CN110735628B - 一种全通径管道式除砂装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全通径管道式除砂装置。包括流向调整入口、旋流除砂段和流向调整出口，所述流向调整入口和旋流除砂段之间以及旋流除砂段和流向调整出口之间均设置隔板，流向调整入口为流向调整入口内筒与流向调整入口外筒相互嵌套形成的结构，旋流除砂段为旋流段外筒与旋流段内筒相互嵌套形成的结构，旋流段外筒与旋流段内筒之间形成的环形空间入口端设置双螺旋管，双螺旋管下游旋流除砂段外筒底部开有均匀排列的排砂孔，正常除砂过程时，隔板为隔离盲板，清管情况下，隔板为全通径垫板。使用本发明技术时除砂装置的安装方式与普通阀门相同，可水平或者竖直方向安装，不占用额外空间，不需要辅助设施，且分离效率高，可在高效分离出油气中固体杂质的同时，清理砂的过程中不影响管道的正常输送。

Description

一种全通径管道式除砂装置

技术领域

本发明属于离心分离与流动保障技术领域，涉及一种全通径管道式除砂装置。

背景技术

天然气的特性决定了天然气管输较之其他输送方式更加经济可靠，是目前陆上天然气输送的主要方式。天然气输送系统中的液体和固体杂质主要来源包括：采气时井下带来的凝析油、凝析水、岩屑粉尘；管道施工时留下的脏物和残渣；管内的铁屑和腐蚀产物。

砂和铁锈等尘粒随高速气流运动会对管道内壁造成强烈磨蚀，压缩机作为输气过程中的主要动力设备其叶轮高速旋转过程中对固体杂质的含量要求高度严苛，其余计量仪表也往往容易因固体颗粒的磨损造成仪表计量不准甚至失效。一般在集气站、压气站、配气站、调压计量站等处设分离器、除尘器以及过滤器用于脱出天然气中携带的各类固(液)杂质，其中重力式分离器和旋风分离器得到了较广泛的应用。

站场除砂流程复杂、占地面积大，需要各种配套设施来保证分离除尘过程的顺利进行；对于长输管道而言站场与站场之间的管道往往多达几十公里甚至更长，这期间支管道携带而来以及管道自身产生的腐蚀产物等固体杂质难以及时得到处理。

利用螺旋结构进行除砂的相关装置已有先例，如申请号为96118733.6的中国专利，公开了一种原油井口管流除砂器，其包括一螺旋管线，螺旋管线的端口配置一出砂口，管线与出砂口的交汇处配置一楔片，能够借助油井剩余能量而无需外加驱动力从管道中直接除砂。申请号为201410815080.6的中国专利，公开了一种螺旋除砂器，其包括螺旋分离管、出砂口短节、置换储砂罐和螺旋分离管安装架，螺旋分离管下端进料口与井底返排液管路连接，上端出液口与地面集水管路连接，所述螺旋分离管外周面上开设有若干个阻挡式出砂口，各出砂口通过管路与密闭式置换储砂罐连通，置换储砂罐底部开设有排砂口；井底含砂反排液从螺旋分离管下端进料口进入，顺着螺旋分离管高速盘旋向上流动，离心力作用下，反排液中的砂粒被甩向螺旋分离管内壁外周面，从出砂口排入置换储砂罐，螺旋分离管与置换储砂罐密闭连通，压力平衡，借助离心力将砂粒排入置换储砂罐置换出其中的液体，液体部分从螺旋分离管上端出口排入地面集水管路，实现砂液分离。但这些技术虽然利用了螺旋管的旋流场对固体杂质的分离能力，但结构过于粗糙，形式不够合理，安装过于复杂，尤其是砂的分出段采用在螺旋管上开孔形式，首先这种方式的开口数量受到很大的限制，其次开孔位置对砂的分离同样有很大的影响，分离效果不好。

在消除天然气管道中天然气所含固体杂质的同时，应考虑到天然气管道清管时清管球通过除砂装置时的操作方法。

发明内容

本发明是针对现有技术安装复杂和分离效果差等缺点而提供一种全通径管道式除砂装置，使用本发明技术可高效分离出天然气中固体杂质的同时，方便清管过程中清管器的通过。

本发明提供一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：该除砂装置包括流向调整入口、旋流除砂段和流向调整出口，所述流向调整入口和旋流除砂段之间以及旋流除砂段和流向调整出口之间均设置隔板，流向调整入口为流向调整入口内筒与流向调整入口外筒相互嵌套形成的结构，流向调整入口内筒与流向调整入口外筒同轴心布置，流向调整入口内筒的入口端为天然气进口，流向调整入口内筒伸入到流向调整入口外筒内部的部分上布满圆孔，流向调整入口外筒一端为流向调整入口内筒的安装口，另一端为流向调整入口的流向调整段出口，旋流除砂段为旋流段外筒与旋流段内筒相互嵌套形成的结构，旋流段外筒与旋流段内筒之间形成的环形空间入口端设置双螺旋管，双螺旋管下游旋流除砂段外筒底部开有均匀排列的排砂孔，正常除砂过程时，隔板为隔离盲板，清管情况下，隔板为全通径垫板。

本发明进一步技术特征在于：所述流向调整入口内筒上圆孔呈正三角形或者矩形均匀布置，圆孔的开孔直径在10～50mm之间，开孔率在50％～60％之间，开孔面积之和为1～3倍的流向调整入口内筒的截面面积。

本发明进一步技术特征在于：所述排砂孔沿流动方向看所占圆周角度α在 45°～60°，排砂孔的直径为20～30mm之间，相邻两个排砂孔之间的间距为 0.5～2倍排砂孔直径，沿旋流除砂段的流动方向上排砂孔所占的长度为1～2 倍旋流除砂段内径。

本发明进一步技术特征在于：所述双螺旋管为轴对称双螺旋管结构，包括双螺旋管入口和双螺旋管出口，双螺旋管入口为平齐截面，其上为轴对称的两个螺旋管入口，入口形状为螺旋管和垂直于螺旋管轴线的平面相贯穿形成的截面形状，双螺旋管出口和双螺旋管入口形式完全相同。

本发明进一步技术特征在于：所述双螺旋管螺旋角度在15°～25°之间，螺旋圈数为6～10圈，双螺旋管内的气相流速为10～40m/s，液相流速为3～ 10m/s。

本发明进一步技术特征在于：所述除砂装置还包括储砂室，所述排砂孔连通储砂室，储砂室顶部沿流动方向看为半圆形结构并与旋流除砂段底部配合，储砂室底部为可拆卸平板结构。

本发明进一步技术特征在于：所述流向调整入口外筒一端固定于流向调整入口内筒的外壁，采用焊接方式形成密封，另一端为流向调整入口的流向调整段出口，流向调整段出口和双螺旋管进口相互配合采用法兰连接。

本发明进一步技术特征在于：所述全通径垫板中间开设流通孔，流通孔的直径和天然气长输管道相同，边缘按圆周角度均匀开设螺栓孔，螺栓孔设置12～ 36个。

本发明进一步技术特征在于：所述隔离盲板中间为实心圆板，边缘为环形板，实心圆板和环形板之间设置开孔，开孔位置对应旋流段外筒与旋流段内筒之间形成的环形空间，中间的实心圆板与边缘的环形板之间设肋板起连接与加强作用，肋板个数取6～12个，边缘按圆周角度均匀开设螺栓孔，螺栓孔设置 12～36个。

本发明储砂室主要用于固体杂质的储存，在实际运行过程中为一个流动死区，储砂室底板采用可拆卸设计，以方便定期清理储砂室内部的沉积砂。

采用上述的全通径管道式除砂装置对天然气进行除砂的方法是，含有固体杂质的天然气经流向调整入口内筒上的流通圆孔进入流向调整入口内筒与外筒之间的的环形空间；环形空间的天然气进入旋流除砂段的双螺旋管内做螺旋运动，在螺旋流道内固体杂质由于离心力的作用向双螺旋管内壁面外侧运移；流出双螺旋管后，运移到旋流除砂段外筒体内壁面的固体杂质经排砂圆孔进入储砂室进行储存；除砂之后不含有固体杂质的天然气进入流动调整出口内筒与外筒之间的的环形空间后经内筒上的流通圆孔进入流动调整出口内筒后流向下游。正常除砂过程中流向调整入口与旋流除砂段以及流向调整出口与旋流除砂段之间的隔板为隔离盲板，在清管器通过时更换为全通径垫板。

本发明与现有技术相比具有的优点为：(1)本发明采用双螺旋管离心分离的方式，分离方式高效，分离效率高；(2)本发明结构内部不采用任何过滤构件，可以永久性解除除砂装置内部堵塞的困扰；(3)本发明安装方式与普通阀门相同，可水平或者竖直方向安装，不占用额外空间，不需要辅助设施；(4) 本发明全通径结构方便了清管器的通过，对除砂装置的旁路不需要再做清管器通过的格外要求，简化了旁路设计。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的结构布局和运行流程等作进一步的详细说明，但并不限制本发明的范围。

附图说明

图1是本发明一种全通径管道式除砂装置结构示意图。

图2是本发明一种全通径管道式除砂装置旋流除砂段结构图。

图3是本发明一种全通径管道式除砂装置双螺旋管入口与出口局部视图。

图4是图1中A-A向截面视图。

图5是本发明一种全通径管道式除砂装置旋流除砂段三维视图。

图6本发明一种全通径管道式除砂装置双螺旋管三维视图。

图7是本发明一种全通径管道式除砂装置流向调整入口结构图。

图8是本发明一种全通径管道式除砂装置流向调整入口三维视图。

图9是本发明一种全通径管道式除砂装置全通径垫板结构图。

图10是本发明一种全通径管道式除砂装置隔离盲板结构图。

图1～10中相同附图标记表示相同的技术特征。

其中，图1～10中：1-流向调整入口，1.1-天然气进口，1.2-流向调整入口内筒，1.3-流向调整入口外筒，1.4-流向调整段出口，2-旋流除砂段，2.1- 双螺旋管进口，2.2-双螺旋管出口，2.3-双螺旋管，2.4-旋流段外筒，2.5-旋流段内筒，2.6-旋流分砂段出口，2.7-排砂孔，2.8-储砂室，3-流向调整出口，4-隔板，4.1-全通径垫板，4.2-隔离盲板。

具体实施方式

参见附图1～10，本发明一种全通径管道式除砂装置，包括流向调整入口1、旋流除砂段2和流向调整出口3，三者按流体流动顺序连接形成，所述流向调整入口1和旋流除砂段2之间以及旋流除砂段2和流向调整出口3之间均设置隔板4，流向调整入口1为流向调整入口内筒1.2与流向调整入口外筒1.3相互嵌套形成的结构，流向调整入口内筒1.2与流向调整入口外筒1.3同轴心布置，流向调整入口内筒1.2的入口端为天然气进口1.1，流向调整入口内筒1.2伸入到流向调整入口外筒1.3内部的部分上布满圆孔，流向调整入口外筒1.3一端为流向调整入口内筒1.2的安装口，另一端为流向调整入口1的流向调整段出口1.4。流向调整入口1和流向调整出口3结构完全相同，安装位置分别位于旋流除砂段2的入口和出口。旋流除砂段2为旋流段外筒2.4与旋流段内筒2.5 相互嵌套形成的结构，旋流段外筒2.4与旋流段内筒2.5之间形成的环形空间入口端设置双螺旋管2.3，双螺旋管2.3下游旋流除砂段外筒2.4底部开有均匀排列的排砂孔2.7，正常除砂过程时，隔板4为隔离盲板4.2，清管情况下，隔板4为全通径垫板4.1。

所述流向调整入口内筒1.2上圆孔呈正三角形或者矩形均匀布置，圆孔的开孔直径在10～50mm之间，开孔率在50％～60％之间，开孔面积之和应位于1～ 3倍的流向调整入口内筒1.2的截面面积之间，开孔为流向调整入口内筒1.2 内的天然气流向流向调整入口内筒1.2与流向调整入口外筒1.3形成环形空间的通道。

所述旋流除砂段2为两端带有法兰接头的双圆筒结构；双螺旋管形成螺旋流道，所述排砂孔2.7作为固液杂质的通道连接旋流除砂段外筒2.4与储砂室2.8，沿流动方向看排砂孔2.7所占圆周角度α应在45°～60°，排砂孔2.7 的直径应位于20～30mm之间，相邻两个排砂孔2.7之间的间距约为0.5～2倍的自身直径，沿旋流除砂段2的流动方向上排砂孔2.7所占的长度约为1～2倍的旋流除砂段2内径。

所述双螺旋管2.3为轴对称双螺旋管结构，包括双螺旋管入口2.1和双螺旋管出口2.2，双螺旋管入口2.1为平齐截面，其上为轴对称的两个螺旋管入口，入口形状为螺旋管和垂直于螺旋管轴线的平面相贯穿形成的截面形状，双螺旋管出口2.2和双螺旋管入口2.1形式完全相同；螺旋角度的选取应避免过小造成的双螺旋结构碰撞以及过大使双螺旋管2.3占用的空间过长，角度范围在 15°～25°之间较为合适；螺旋圈数的选取原则为保证固体杂质在双螺旋管2.3 内足够的运移时间，一般位于6～10圈之间；螺旋管径的确定与螺旋圈数的选取综合考虑，且应考虑到固体杂质对管内壁的磨蚀，双螺旋管2.3内的气相流速一般位于10～40m/s,液相流速一般位于3～10m/s。

所述排砂孔2.7连通储砂室2.8，储砂室2.8顶部沿流动方向看为半圆形结构从而与旋流除砂段2底部形成良好配合，储砂室2.8底部为可拆卸平板结构，储砂室2.8与旋流除砂段2通过排砂圆孔2.8进行连通，储砂室2.8的封闭空间用于储存旋流除砂段2分离而来的固液杂质，其空间大小应适中，过小则处理周期太短，太大则使得整个除砂装置过于笨重，应控制处理周期在2～6个月左右。

流向调整入口外筒1.3一端固定于流向调整入口内筒1.2的外壁，采用焊接方式形成良好密封，另一端为流向调整入口1的流向调整段出口1.4，流向调整段出口1.4和双螺旋管进口2.1相互配合采用法兰连接。流向调整入口1和流向调整出口3结构完全相同，安装位置分别位于旋流除砂段2的入口和出口。

除砂流程时天然气经天然气进口1.1进入流向调整入口内筒1.2后经流向调整入口内筒1.2上的圆孔流向调整入口内筒1.2与流向调整入口外筒1.3形成环形空间，之后流向旋流除砂段的双螺旋管入口2.2，这时流向调整入口1 与旋流除砂段2之间的隔板为隔离盲板4.2；清管流程时天然气直接经流向调整入口1的流向调整入口内筒1.2流向旋流分砂段内筒2.6，这时流向调整入口1 与旋流除砂段2之间的隔板更换为全通径垫板4.1。

隔板4分为两种，一种为全通径垫板4.1，中间开设流通孔作为清管工况时清管球的通道，流通孔的直径和天然气长输管道相同，边缘按圆周角度均匀开设螺栓孔，螺栓孔一般设置12～36个；另一种为隔离盲板4.2，中间为实心圆板，边缘为环形板，实心圆板和环形板直接按设置开孔，开孔位置对应旋流段外筒2.4与旋流段内筒2.5之间形成的环形空间，作为天然气在环形空间流通时的通道，中间的实心圆板与边缘的环形板之间设肋板起连接与加强作用，肋板个数一般取6～12个，边缘按圆周角度均匀开设螺栓孔，螺栓孔一般设置12～ 36个，除砂工况时对天然气起到隔离作用。

本发明各部件的材料一般为不锈钢(例如304不锈钢)，部件之间的连接一般采用焊接。

如图1所示，本发明一种全通径管道式除砂装置的简单工作过程为：含有固体杂质的天然气经流向调整入口内筒1.2上的流通圆孔进入流向调整入口内筒1.2与外筒1.3之间的的环形空间；环形空间的天然气进入旋流除砂段2的双螺旋管2.3内做螺旋运动，在螺旋流道内固体杂质由于离心力的作用向双螺旋管2.3内壁面外侧运移；流出双螺旋管2.3后，运移到旋流除砂段外筒2.4 内壁面的固体杂质经排砂孔2.7进入储砂室2.8进行储存；除砂之后不含有固体杂质的天然气进入流动调整出口3内筒与外筒之间的的环形空间后经内筒上的流通圆孔进入流动调整出口内筒后流向下游。正常除砂过程中流向调整入口1 与旋流除砂段2以及流向调整出口3与旋流除砂段2之间的隔板为隔离盲板 4.2，在清管器通过时更换为全通径垫板4.1。

Claims (9)

1.一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：该除砂装置包括流向调整入口(1)、旋流除砂段(2)和流向调整出口(3)，三部分依次连接，流向调整入口(1)和流向调整出口(3)结构完全相同，安装位置分别位于旋流除砂段(2)的入口和出口，旋流除砂段(2)为两端带有法兰接头的双圆筒结构，所述流向调整入口(1)和旋流除砂段(2)之间以及旋流除砂段(2)和流向调整出口(3)之间均设置隔板(4)，流向调整入口(1)为流向调整入口内筒(1.2)与流向调整入口外筒(1.3)相互嵌套形成的结构，流向调整入口内筒(1.2)与流向调整入口外筒(1.3)同轴心布置，流向调整入口内筒(1.2)的入口端为天然气进口(1.1)，流向调整入口内筒(1.2)伸入到流向调整入口外筒(1.3)内部的部分上布满圆孔，流向调整入口外筒(1.3)一端为流向调整入口内筒(1.2)的安装口，另一端为流向调整入口(1)的流向调整段出口(1.4)，旋流除砂段(2)为旋流段外筒(2.4)与旋流段内筒(2.5)相互嵌套形成的结构，旋流段外筒(2.4)与旋流段内筒(2.5)之间形成的环形空间的入口端设置双螺旋管(2.3)，双螺旋管(2.3)下游的旋流段外筒(2.4)底部开有均匀排列的排砂孔(2.7)，正常除砂过程时，隔板(4)均为隔离盲板(4.2)，所述隔离盲板(4.2)中间为实心圆板，边缘为环形板，实心圆板和环形板之间设置开孔，开孔位置对应旋流段外筒(2.4)与旋流段内筒(2.5)之间形成的环形空间，流向调整入口(1)中的流向调整段出口(1.4)通过流向调整入口(1)和旋流除砂段(2)之间的隔离盲板(4.2)的开孔与旋流除砂段(2)的双螺旋管(2.3)一端连通，双螺旋管(2.3)的另一端通过旋流除砂段(2)和流向调整出口(3)之间的隔离盲板(4.2)的开孔与流向调整出口(3)连通，含有固体杂质的天然气经流向调整入口内筒(1.2)上的圆孔进入流向调整入口内筒(1.2)与流向调整入口外筒(1.3)之间的环形空间；然后进入旋流除砂段(2)的双螺旋管(2.3)内做螺旋运动，在螺旋流道内固体杂质由于离心力的作用向双螺旋管(2.3)内壁面外侧运移；流出双螺旋管(2.3)后，运移到旋流段外筒(2.4)内壁面的固体杂质经排砂孔(2.7)排出；除砂之后不含有固体杂质的天然气进入流向调整出口(3)的内筒与外筒之间的环形空间后经流向调整出口(3)的内筒上的圆孔进入流向调整出口(3)的内筒后流向下游；清管情况下，隔板(4)均为全通径垫板(4.1)，所述全通径垫板(4.1)中间开设流通孔，流通孔的直径和天然气长输管道相同。

2.根据权利要求1所述的一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：所述流向调整入口内筒(1.2)上圆孔呈正三角形或者矩形均匀布置，圆孔的开孔直径在10～50mm之间，开孔率在50％～60％之间，开孔面积之和为1～3倍的流向调整入口内筒(1.2)的截面面积。

3.根据权利要求1所述的一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：所述排砂孔(2.7)在旋流段外筒(2.4)的垂直于旋流段外筒(2.4)的流动方向的截面上所占圆周角度α在45°～60°，排砂孔(2.7)的直径为20～30mm之间，相邻两个排砂孔(2.7)之间的间距为0.5～2倍的排砂孔(2.7)直径，沿旋流除砂段(2)的流动方向上排砂孔(2.7)所占的长度为1～2倍旋流除砂段(2)内径。

4.根据权利要求1所述的一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：所述双螺旋管(2.3)为轴对称双螺旋管结构，包括双螺旋管入口(2.1)和双螺旋管出口(2.2)，双螺旋管入口(2.1)为平齐截面，其上为轴对称的两个螺旋管入口，入口形状为螺旋管和垂直于螺旋管轴线的平面相贯穿形成的截面形状，双螺旋管出口(2.2)和双螺旋管入口(2.1)形式相同。

5.根据权利要求1或4所述的一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：所述双螺旋管(2.3)螺旋角度在15°～25°之间，螺旋圈数为6～10圈，双螺旋管(2.3)内的气相流速为10～40m/s，液相流速为3～10m/s。

6.根据权利要求1所述的一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：所述除砂装置还包括储砂室(2.8)，所述排砂孔(2.7)连通储砂室(2.8)，储砂室(2.8)底部为可拆卸平板结构。

7.根据权利要求4所述的一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：所述流向调整入口外筒(1.3)一端固定于流向调整入口内筒(1.2)的外壁，采用焊接方式形成密封，另一端为流向调整入口(1)的流向调整段出口(1.4)，流向调整段出口(1.4)和双螺旋管入口(2.1)相互配合采用法兰连接。

8.根据权利要求1所述的一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：所述全通径垫板(4.1)外边缘按圆周角度均匀开设螺栓孔，螺栓孔设置12～36个。

9.根据权利要求1所述的一种全通径管道式除砂装置，其特征在于：所述隔离盲板(4.2)中间的实心圆板与边缘的环形板之间设肋板起连接与加强作用，肋板个数为6～12个，环形板边缘按圆周角度均匀开设螺栓孔，螺栓孔设置12～36个。

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