚相对较厚，一般情况下可以不进行稳定性校核。

9 制造检验要求

筒体钢板下料后应在距坡口50mm范围内进行超声检测；坡口表面应进行磁粉或渗透检测；对接焊接接头应进行100%射线检测或超声检测；设备应进行消除残余应力的整体炉内热处理［7］；热处理后应按SY/T 0059-1999《防止硫化物应力开裂技术规范》的规定，对对接焊接接头进行硬度检查；如果原料天然气中的H2S含量较高，则应对对接焊接接头进行抗HIC和SSC的验证评定。

10 结论

卧式过滤分离器是天然气集输站场和天然气处理装置中重要的设备，它的运行可靠与否关系到下游的计量器具、阀门、仪器仪表、下游天然气净化装置等能否正常运行。因此在设计中，必须针对各个环节进行严格要求，这样才能设计出符合要求的卧式过滤分离器。

［1］GB 713-2008，锅炉和压力容器用钢板［S］.

［2］GB/T 8163-2008，输送流体用无缝钢管［S］.

［3］GB 5310-2008，高压锅炉用无缝钢管［S］.

［4］NB/T 47008-2010，承压设备用碳素钢和合金钢锻件［S］.

［5］SY/T 0599-2006，天然气地面设施抗硫化物应力开裂金属材料要求［S］.

［6］罗光文，李天雷，何 明.酸性气田腐蚀环境分析及材料选择［J］.天然气与石油，2011，29（6）：67-69.

［7］汪国林，秦 涛.酸性介质设备及管道焊缝热处理技术探讨［J］.天然气与石油，2011，29（5）：60-62.