内壁腐蚀缺陷对三相分离器剩余强度的影响分析.pdf

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1、第２期（总第２０１期）机械工程与自动化No．２２０１７年４月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONApr．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０２‐０１５９‐０２内壁腐蚀缺陷对三相分离器剩余强度的影响分析姚洪成（中石化西南油气分公司物资供应中心，四川德阳６１８０００）摘要：由于油、气、水三相介质及固相介质的作用，在役三相分离器的腐蚀问题较为严重，极大地降低了三相分离器的承压能力，影响其安全运行和使用寿命。因而，建立了含腐蚀缺陷的三相分离器的数值计算模型，研究了腐蚀缺陷分

2、别位于筒体和封头部位时的三相分离器剩余强度。结果发现：同一缺陷在不同位置时导致分离器腐蚀区域的应力分布情况不同；在腐蚀缺陷部位的应力集中现象较为严重，远离腐蚀缺陷处的分离器本体应力分布较为均匀；当相同腐蚀缺陷位于三相分离器封头部位时，分离器更易失效。关键词：三相分离器；剩余强度；数值仿真；腐蚀缺陷中图分类号：TP３９１畅７文献标识码：A0引言泊松比为０．２８６，屈服极限为２４５MPa，抗拉极限为三相分离器是依靠油、气、水之间的互不相容及各４００MPa。假定三相分离器筒体和封头腐蚀缺陷均为相间存在的密

3、度差进行分离的装置，适用于含水量较矩形缺陷形状，通过长度、宽度和深度来控制腐蚀裕量［１－２］［４］高，特别是含有大量游离水的油井产物的处理。的大小。某油田在用三相分离器中，部分使用年限已超过１０年，由于三相分离器在设计选型阶段对来液中的含沙量估计不足，没有设计冲沙、排沙装置，造成大量积沙，基本每年需清理一次；个别三相分离器经测厚，筒体壁厚仅剩下３mm～５mm，目前仍然在使用，且无有效监控手段。另外，由于液相中矿化度高以及液中氧的影图１三相分离器几何模型响，造成容器内部大面积腐蚀。该油田某采油厂数十实

4、际工况中发生腐蚀处最先出现破坏，这是由于台三相分离器中，已发现４０％出现严重腐蚀，部位主缺陷附近会受到较大应力，因此在模拟仿真中通常取要集中在内构件、分离隔板、水室出口周边及沉降室聚含缺陷的部分筒体段和封头段分别进行分析。将模型结构件两侧筒体内壁。划分为尺寸为５０mm的六面体网格，在缺陷处及缺陷目前对含腐蚀缺陷的三相分离器剩余强度的评价附近进行网格细化，含腐蚀缺陷的筒体和封头有限元［３］研究较少，因而本文建立了内壁腐蚀缺陷三相分离模型如图２所示。在三相分离器的筒体两端分别施加器的数值计算模型，研究筒

5、体内壁腐蚀和封头内壁腐拉力，以模拟内压引起的轴向力；对封头模型的底部也蚀对三相分离器剩余强度的影响，从而为分离器设计、施加相应轴向力；对筒体和封头内部施加压力以模拟维修等提供理论依据。三相分离器内部流体作用。1数值计算模型取已投入油田生产中的一个三相分离器进行建模分析，该分离器设计压力为１．６MPa，工作压力为１．０MPa，主要受压元件材料为Q２４５R，腐蚀裕度为２mm，设计使用寿命为３０年。三相分离器几何参数如表１所示，建立几何模型如图１所示。表１三相分离器几何参数mm内径长度壁厚筒体参数２２００

6、９８００１６图２含腐蚀缺陷的筒体和封头有限元模型封头型号公称直径总深度公差圆度外凸内凹直边高度2计算结果分析EHA２２００２２００５９０＋１３．２≤１１≤２７．５≤１３．７５４０＋４－４．４－２２．１等效应力３通过有限元软件计算分析相同腐蚀缺陷在筒体和Q２４５R密度为７８００kg／m，弹性模量为２１１GPa，收稿日期：２０１６‐０９‐０５；修订日期：２０１７‐０１‐１４作者简介：姚洪成（１９８１‐），男，四川成都人，工程师，本科，主要从事油气设备检修与管理工作。·１６０·机械工程与自动化２０１７年第

7、２期封头位置时腐蚀区的应力分布，根据求解出的缺陷区内压达到１．４８MPa附近时，两处缺陷的最大等效应域的等效应力结果分析缺陷位置的改变对失效压力的力曲线存在小幅度波动，此时处于材料的屈服阶段；内影响。将三相分离器的运行压力设定为４MPa，当腐压增大前期，两个缺陷位置的缺陷区域最大等效应力蚀缺陷长度为１００mm、宽度为５０mm、深度为８mm均呈近似线性增长，封头处腐蚀缺陷区域的最大等效的同一尺寸方形腐蚀缺陷分别位于三相分离器筒体和压力更早达到屈服强度，从而比筒体腐蚀缺陷处更早封头时，得出了对应位置的腐

8、蚀缺陷部位的三相分离进入屈服阶段；中期均在一小范围内波动；内压增大后器等效应力云图如图３所示。由图３可知，在腐蚀缺期，封头处腐蚀缺陷区域的最大等效压力更早达到极限陷部位出现了较为严重的应力集中现象，远离腐蚀缺抗拉强度值，从而比筒体腐蚀缺陷处更早发生破坏。陷处的分离器本体应力分布较为均匀。当腐蚀缺陷位２．２等效塑性应变于不同部位时，腐蚀区的等效应力分布不同。１００mm×５０mm×８mm的腐蚀缺陷分别位于三当腐蚀缺陷位于不同部位时，分离器最大等效应相分离器筒体和封头时，当