石油开采中分离器液位调节阀的砂蚀和气蚀分析与控制

发布时间:2011-06-16  点击数:2299

    在北海挪威区Statfjord平台,来自一些油井的原油、气和采出水(相对密度大约为1.03)混合物和砂粒进入到一个单级分离罐中,在这里组分依据各自的相对密度分层分离。每口油井的出砂量并不一定能带来操作问题,但许多油并的混合砂量足以给液位调节阀心带来严重的磨蚀问题。

    以前,使用两个并行的满载调节阀(一个运行,一个备用)控制分离罐,在压力为65~3.5Bar(G),温度为75℃的情况下的流速达到1500m3/h。

    为了解决砂蚀气蚀问题,这两个并行液位调节阀最近被更换下来。通过采用一种独特的速度控制设计,加上先进的材料技术,砂蚀和气蚀问题得到了抑制。

一、气蚀形成

    当恢复压力超过流体的蒸汽压PV时,刚形成的泡沫就会汽化,形成气蚀。在这种情况下释放的能量能够产生超过1400MPa的局部表面应力,这一应力可以很快使最硬的阀心表面破裂。

    现在在恶劣环境下使用的调节阀都有多级压力降设计,如北海挪威区Statfjord平台上使用的调节阀。这种速度控制阀芯设计可以防止射流的最小截面压力降至蒸汽压PV,避免了气蚀形成以及由此带来的阀心损坏。

二、多级速度控制

    这种多级阀芯是通过一组弯曲路径盘来控制内部流体速度的。流体被迫经过一系列的压力降直角弯,与传统的设计相比,流速降低了75%。这种设计防止了气蚀的发生。

    当流体压力降到蒸汽压以下时,就会出现闪蒸和气泡。采用传统阀门时,流体进入分离器的压力为P1,速度为V1,当它经过阀心的压力降区后,速度上升到V2,静压降到P2,低于可以使流体发生汽化的蒸汽压。

    任何传统的阀门都会遇到这个问题,因为在阀的射流最小截面上无法控制速度。当流体从阀的喉部流出时,压力开始恢复,动能转变成势能。完全恢复后的下游压力和速度分别为P3和V3(见图1)。

三、材料结构

    该分离器液位调节阀的阀心和阀座由硬质合金制成(见图2)。阀座圈上配有一个硬质合金制成的文丘里管,这样能够保证耐冲蚀性一直延伸到节流出口和下游的管子。

    在调节阀运行了六个月之后,将其拆卸下来检验。在重新组装阀之前,对阀件进行了测量并拍了照片。重新安装调节阀后,又使用了8个月。为了能够使阀的使用寿命达到两年(几乎是以前使用寿命的20倍),根据这次检验收集到的数据,对设计稍做了修改。