CN104858187B - 一种用于高含硫集输管道的沉积硫清除器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，由引气管、涡流室、涡流管、传热管以及引射喷管组成，涡流管的入口端嵌装在涡流室的中心，涡流管的出口安装有热流调节喷嘴，传热管同轴地套设于涡流管的外部，传热管的一端固定在涡流室的外壁上，另一端安装有引射喷管。涡流管上安装有热流喷嘴，对管壁加热，并通过三角刀片将沉积硫分割为条状，传热管外壁安装有螺旋刀片和钢刷盘可将管壁沉积硫清除，通过抽吸喷管负压抽吸，减少了沉积硫堆积量，降低了卡堵风险。与传统除硫装置相比，本发明巧妙地应用了热力除硫和机械除硫两种方式，提高了除硫效果，具有结构简单、无运动部件、维护简便的优点，能显著降低高含硫集输管道沉积硫的清理费用。

Description

一种用于高含硫集输管道的沉积硫清除器

技术领域

本发明公开一种管道沉积硫清除器，特别是一种用于高含硫集输管道的沉积硫清除器。

背景技术

对于高含硫的酸性气田，在温度、压力较高条件下元素硫以多硫化物的形式溶解在天然气中，随着温度和压力降低，气体中可溶解元素硫的量将会减少，过饱和的硫就会在集输系统中析出，进而发生沉积。硫沉积对集输管道的影响主要体现在如下几个方面：

(1)单质硫极易在管道引压管等处沉积，导致压力测量失准，并引发连锁效应，使得与SCDAD自动控制系统相连接的部分仪器仪表瘫痪，严重影响着整个集输系统的安全运行。

(2)沉积硫附着在管壁上，降低管道有效流通面积，增加输送能耗,当沉积量较大时,甚至会堵塞管道,导致关井停产。

(3)在沉积硫存在的条件下,碳钢的腐蚀速率增加,管道容易发生局部腐蚀，从而增加泄漏风险。

(4)沉积硫易导致清管球发生卡堵，影响清管球的正常运行，从而影响集输管道通球作业。

当前高含硫集输管道沉积硫控制方法主要有电加热法、加注溶硫剂法以及机械除垢方法等。电加热方法通过在易发生堵塞部位安装电伴热带，通过管道外壁对管内介质加热来防止硫积产生和对已发生硫沉积堵塞位置进行解堵。但电加热只适用于管道局部硫沉积控制或解堵。高含硫气田集输管道往往长度达到数公里，甚至几十公里，电加热无法有效去除整个管道的沉积硫。

作者王勇在研究论文（“高含硫天然气集输系统硫沉积研究进展”，《天然气与石油》，2014年8月，32卷第4期）提出向管道内加注溶硫剂来进行沉积硫控制。采用溶硫剂方法需要采用溶硫剂罐、高压溶硫剂泵等溶硫剂加注系统，投资成本高。另外，向管道加注的溶硫剂在管道流动过程中在重力作用下会沉积在管道底部，管道顶部由于无法与溶硫剂接触，从而影响除硫的效率。此外，溶硫剂要长期加注，消耗量大，回收成本高，且当前市场上的溶硫剂往往都具有一定毒性，容易引发中毒事故。

申请号为200910172282.2的发明专利公布了一种原油管线砂、蜡高压射流清管器，该清管器上安装有流体射孔，高压流体从射孔喷出，由喷出液体将污垢带走。该发明只能用于输送液体管线的沉积物的清理，对于输气管道，不允许向管内注入液体，该方法无法适用。申请号为201020649045.9的实用新型专利公开了一种钢钉刮蜡机械清管器，采用带有钢钉的皮碗清除管道内壁结垢和结蜡。申请号为201410194893.8的专利公开了一种螺旋弹簧钢丝刷式清管器，通过在弹簧外边缘上安装螺旋弹簧钢丝刷来提高管道清理效果。

当前的清管方法基本依靠清管器自身或其所带机具所具有的刮削、冲刷作用来清除管道内的结垢或沉积物。存在缺点主要在于：除硫效率低，当管道结垢硬度较大时，清管器容易发生卡堵，这中单纯的采用刀片或钢刷的机械清管器易发生磨损，还容易对管壁造成损伤。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有管道沉积硫清除技术和装置存在的缺陷，提出一种能够综合利用热力清除和机械清除原理，能够高效清除附着在高含硫集输管道内壁上的沉积硫的新型集输管道沉积硫清除器。

本发明公开一种用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，包括引气管、涡流室、涡流管、传热管以及引射喷管，引气管、涡流管以及传热管均为管状体，引气管的一端开口，另一端由密封盲板封堵，密封盲板固定在涡流室底部外壁的中心位置，涡流管的入口端嵌装在涡流室的中心，涡流管的出口安装有热流调节喷嘴，传热管同轴地套设于涡流管的外部，传热管的一端固定在涡流室的顶部外壁上，另一端安装有引射喷管，引射喷管与热流调喷嘴之间安装有密封环。

进一步地，所述的引气管的进口端的外壁上安装有密封皮碗总成，密封皮碗总成和密封盲板之间的管壁上布置有多个引气孔。

进一步地，所有引气孔的总面积与待清理管道的截面积的比值不大于10%。

进一步地，所述的涡流室的外壁上布置有多个进气口，涡流室内部沿切向布置有多个进气道，涡流室内的涡流管的外缘对应该若干进气道而沿切向布置有多个进气孔，所述进气孔对应与所述进气道连通，多个进气道沿涡流管的中心对称布置，进气道的截面形状为矩形。

进一步地，所述热流调节喷嘴的流道形状为渐缩型，靠近热流调节喷嘴一侧的涡流管上垂直安装有多个热流喷管，热流喷管的入口与涡流管的内管壁齐平，热流喷管沿涡流管中心对称布置，热流喷管出口安装有热流喷嘴，每个热流喷嘴沿所述沉积硫清除器的前进方向一侧安装有三角刀片。

进一步地，所述的涡流管上所有热流喷管的截面积之和小于热流调节喷嘴的出口的面积。

进一步地，所述的传热管靠近涡流室的一侧的外壁上安装有密封皮碗总成，传热管靠近热流喷管一侧的外壁上安装有支撑轮总成，支撑轮总成的数目至少为3个，多个支撑轮总成沿传热管的中心轴线均匀布置，支撑轮总成和密封皮碗总成之间的传热管外壁上依次安装有螺旋刀片和钢刷盘，传热管与涡流管之间的环形空隙内填充有导热油，传热管的管壁向上方向分别设有导热油加注孔和补气孔，导热油加注孔和补气孔由密封塞封堵。

进一步地，所述螺旋刀片在传热管的外壁上绕制的圈数至少为1圈。

进一步地，所述的引射喷管的入口端与传热管的尾部之间通过螺纹连接，引射喷管的流道形状为渐缩渐扩结构，引射喷管的喉部安装有抽吸软管，抽吸软管的末端安装有配重抽吸头，引射喷管的出口端安装有射流喷嘴。

本发明具有的优点在于：

本发明提供一种用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，能够综合利用热力清除和机械清除原理，不消耗外加动力，依靠流体自身产生热量来加热附着在管壁上的沉积硫，通过热流喷嘴、螺旋刀片、以及钢刷盘多级除硫模式协同作用提高除硫效果。本发明具有结构简单，无运动部件，维护简便，工作量小，且性能可靠等众多优点，从而降低了高含硫集输管道运行费用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为本发明中涡流室的剖视图；

图4本发明中射流喷管的结构示意图；

图5A和图5B为本发明中热流喷嘴的结构示意图；

图6为本发明中螺旋刀片结构示意图；

图7本发明的实验温度数据曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的说明。

由图1、图2可知，本发明提供一种用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，主要包括引气管1、涡流室2，涡流管3、传热管4以及引射喷管5组成，所述的引气管1、涡流管3以及传热管4均为管状体，引气管1的一端开口，另一端由密封盲板9封堵，密封盲板9通过螺栓固定在涡流室2底部外壁的中心位置，涡流管3的入口端嵌装在涡流室2的中心，涡流管3的出口端安装有热流调节喷嘴6，传热管4套设于在涡流管3的外部，传热管4和涡流管3保持同轴，传热管4的一端固定在涡流室2的顶部外壁上，另一端同轴地安装有引射喷管5，且引射喷管5与热流调节喷嘴6之间安装有密封环19。所述引气管1也保持与涡流管3同轴性设置。

由图1、图2可知，所述的引气管1的进口端的外壁上还安装有密封皮碗总成7，密封皮碗总成7和密封盲板9之间的管壁（即引气管1的外壁上，如图1所示）上布置有若干引气孔8，所有引气孔8的总面积不大于待清理管道26的截面积的10%。

本发明中采用的涡流管3为现有结构，其为逆流型。如图3可知，涡流室2的侧向外壁上布置有若干个进气口10，气体通过进气口10进入涡流室2内部。涡流室2内部具有环形腔体，环形腔体的内部设置有中心体，所述中心体上沿切向布置有若干进气道11，而处于涡流室2内的涡流管3的外缘对应该若干进气道11而沿切向布置有若干进气孔，所述进气孔对应与所述进气道11连通，多个进气道11沿涡流管3的中心对称布置，进气道11的截面形状（即与涡流管3的轴线相垂直的截面方向）为矩形。气体通过进气口10进入涡流室2内部后，首先进入涡流室2内的环形空腔体，而涡流室2的中心布置有涡流管，涡流管的外侧对应涡流室的内部布置有流道即若干进气道11，该流道的作用是将涡流室2内部环形空腔体的气体切向通过该若干进气道11而引入涡流管3，使气体产生高速旋转而产生涡流。

如图4，图5A和图5B所示，所述的涡流管3的出口端安装的热流调节喷嘴6的流道形状为渐缩型，靠近热流调节喷嘴6一侧的涡流管3上垂直安装有若干热流喷管18，热流喷管18的入口与涡流管3的内管壁齐平，热流喷管18沿涡流管3中心对称布置，热流喷管18出口安装有热流喷嘴24，所述的涡流管3上所有热流喷管18的截面积之和小于热流调节喷嘴6的出口的截面积。每个热流喷嘴24沿本发明沉积硫清除器的前进方向（即朝向近热流调节喷嘴6方向）一侧侧壁上安装有三角刀片25。

由图1、图2所示，所述的传热管4靠近涡流室2的一侧的外壁上安装有密封皮碗总成7，传热管4靠近热流喷管18一侧的外壁上安装有支撑轮总成17，支撑轮总成17的数目为沿着传热管4的外壁径向分布至少为3个，多个支撑轮总成17沿传热管4的中心轴线均匀布置，支撑轮总成17和密封皮碗总成7之间的传热管4外壁上依次安装有螺旋刀片16和钢刷盘12，螺旋刀片16在传热管4的外壁上绕制的圈数至少为1圈。传热管4与涡流管3之间的环形空隙内填充有导热油23，传热管4的管壁向上方向分别设有导热油加注孔13和补气孔14，导热油加注孔13和补气孔14采用密封塞15封堵。

由图1、图2所示，所述的引射喷管5的入口端与传热管4的尾部通过螺纹连接，引射喷管5的流道形状为渐缩渐扩结构，引射喷管5的喉部安装有抽吸软管21，抽吸软管21末端安装有配重吸入头22，引射喷管5的出口端安装有射流喷嘴20。

本发明提供的用于高含硫集输管道的沉积硫清除器的工作过程如下：

由图1、图2，在进行清除高含硫集输管道沉积硫作业中，首先将导热油加注孔13以及补气孔14上的密封塞15打开，向涡流管3的外壁与传热管4的内壁之间的环形空间内加注导热油23，导热油23加注满后，关闭密封塞15。由于位于涡流管3尾部的热流调节喷嘴6和引射喷管5之间安装有密封环19，正常工作时导热油23不会进入泄漏进入引射喷管5。

由图1、图2，加注好导热油23后将本发明置于待清除管壁沉积硫的管道26中，通过气体推动本发明在管道26中前进。由于引气管1和传热管4上安装有密封皮碗总成7，密封皮碗总成7的功能是保证本发明与管道26内壁良好接触，防止气流通过本发明与管道26内壁之前的空隙进入下游，保证本发明上下游具有一定的差压以维持前进的动力。密封皮碗总成7还和传热管4外壁上安装的支撑轮总成17一起保持本发明在管道26中运行的稳定性。

引气管1上所有引气孔8的截面积之和小于管道截面积的10%，从而保证本发明在后方气流的推动上下游具有足够的差压，驱动本发明能向前运动。由图3可知，在差压作用下，一部分气体通过引气管1上的引气孔8进入涡流室2，通过涡流室2的进流道11膨胀加速后切向进入涡流管3，气流沿涡流管3切向高速旋转形成漩涡，其转速可高达10⁶r／min。如图6所示，高压气流通过涡流管3内时，在Ranque效应的作用下会分离出高温和低温两股气流。其中外层气流温度高，而中心部位的气流温度低。在较高差压下，外层高温气流28温度甚至可以达到100度以上。热流调节喷嘴6的目的在于控制高温气流28和低温气流29的比例以及高温气流28和低温气流29的温度，如图2所示。通过更换不同出口直径的热流调节喷嘴6来调节进入热流喷管18的高温气流28的流量和温度。

如图5A和图5B，热流喷管18沿涡流管3轴线均匀布置，热流喷管18的入口与涡流管3内壁齐平，以保证涡流管3气流能顺利进入热流喷管18。涡流管3内的外层高温气流28通过布置在涡流管3尾部的热流喷管18向附着有沉积硫的管道26的内壁喷射。在高温气流28作用下，沉积硫27发生软化，稳定性变差，容易在外力作用下将其从管壁上清除。

如图6，热流喷管18顶部安装有热流喷嘴24，热流喷嘴24上安装三角刀片25。三角刀片25与管道26内壁保持接触，通过将附着在管道26内壁上的环形沉积硫27切割成条状。为了增强导热性和避免三角刀片25划伤管道26的内壁，三角刀片25材质采用铝等导热性好的金属材质。涡流管3外层热量通过导热油23传给传热管4，使传热管4外壁也具有较高温度。进而安装在传热管4外壁上的螺旋刀片16也具备较高温度，增强了其切割沉积硫的效果。

图6为螺旋刀片16结构示意图。螺旋刀片16的外缘与管道26的内壁保持接触，为了增强导热性和避免螺旋刀片16划伤管道26的内壁，螺旋刀片16采用铝等导热性好的金属材料。螺旋刀片16的作用下，被三角刀片25切割成条状的沉积硫27在螺旋刀片16作用下被沿着管壁清除下来；由于热传导，安装在传热管4外壁上的金属刷盘12也具备较高温度，剩余附着在管壁上的少量沉积硫27在金属刷盘12作用下从管壁上清扫下来。

位于涡流管3中心部分的温度较低气流在涡流管3的尾部通过热流调节喷嘴6后进入引射喷管5，高速气流通过热流喉部时因流通面积突然缩小，流体得到加速，根据伯努利原理将产生负压，造成局部真空。通过抽吸软管21可将沉积在管道26底部的清理下来的沉积硫抽吸进入引射喷管5，引射喷管5的出口安装有射流喷嘴20，通过射流喷嘴20喷射到下游，避免沉积硫在局部过度堆积，影响本发明在管道26内前进。抽吸软管21末端安装有配重吸入头22，配重吸入头22在重力作用下，一直位于管道26底部，保证了抽吸软管21末端时刻与沉积与管道26底部的沉积硫接触。

如果管道局部沉积硫过多，本发明有可能被临时卡堵，本发明具有自解堵功能。当卡堵发生时，由于后方气流不断进入管道，本发明前后差压逐渐增加，导致进入涡流室2的气流的压力和流量亦逐渐增加，Ranque效应增强，温度分离更为明显，进入热流喷管18的气量和温度都迅速增加。在热流喷嘴24喷出的高速热气流作用下，沉积硫逐渐软化，附着力降低。同时涡流管3内外层气体温度进一步升高，从而使三角刀片25、螺旋刀片16以及钢刷盘12的除硫效率进一步增强。另外，随着气流量的增加，引射喷管5抽吸作用增强，沉积在管道底部的沉积硫被抽吸软管21抽吸到引射喷管5，由射流喷嘴20喷射到下游，从而保证本发明顺利工作。

图7为实验测量不同进气压力和热气流比例条件下，进入热流喷嘴24的热气流温度与进入射流喷嘴20的冷气流温度数值曲线。实验出口1个大气压，进口气流温度25℃，当热气流比例为20%，进口气流压力位850kpa时，热流喷嘴24出口气流温度达到130摄氏度左右。在如此高温下，有很强的除硫效率。从图7上也可以看到热气流比例越小，热流喷嘴24的气流温度越高，为了保证热流喷嘴24具有足够高的温度，所述的涡流管3上所有热流喷管18的截面积之和小于热流调节喷嘴6的出口的面积。在实际作业过程中，还可以采用不同规格的热流调节喷嘴6，以控制进入热流喷嘴24的气流温度。

本发明中巧妙利用热力除硫和机械除硫两种原理，不消耗外加动力，依靠流体自身产生热量来加热附着在管壁上的沉积硫，通过热流喷嘴24，螺旋刀片16以及钢刷盘12多级除硫模式协同作用提高除硫效果。本发明具有结构简单，无运动部件，维护简便，工作量小，且性能可靠等众多优点，从而降低了高含硫集输管道运行费用。

Claims (8)

1.一种用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，包括引气管（1）、涡流室（2）、涡流管（3）、传热管（4）以及引射喷管（5），其特征在于：引气管（1）、涡流管（3）以及传热管（4）均为管状体，引气管（1）的一端开口，另一端由密封盲板（9）封堵，密封盲板（9）固定在涡流室（2）底部外壁的中心位置，涡流管（3）的入口端嵌装在涡流室（2）的中心，涡流管（3）的出口安装有热流调节喷嘴（6），传热管（4）同轴地套设于涡流管（3）的外部，传热管（4）的一端固定在涡流室（2）的顶部外壁上，另一端安装有引射喷管（5），引射喷管（5）与热流调节喷嘴（6）之间安装有密封环（19）；

所述热流调节喷嘴（6）的流道形状为渐缩型，靠近热流调节喷嘴（6）一侧的涡流管（3）上垂直安装有多个热流喷管（18），热流喷管（18）的入口与涡流管（3）的内管壁齐平，热流喷管（18）沿涡流管中心对称布置，热流喷管（18）出口安装有热流喷嘴（24），每个热流喷嘴（24）沿所述沉积硫清除器的前进方向一侧安装有三角刀片（25）。

2.根据权利要求1所述的用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，其特征在于：所述的引气管（1）的进口端的外壁上安装有密封皮碗总成（7），密封皮碗总成（7）和密封盲板（9）之间的管壁上布置有多个引气孔（8）。

3.根据权利要求2所述的用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，其特征在于：所有引气孔（8）的总面积与待清理管道（26）的截面积的比值不大于10%。

4.根据权利要求1所述的用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，其特征在于：所述的涡流室（2）的外壁上布置有多个进气口（10），涡流室（2）内部沿切向布置有多个进气道（11），涡流室（2）内的涡流管（3）的外缘对应该若干进气道（11）而沿切向布置有多个进气孔，所述进气孔对应与所述进气道（11）连通，多个进气道（11）沿涡流管（3）的中心对称布置，进气道（11）的截面形状为矩形。

5.根据权利要求1所述的用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，其特征在于：所述的涡流管（3）上所有热流喷管（18）的截面积之和小于热流调节喷嘴（6）的出口的面积。

6.根据权利要求1所述的用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，其特征在于：所述的传热管（4）靠近涡流室（2）的一侧的外壁上安装有密封皮碗总成（7），传热管（4）靠近热流喷管（18）一侧的外壁上安装有支撑轮总成（17），支撑轮总成（17）的数目至少为3个，多个支撑轮总成（17）沿传热管（4）的中心轴线均匀布置，支撑轮总成（17）和密封皮碗总成（7）之间的传热管（4）外壁上依次安装有螺旋刀片（16）和钢刷盘（12），传热管（4）与涡流管（3）之间的环形空隙内填充有导热油（23），传热管（4）的管壁向上方向分别设有导热油加注孔（13）和补气孔（14），导热油加注孔（13）和补气孔（14）由密封塞（15）封堵。

7.根据权利要求6所述的用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，其特征在于：所述螺旋刀片（16）在传热管（4）的外壁上绕制的圈数至少为1圈。

8.根据权利要求1所述的用于高含硫集输管道的沉积硫清除器，其特征在于：所述的引射喷管（5）的入口端与传热管（4）的尾部之间通过螺纹连接，引射喷管（5）的流道形状为渐缩渐扩结构，引射喷管（5）的喉部安装有抽吸软管（21），抽吸软管（21）的末端安装有配重抽吸头（22），引射喷管（5）的出口端安装有射流喷嘴（20）。