油田新型加热分离处理装置结构设计

牟鸿翔，苏海鹏，刘小锋

（华油惠博普科技股份有限公司 北京分公司，北京 100088）

加热分离处理装置是利用火焰直接加热原油、天然气、水的混合物以促进其分离的油气田专用设备，多用于井口和集输站场，具有火筒式加热炉和油水分离器一体化结构以及加热、缓冲、分离等功能［1-3］。加热分离处理装置分为卧式和立式2种结构型式，均由容器外壳、火筒、分离装置等组成，内部区域按功能分为加热区、缓冲区、分离区等［4-5］，外部区域构成主要为仪表、控制系统等。其中，火筒是主要的传热构件，内部分离区是结构设计的重点［6-7］。文中以国外某油田原油处理站加热分离处理装置的设计过程为例，介绍了一种新型加热分离处理装置，从总体要求、关键内件的计算思路、方法等方面探讨了其结构设计和选型的要点、难点。

1 新型加热分离装置方案设计

1.1 工艺原理

新型加热分离处理装置工艺原理见图1。新型加热分离处理装置内部包含多个功能区，前端为加热区，中间为缓冲区，后端为油水分离区。加热区内，油水界面上方布置火筒，下方布置导流管，被加热介质经导流管流至设备底部。油水分离区分内，上半部为油室，底部为水室。缓冲区与分离区之间设溢流堰板，油室与水室之间设隔板。待处理混合介质从设备入口进入内部功能区，分离后的气体由顶部汽包出装置，分离后的水和油分别进入水室、油室，然后由各自的出口出设备。

图1 加热分离处理装置工艺原理示图

1.2 工艺选型要点

加热分离处理装置的机械设计要经过工艺选型计算，确定机械设计条件，并通过设计过程中的反复调整才能落实工艺选型的具体要求。工艺选型计算包括热负荷计算、燃料燃烧与传热计算，以及油水分离工艺计算等［8-9］。热负荷计算与燃烧计算的主要任务是确定将介质加热到要求的温度所需要热负荷和火筒的结构尺寸。油水分离工艺计算依据现行的API与国内石油工业相关标准，并结合火筒热力计算的结果，确定油水分离过程的有关参数和装置的外形尺寸。

1.3 机械设计条件

国外某新型加热分离处理装置的工艺选型结果见表1。其中给出的燃料消耗量为标准状态下的数值。

表1 加热分离处理装置工艺计算选型结果

根据工艺计算选型结果确定的加热分离处理装置结构简图见图2。设备内径为φ3 000 mm，筒体长度为12 000 mm，火筒兼具平直炉胆与波形炉胆的特点，由其左右及下方的滑道装置进行支撑和固定。

图2 加热分离处理装置结构示图

1.4 结构设计基本要求

加热分离处理装置的结构设计、制造，总体上应符合 ASME BPVCⅧ.1—2017［6］相关规定。火筒的结构设计应在此基础上进一步考虑后续生产运行过程的经济性、便利性、安全性［10-11］，可参考API 12K—2008《油田间接加热器》［12］有关条款。比如，采用双火筒、可抽出结构型式，以便后续运行过程中加热负荷调节和设备维护；采用平直炉胆与波形炉胆相结合的型式，并进行整体热处理，以消除加工制造过程中的焊接应力；尽可能将火筒布置在油水界面以上，以确保足够的热量用以加热原油和提高热量利用率；提高火筒的承压、密封性能，以方便沉积物的清理。

1.5 加热分离装置机械设计方案

1.5.1 主体结构

加热分离装置主体结构设计见图3。按照火筒特征，采用立式U型、双火筒的设计方案。火筒内径500 m，总体布置在设备内部中间，具体布置在进液竖管两侧，其U型段采用内径400 mm的180°钢制弯头、异径管连接［13-14］。火筒内径定尺考虑了装置处理量降低的可能、设备内部结构布置及油水分离工艺计算的需要。导流竖管底部设置了布液盘，具有液体分布主功能和防冲击作用。火筒底部垂直方向距离油水界面170 mm，即火筒底部距离设备底部870 mm。在水平方向距离火筒末端外壁600 mm和2 900 mm位置分别布置填料、堰板，油室隔板距离容器内底部600 mm。

图3 加热分离装置主体结构设计示图

1.5.2 内部附件

考虑了火筒的可抽出维护要求、稳定性高要求以及必要的热膨胀，在火筒底部和侧面分别设置了滑道和导轨、支撑和垫板，在火筒烟气高、低温部分设置了波纹火筒，为2个火筒设计了各自独立的支撑结构和滑道支撑。此外，在火筒顶部设置了冲砂管，以便在设备运行过程中对火筒顶部进行冲洗。

2 新型加热分离处理装置结构设计

2.1 火筒结构

火筒外形总体为U型，其机械设计模型见图4。为了缓解受热过程中的热膨胀，火筒烟气高、低温部分设计了可伸缩波纹。火筒波形段与平直段的公称内径均为500 mm，U型最小内径为424 mm，壁厚为16 mm，波形部分波峰高38 mm。火筒和支撑结构材质为SA516 70N。

图4 火筒机械设计模型

2.2 火筒与壳体连接结构

火筒与壳体的连接为长圆法兰及法兰盖连接（图5），长圆法兰盖与火筒通过双腿螺栓焊接（图6），长圆管嘴及长圆法兰焊接在椭圆封头上（图7）。在带压运行条件下，这种结构和连接型式无法通过规则设计的方法进行强度计算，其机械结构的力学性能及性能验证均是采用分析设计方法完成的。

图7 火筒与壳体连接型式

2.3 内部支撑机械结构设计

火筒的总质量大，维护时单靠人力进行抽出操作可行性差，同时考虑到火筒重心高的特定情况，在加热分离装置内部功能区、火筒的底部和侧面设置了滑道、导轨及支撑装置（图8和图9），并设置了辅助性钢结构件进一步加强火筒的支撑和固定。此外，在火筒顶部设置冲砂管，以便在设备运行过程中冲洗火筒顶部，保持火筒的清洁和良好的传热效果。

图8 火筒侧面滑道布置

图9 火筒中间支持结构

2.4 长圆法兰开孔力学性能验证方法

椭圆形封头上的长圆形开口（图7）的尺寸较大，超出ASME BPVCⅧ.1—2017第U-2条规定的强度计算范围，需要采用有限元分析方法进行强度分析。这部分工作通过外协方式，运用ANSYS有限元分析软件，采用应力分布曲线和应力线性化方法［15-16］，对封头开孔、长圆法兰及其长圆管嘴、法兰盖及其开孔在外部载荷作用下的力学性能进行分析，分析设计输入条件和外部管嘴条件见表 2、表 3和图 10。

图10 管口受力示图

表2 长圆法兰开孔力学性能分析设计条件

表3 烟囱接口管嘴载荷设计条件

表3和图10中，FA为轴向拉伸或压缩力，FL为轴向剪切力，FC为周向剪切力，N；MT为扭矩，MC为周向弯矩，ML为轴向弯矩，N·m。

根据ASMEⅧDiv.2 Ed.2017附录5，对应力线性化结果与允许值进行比较显示，局部薄膜应力、局部薄膜应力加弯曲应力、一次应力加二次应力的允许值，即圆封头开孔及其长圆法兰管嘴的应力值均小于允许值。结果显示容器结构及有关金属材料厚度满足设计条件的要求。

3 结语

加热分离处理装置是集加热、分离等功能于一体的油田处理设备，其火筒的可抽出结构是技术关键。待处理介质中通常含有的泥沙、胶质物量大，易于附着和沉淀到火筒外壁上而影响燃烧和传热。设计选型过程中，应考虑尽可能降低受热面平均热流密度，充分考虑泥沙的预处理或泥沙对设备运行的危害，应尽可能使火筒在设备内部的支撑结构有利于污物的流动和清理，持续不断优化改进设备内部的清理冲洗装置。