管柱式气液固三相旋流分离除砂装置耐磨衬里研究

山 涛 李伟权 张 超

（中油（新疆）石油工程有限公司）

目前，新疆油田部分天然气气田由于单井产气量大、压力高，而且多为凝析气井，产出的油气流具有较强的携砂能力，因而出砂严重。 气中含砂会快速冲蚀地面油嘴、阀门和生产管网，造成设备工程事故，影响油井的正常生产和产量。

针对新疆某油气田开采的天然气中含有大量砂砾的特点，开展了对高压气井井口除砂装置的研发，研发出高压气井管柱式气液固三相旋流分离除砂装置。 为减少带砂气流对井口除砂装置内壁的磨损损坏，延长装置内件更换时间（大于6个月）， 提出在装置入口处增加耐磨衬里的解决方案。

笔者通过对装置内部衬里磨损机理的研究，结合耐磨试验，对比分析，提出了适应性好的耐磨衬里。

1 装置简介

高压气井管柱式气液固三相旋流分离除砂装置在工作时，气井来料经过切向入口进入三相分离器整流段内，切向入口有利于气、液、固三相之间的分层，实现三相的初步分离，同时，若在压力操作条件较高的情况下，本分离设备还可以通过气液混输来平衡操作压力以达到除砂的目的，避免砂砾对后续操作装置造成破坏［1～6］。因进口含砂量较大，压力较高，对设备金属冲击较强，因此需要在整流段内壁加耐磨衬里，即图1 所示的区域。

图1 耐磨衬里位置示意图

2 耐磨衬里研究

2.1 耐磨衬里材料确定

耐磨材料按材料类别可分为：金属耐磨材料（衬板、衬里、衬片及衬套等），非金属耐磨材料（橡胶衬板、聚氨酯及耐磨陶瓷等），复合耐磨材料（钛、不锈钢衬里等）。 考虑到本次研发的高压气井井口除砂装置入口处磨损量大、腐蚀性不高和允许内件更换的特点，主要对钛和不锈钢复合板衬里、橡胶衬里和聚氨酯衬里进行比较选型：

a. 钛和不锈钢复合板衬里。从经济和工艺允许条件两方面考虑，在碳钢或低合金钢本体衬里钛和不锈钢或采用钛和不锈钢复合板制造防腐蚀设备，这样由碳钢或低碳钢制作外壳承担机械应力， 由钛和不锈钢抵御强腐蚀介质侵蚀作用，收到既能降低设备费用、 又能防腐蚀的效果，成为在石油、化工生产装置制造中常采用的一种方法。 钛和不锈钢复合板衬里主要用于化工行业需要耐强腐蚀的工况，在本高压气井井口除砂装置中，衬里材料主要考虑其耐磨性能、易更换等特点，钛和不锈钢复合衬里虽然有很强的耐腐蚀性能，但是耐磨性能较差且不易更换。

b. 橡胶衬里。 橡胶衬里具有耐腐蚀性能优良、耐腐蚀性能好、适应性强的特点。 弹性好的软质橡胶衬里不仅可以吸收机械震动，而且可以抵御摩擦性能强的物料搅拌所产生的腐蚀。 在化工装置中要求耐腐耐磨的场合， 橡胶衬里特别适用。 在本高压气井井口除砂装置中，若在入口处选用橡胶衬里， 虽然能够起到降低磨损的作用，但是会大幅降低入口处气流的速度，吸收较多的动能，降低装置整体的分离效率。

c. 聚氨酯复合材料耐磨衬里。 聚氨酯弹性体是一种介于橡胶与塑料之间的高分子材料，它在具有一定弹性的同时，还有很好的耐磨、耐温和抗撕裂性能，具有耐磨性能好、耐油浸蚀性能好、使用寿命长、适应性广、不污染物料、重量轻、耐化学腐蚀、噪声低及安装维修方便等优点。

通过对不同耐磨材料的初步对比，并具体分析本项目中旋流器的工况条件，初步选择聚氨酯复合材料作为旋流器的待选耐磨材料，并对其耐磨性能进行验证。

2.2 聚氨酯简介

聚氨酯是指在主链结构中含有氨基甲酸醋重复单元链节的一类高分子弹性体材料。 它具有较高的抗拉、抗压和抗撕裂强度。 它的机械性能是聚氯乙烯的3～4 倍， 耐磨性是天然橡胶的5倍，耐油性是丁睛橡胶的5 倍，耐寒性保证脆性温度低达－50～－30℃， 耐高温最高可达130℃，另外还具有如耐辐射、耐臭氧、耐疲劳性、弹性好及延伸率高（可达50%以上）等优点。

2.3 聚氨酯衬里板的耐磨试验

通常来说，普通磨机衬板的磨损形式有疲劳磨损、研磨磨损、化学磨蚀和流体磨损；橡胶等软性衬板材料还存在滚压磨损、热裂磨损等。 聚氨酯耐磨复合材料磨机衬板含有硬质物料，所以它既具有橡胶类物质的弹性，又具有刚性衬板的特点，加上其本身耐磨度高，抗腐蚀性能好，具有较好的耐温性能和较高的硬度，一般不存在热裂磨损、化学磨损和滚压磨损，只存在疲劳磨损、研磨磨损、流体磨损。

在球磨机内镶嵌聚氨酯复合材料磨机衬板，以钢球为研磨体，石英砂为被研磨物料，对聚氨酯复合材料磨机衬板进行耐磨试验。 所得的橡胶衬板、聚氨酯衬板和钢球的磨耗量如图2、3 所示。

图3 橡胶衬板和钢球的相对磨耗量

根据磨耗试验计算可知，经长时间磨耗后聚氨酯耐磨复合材料的磨耗量与钢球的磨耗量之比，即板耗与球耗之比为1∶76。 通常，钢衬板和钢球的板耗与球耗比为1∶7， 橡胶衬板与钢球的板耗与球耗比为1∶20。 按上述数据计算，聚氨酯耐磨复合材料衬板的耐磨度是钢衬板耐磨度的10.8 倍和橡胶衬板耐磨度的3.8 倍， 耐磨度远高于钢衬板和橡胶衬板。

2.4 聚氨酯耐磨衬里制作

通过对聚氨酯材料的耐磨试验分析，其耐磨性优于钢衬板和橡胶衬板。 衬里聚氨酯工艺易于实现，不受待衬元件内部结构的限制，衬里所需温度低，同时衬里聚氨酯不易脱落，能有效提高元件的抗磨性。 因此，选择聚氨酯制作易损件的衬里（图4）。衬里采用浇铸的方式制作，考虑分离过程主要发生在旋流器锥段，锥段尤其是底流口处磨损比较严重，因此制作时锥段衬里的厚度较大。

图4 聚氨酯耐磨衬里

3 结束语

通过耐磨试验确定了聚氨酯耐磨衬里的技术方案，具有加工工艺易实现、不受待衬元件的内部结构限制等优势，选用的聚氨酯材料适用于本项目工况。 通过对除砂装置设置耐磨衬里应用，提高了设备的使用寿命和运行稳定性。 自正式投运后，未发生下游设备损坏现象，提高了气井连续生产效率，满足工业化使用要求。