动态除砂器除砂效率提升研究及应用

傅剑峰

摘 要：南海某采油平台油井出砂，对工艺流程及地面集输设备造成非常严重的影响。平台对已有的动态除砂器系统进行深入研究，通过改变动态除砂器工况以及调整维护策略，提升除砂效率，降低原油含砂量，延长设备使用寿命，降低了生产风险和生产成本，取得了可观的综合效益。

关键词：动态除砂器;除砂效率

引言

南海某生产平台动态除砂器投用以来，进入外输泵和海管中的原油含砂量大幅度减少，外输泵零配件磨损速度得到有效控制，海管中泥沙沉积逐渐减少，有效降低了外输泵故障率和海管堵塞风险，在一定程度上减少设备维护成本，提高经济效率。但随着运行时间的增加，在原油含砂量基本不变的情况下，动态除砂器除砂量呈下降趋势，除砂效率逐渐降低。

动态除砂器除砂效率的降低，带来一系列安全隐患和经济损失。

（一）井液含砂造成生产管汇、分离器、外输泵等一系列地面设备故障，增加维护成本和设备风险。外输泵机封在细砂的反复摩擦作用下，磨损量迅速变大，导致泄露，引发安全环保事故，频繁更换机封也大量增加了维护成本：分离器和内部积砂造成腐蚀和处理效果下降;可能会导致控制阀卡死等故障;

（二）砂在海底管道中沉积，除了减小流通面积，降低输送效率外，还会诱发结垢和腐蚀，增加海底管道的运行成本和风险。

一.动态除砂器提升方案

针对动态除砂器除砂效率降低问题，平台从动态除砂器结构和维护策略等方面进行分析研究，提出以下几种措施：

（一）调整运行工况

根据设计文件，该动态除砂器是依靠外部电机驱动叶轮，料液（油水和砂的混合物）经过叶轮后，获得较大的切向速度并且流入设备的分离段[1]在分离段采用了传统返流式旋流器的结构来实现油水和砂的高效分离，根据对旋流器内部用来表述固体颗粒沉降速度Us修改过的 Stokes 定律：

由公式可知，当切向速度uT增大时，固体颗粒沉降速度Us变大，除砂效率得到提升。但不能无限制增大切向速度，因为切向速度过大会造成设备使用寿命缩短、轴承与机械密封等部件受损、以及设备振动过大导致油水和砂分离过程失败等严重后果。现场通过调节变频器输入频率，经试验发现，输入频率由以往的30Hz调为35Hz时，除砂效果最优（如表1所示）。

（二）定期对叶轮表面除垢

叶轮表面结垢严重，容易形成对叶轮流道的阻塞，增大能量损失，使流体进入旋流器的切向速度uT减小，对应固体颗粒沉降速度Us减小，除砂效率降低。

现场对叶轮表面除垢，运行两天后对比发现动态除砂器的除砂效率有较为明显的提升（如表2所示）。

（三）在旋流器内壁金属表面加陶瓷涂层

动态除砂器的关键部件旋流器金属内壁粘接一层耐磨聚氨酯材料。设备工作时旋流器与热油接触，温度瞬间高达六十几摄氏度;设备停止工作时，短时间内温差高达六十摄氏度左右，该材料会出现脱落、鼓包和破裂等情况，阻碍流体在旋流器内部形成涡流运动，直接导致除砂器效率下降。

建议在旋流器内壁金属表面加陶瓷涂层，可以选用搪瓷涂覆技术进行加工。搪瓷涂层与一般陶瓷涂层不同，其突出特点是具有玻璃特性。搪瓷涂层主要优点：耐酸、耐碱、耐热、耐磨、耐寒、绝缘、表面光滑美观等。[3]

（四）动态除砂器传动机构改造

原来动态除砂器选用的传动机构为皮带传动，轴承箱选用受中等径向力的深沟球轴承【4】，经常出现偏磨和烧轴承等故障;设备振动偏大，导致旋流器内部流体受到震荡，涡流运动受到干扰，影响除砂效果。分析原因发现，该动态除砂器处于工作状态时，轴承内外圈受到极大的径向力，内外圈与滚珠互相磨损導致轴承游隙偏大，设备出现异常振动和噪音，影响整套设备正常使用。

由分析结果，需要减小轴承所受的径向力。根据现场实际情况，可以对设备传动机构进行改造，将皮带传动改为联轴器传动，使轴承整体受力均匀，大幅度减小轴承所受的径向力，延长轴承使用寿命，减小设备振动，提高除砂效率，节约维护成本。

二.综合效果

通过采用上述措施后，提高了除砂器的除砂效率，降低了设备故障率，带来了如下综合收益：

1）采取系列措施后，排砂量较之前有明显增加（如表3所示），除砂效率有进一步的提升;

2）除砂效率的提高，降低了外输泵发生机封泄漏的风险，有效避免因为外输泵机封故障而导致停产损失;

3）将皮带传动改为联轴器传动，轴承更换周期从以前的两个月延长到八个月，同时减少皮带更换，一年可节约维修费用10万左右。

三.主要结论

该平台通过调整除砂器运行工况、清洗叶轮、改变传动等措施，有效提升了动态除砂器的除砂效率，减少设备维护成本，降低了生产风险和生产成本，给平台的生产带了显著的综合效益，同时也为其他油田装置的解决类似问题提供了参考思路。

参考文献：

[1] 戴毅.动态旋流除砂器在采油平台的应用[J].化学工程与装备，2013（8）：106-108

[2] 刘厚钧.聚氨酯弹性体手册[M].2版.山西：化学工业出版社.2012：13-20

[3] 卢屹东，亢世江等.金属表面陶瓷涂层的技术特点及应用[J].焊接技术，2005，34（2）：6-9

[4] 王振华.实用轴承手册[M].1版.上海：上海科学技术文献出版社. 1996.