关于海洋石油液气分离器的检测与评判

刘金玲

（中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司海洋物探处，天津 300457）

事实上，从石油和天然气井生产石油和天然气的第一阶段正是将多相混合物(天然气、石油、水、沙子)通过长长的生产管道输送到液气分离器，对多相混合物进行最初的分离和运输，以便进一步加工。因此，天然气、石油、水和沙土的有效分离，对于实现理想的油气生产率至关重要。今天油气生产中所使用的液气分离器都是基于重力，在重力的作用下，气体从顶部喷出，混合物中的固体在底部清除，油和水在沉降后分离。其中，油和水之间密度的差别是分离的结果。当油和水的密度差很大时，分离过程得到了加强。

在生产率方面，需要较短的分离时间和高效率的水油分离。自从世界石油生产达到顶峰以来，对石油及其相关产品精炼各阶段优化的研究越来越多。尽管由于国际市场上原油价格上涨，边际油井的开发有相当大的增加，但石油产品的需求远远超过供应。在这方面，提高精炼原油供应的途径之一是优化分离阶段。由于液气分离器的可控性对分离过程的效率有很大影响，一旦液气分离器发生故障将对油气生产造成阻碍。因此，有必要探究液气分离器的检测与评判。本文据此出发，以“海洋石油液气分离器”为例，阐述海洋石油液气分离器的工作原理，分析海洋石油液气分离器的检测方法，提出海洋石油液气分离器的评判标准，以期为行业人员提供参考和借鉴。

1 海洋石油液气分离器的工作原理

“海洋石油液气分离器”是海洋钻修井作业中初级脱气的专用设备，其工作原理是液气分离器气侵钻井液从分离器进液口切线进入分离器内，顺内壁落在专门设计的一系列内挡板上，碰撞、增大暴露表面积，向下流动，造成紊流状态，使气体与钻井液分离。游离气体通过罐顶的气体出口排出，排气管长度由现场确定及配备，并引到安全处，而脱气后的钻井液排入循环罐。现阶段的海洋钻修井作业中，海洋石油液气分离器分为常压式液气分离器和立式液气分离器两种类型。一般而言，选择这两种液气分离器的主要根据，是自由空间的可用性和液体和气体的体积流动率。

在海洋钻井作业工程中，与立式液气分离器相比，常压式液气分离器更受欢迎。实际上，当海洋钻井作业工程中的多相流动混合物中，液体成分( 油和水)的体积分数高于气体时，由于停留时间较长，表面积较大，因此，优先采用常压式液气分离器；而在多相混合物以气体为主的情况下，则优先采用立式液气分离器。

2 海洋石油液气分离器的检测方法

2.1 海洋石油液气分离器的检测现状

在进行液气分离器的安装调试与维护时，要求液气分离器固定牢靠，排液管线出口要畅通无阻，液气分离器内部构造要有图或照片，安装前，要检查内部并进行清理，安装完一定要进行循环实验。此外，为了保证液气分离器的安全运行，还需要对液气分离器进行定期检测，确保液气分离器处于良好状态。在这方面，目前市场上有几种仪器能够精确测量液气分离器中的气体/液体界面水平，进而对海洋石油液气分离器进行测试和评判，以此查找液气分离器故障部位，确保海洋石油液气分离器的安装调试与维护。不过，大多数仪器的油水界面水平测量的准确性差异较大。其中，能够提供精确的气体/液体和石油/水界面水平测量的少数可用仪器是基于放射性测量原则。

这些放射性仪器具有很强的健康、安全和环境风险，且仪器成本很高，因此，对市场的需求没有如预期的那样增长。

在目前的工作中，海洋石油液气分离器的操作人员有时需要目测、读取和记录气体/液体和石油/水界面的水平，以确保海洋石油液气分离器的安装调试与维护。

根据海洋石油标准《Q/HS 14035-2018 海上井控设备检验规范》中要求，海洋液气分离器的检测，需要测量液气分离器中的气体/液体界面水平；对液气分离器罐体焊缝进行探伤；对罐体进行测厚评估。总之，海洋液气分离器不应存在裂纹、壁厚腐蚀超标等影响承压能力的缺陷。依据《规范》的标准要求，通常对海洋液气分离器的检测，包括电气检测、超声波检测、热检测和放射检测等多种方法。例如，由基于光纤布拉格光栅的压力传感器和基于法布里-佩罗特腔的压力传感器组成的双压力传感器系统，可用于同时检测海洋液气分离器的气体/液体界面水平和密封性能；利用量子点红外荧光显示技术进行液气分离器罐体焊缝检测等。

这些检测方法各有优缺，存在明显的益处和局限性。例如，双压力传感器系统成本较高且对应用场景有所限制；量子点红外荧光显示技术检测便利但是精度较差。这种情况下，需要研究一种替代的成本效益高、环境友好、准确和简单的海洋石油液气分离器的检测方法。

2.2 基于X 射线、图片纹理特征和超声波的检测方法

本文基于某海洋石油平台液气分离器，应用X 射线、图片纹理特征和超声波技术，提出一种海洋石油液气分离器的检测方法。其中，所选海洋石油液气分离器型号为GY-RT-SN11，罐体厚度为16.00mm，材质为碳钢，焊缝为V 型坡口焊接，外表面焊缝宽度为20mm，长度为1124mm，内表面焊缝宽度为10mm，长度为940mm；X 射线设备型号为XH2005，焦点尺寸为φ3×3mm，增感方式为Pb0.1mm×2，胶片型号AGFA-C7，胶片尺寸为300×80，显影液为“天山”牌，显影条件为5min20℃，一次透照长度为250mm，检测标准为JB/T4730.2-2005；图片纹理特征分析以目标的表面图像为输入，并以二进制大颗粒（Binary Large OBjects，BLOB）的形式输出检测结果。获得缺陷部分的BLOB 后，可以进一步使用颗粒分析工具对其属性、尺寸等进行分析；分阶段阵列超声波检测根据NB/T 47013.3-2015 标准规定，标定频率为4～5MHz，晶片尺寸为10×10，折射角K ≥1.68°，探头移动区宽度为80mm，能够保持探头在一个固定的位置，通过一个角度范围到达一个部分的不可进入的区域。具体检测流程如图1 所示。

图1 基于X 射线、图片纹理特征和超声波的海洋石油液气分离器检测流程

如图1 所示，本文所提的检测方法，综合运用了X射线、图片纹理特征和分阶段阵列超声波技术，不仅受既定标准(JB/T4730.2-2005 和NB/T 47013.3-2015)的规管，而且形成了海洋石油液气分离器检测工艺闭环，从而有助于操作员更好地对海洋石油液气分离器进行日常维护和故障检测。

3 海洋石油液气分离器的评判标准

3.1 建立检测结果评判标准的意义

应当指出的是，海洋石油液气分离器检测的目的是检测和纠正制造过程、运行过程、日常维护中的缺陷、故障，以便在最后检验阶段确保海洋石油液气分离器没有隐藏的缺陷。这种情况下，在对海洋石油液气分离器进行检测后，信号幅值校准特征的参数被作为参考，根据信号幅值与参考值幅值的比率，归类为缺陷或非缺陷。然而，缺陷的严重性不能仅仅根据其信号幅度来判断。例如，一个非常长的应力裂纹与一个非常紧的开口，在检测过程中可以有一个非常小的UT 信号幅比较少的临界缺陷，特别是当加载条件是作用最小的裂纹开口时，更是会影响检测结果的评断。

这种情况下，调查共同的适应证的性质至关重要，有助于更好地理解信号宽度级，进而对检测结果进行校正。此外，本文所提检测方法是多元技术的综合应用，也对传统的评判标准提出了挑战，并强调了在评判过程中存在有意缺陷的重要性。多元技术的综合应用的表现在很大程度上依赖向系统提供的培训数据的相关性和完整性。例如，一个只在LFF 缺陷信号下训练的系统就不能将裂纹信号与LFF 缺陷信号区分开来。因此，建立检测结果评判标准，十分重要。

3.2 建立检测结果评判标准的方法

实际上，检测结果通常被绘制成扇形扫描(S-SCAN)图像，并与不同角度的扫描结果相互堆叠在一起。需要注意的是，在S-扫描中，光束角度的变化使用户能够从焊接中不同方向的缺陷得到更好的信号响应。然而，实施这种技术并非没有挑战。例如，角度扫描中的每个光束都可以在一个点上聚焦，以生成一个聚焦的S-扫描图像。因此，S-SCAN 能够在一定程度上为光束聚焦点提供更好的检查结果，而来自焊接其他部分的指示是以较低的质量捕获的。

这个问题通常通过使用动态聚焦或较新的完全矩阵捕获来解决，记录所有传输-接收阵列元素组合的完整矩阵数据，并对数据进行后处理，以形成被检查区域的图像。本文提出一种处理方法，即应用总聚焦法(TFM)产生完全聚焦的焊接段图像，只要被检查的区域在阵列附近，预计结果将优于S-SCAN 图像。

以某海洋石油平台液气分离器为例，在清除检测面油漆、焊接飞溅、铁屑等异物后，应用所提检测方法扫查待检测区域，并以5MHz64 元素线性阵列的节距0.5mm连同一个长距离POE 控制器用于对焊接进行剪切分段扫描（A 扫描）。在阵列上附加了37.6°楔形，产生了焦距定律，形成了一个S-SCAN，覆盖40°～75°。楔子长78mm、高47mm、宽40mm，所有的检查都是在样品达到室温时进行的。所有视察都严格遵守标准程序，以执行对焊接快速扫描,以找到几乎无缺陷部分的焊接。为了这个目的在测试中使用了脉冲宽度为100s、重复频率为20kHz 的80V 传输电压和30Fb 的固定增益。随后，在55°角接收的SDH 信号被设置为屏幕高度的80%。其中，55°光束是中心折射剪切梁，用于阵列和楔形件的选定组装。

在S-扫描图像上选择了一个扫描窗口，然后模拟其中一个SDHS 的信号幅变，并将SDH 移动到检查窗口的末端。与所选窗口内缺陷的信号幅值相比，测量到的幅度变化可以忽略不计(小于1db)。从尖峰到峰值的幅度侧波获得的范围为40%～80%的屏幕高度，并通过编码器连接到TOFD 系统来记录位置数据。扫描步骤选择小于0.5mm，以符合标准。沿焊接长度对TofD 装配件进行了扫描，数据形成B 扫描。将A 扫描和B 扫描所得结果利用数据图像系统对行数据进行合成C 扫描，如图2所示。

图2 C 扫描部分数据图

如图2 所示，如果根据波幅高度及信号长度，将异常信号的等级评定为I 级，则判定此检测结果为合格。反之，如果此数据已经超出了液气分离器的腐蚀裕量，通过强度计算，不能满足其强度要求，则此液气分离器不合格，需要进行维修或更换后再进行使用。

4 结语

综上所述，定期进行海洋石油液气分离器的检测十分重要，能够保证海洋石油液气分离器的正确安装和日常维护，及时发觉海洋石油液气分离器故障并进行排除。在这方面，本文所提的检测方法具有提供信号响应数据的优势，提供了更好的可察觉性，如海洋石油液气分离器有裂纹或缺陷，但检测能力不足的问题。这对于海洋石油液气分离器无损检测验收，至关重要。本文所提的检测方法是非常灵活且全面的检测方法，配合本文所提评判标准，能够最大限度地实现海洋石油液气分离器的检测验收，对于判断海洋石油液气分离器的安全情况，十分有效，值得参考和应用。