水下分离器设计标准的研究

秦 蕊 ， 李清平 ， 林 林 ， 朱生东

(1.中海油研究总院，北京 100027；2.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000)



水下分离器设计标准的研究

秦 蕊1， 李清平1， 林 林2， 朱生东2

(1.中海油研究总院，北京 100027；2.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000)

通过对水下分离器相关设计标准/规范的研究，为水下分离器的国产化设计提供技术支持。考虑水下分离器使用环境的特殊性，对DNV RP F301、GB 150、ASME Ⅷ三个标准/规范从适用范围、许用应力规定、壁厚计算等方面进行比较分析，研究结果表明水下分离器的设计需以DNV-RP-F301水下分离器标准为总的指导原则和设计基础，以ASME Ⅷ压力容器规范为水下分离器的强度设计标准。

水下分离器；设计标准；许用应力；壁厚计算

0 引言

随着海上油气田数量的迅速增加，水下新技术的应用也越来越多，如水下分离技术、水下增压技术等。为了解决油气田生产后期储层压力降低，产出水增加的问题，多采用水下分离技术，即安装水下分离器。目前，水下分离器设计的关键技术主要掌握在国外三大厂家(FMC、Cameron和GE)手中，我国水下分离器设计的国产化研究(包括设计、材料、加工等方面)则刚刚起步。

水下分离器一般安装在水下管汇的下游，是将生产流体进行水下分离的一种水下设备。由于水下分离器使用环境的特殊性，即外部环境条件是低温、高压，内部流体特性是高温、高压，因此，其在设计时需要遵循相关的水下标准。

1 水下分离器的安装位置

在传统的水下生产系统中，分离设备通常安装在上部平台上，而在当前水下生产系统的设计中，则将分离设备布置在水下，传统水下生产系统流程与当前水下生产系统流程如图1、图2所示。

图1 传统水下生产系统流程图

图2 当前水下生产系统流程图

图3 水下分离器

水下分离器的结构复杂，包括分离器筒体、管道、阀门、仪表、框架等部件，图3为Tordis油田的水下分离器[1]。

2 水下分离器的设计标准

目前，关于水下分离器设计的专门标准只有DNV-RP-F301水下分离器设计标准，该标准包括海底分离器(用于深水)的设计、制造、测试和认证过程的一般要求，主要适用于石油和天然气工业中安装在深水的海底分离器。

考虑水下分离器使用环境的特殊性，可以采用压力容器的设计方法进行水下分离器的设计，即需遵循GB 150压力容器标准或者ASME Ⅷ压力容器规范的要求。同时，水下分离器作为水下生产系统中的一个关键设备，其设计也应遵循相关的水下标准和规范，如ISO 13628、GB/T 21412和API 17的水下标准。

3 标准对比

通过调研国内外的标准/规范，经过研究、对比后得出水下分离器的设计标准主要依据以下三个标准/规范进行：DNV-RP-F301水下分离器标准、GB 150压力容器标准、ASME Ⅷ压力容器规范。下面主要从适用范围、许用应力规定、壁厚计算三个方面将三个标准/规范进行比较、分析。

3.1 适用范围

(1) DNV-RP-F301水下分离器标准

DNV-RP-F301水下分离器标准主要适用于深水安装的水下油气生产分离器[2]。DNV-RP-F301水下分离器标准重点关注了水下分离器的安全设计原则，为了保证深水水下分离器的完整性，其安全设计原则包含不同方面的内容，如设计原则和质量保证、建造要求和操作考虑、系统检查和安全目的。

(2) GB 150压力容器标准

GB 150压力容器标准基本上是按照压力容器类型及容器主体材料来分别制订相应的标准，如钢制压力容器、铝制压力容器、卧式容器、塔式容器、铝制焊接容器等[3]。对于钢制容器来说，适用的设计压力不大于35 Mpa。

(3) ASME Ⅷ压力容器规范

ASME Ⅷ是有关压力容器的总体要求，为压力容器的设计、材料选择、制造、检查、监测、测试以及认证都提供了依据[4]。ASMEⅧ压力容器规范是根据不同的载荷规定引用不同的设计规范，如设计压力小于20 MPa的选用ASME规范第Ⅷ卷第一分册，设计压力小于70 MPa的选用ASME规范第Ⅷ卷第二分册，设计压力大于70 MPa的选用ASME规范第Ⅷ卷第三分册。

3.2 许用应力规定

(1) GB 150压力容器标准

GB 150压力容器标准中规定材料的许用应力按表1的规定来选取[3]。

表1 GB 150压力容器标准规定的许用应力表

(2)ASMEⅧ压力容器规范

ASMEⅧ压力容器规范中规定在蠕变/断裂温度范围以下，材料的许用应力取下列情况的最低值[4]：(1) 室温下规定的最小抗拉强度的1/4；(2)ASME规定温度下抗拉强度的1/4；(3) 在室温下，规定的最小屈服强度的2/3；(4)ASME规定温度下屈服强度的2/3。

此外，对奥氏体不锈钢、镍和镍合金，有两套许用应力值，对容许有稍大的变形之处可采用较高值温度下屈服强度前的系数可以从2/3增加到0.9。

以水下分离器选用X70钢材料为例来确定其许用应力。X70钢的最小屈服强度为485MPa，最小抗拉强度为570MPa。根据GB150压力容器标准的规定，X70钢的许用应力为323.33MPa，根据ASMEⅧ压力容器规范的规定，X70钢的许用应力为142.5MPa，即对于同一种材料来说，ASMEⅧ压力容器规范所规定的许用应力较小。从水下分离器强度设计和可靠性设计的角度出发，应选ASMEⅧ压力容器规范所规定的许用应力值进行水下分离器的设计。

3.3 壁厚计算公式

(1) GB 150压力容器标准

GB 150压力容器标准中规定，当P≤0.4[σ]φ时，以内径为基础的圆筒壁厚设计公式如下[3]：

以外径为基础的圆筒壁厚设计公式如下：

式中：δ为壁厚，mm；P为设计压力，MPa；D为圆筒直径，mm；[σ]为许用应力，MPa；φ为焊接接头系数。

(2)ASMEⅧ压力容器规范

ASMEⅧ压力容器规范中，规定以内径为基础的圆筒所需壁厚的设计公式如下[4]：

以外径为基础的圆筒所需壁厚设计公式为：

式中：δ为壁厚，mm；P为设计压力，MPa；R为圆筒内半径，mm；S为许用应力，MPa；E为质量系数。

以水下分离器选用X70钢材料为例来进行壁厚计算。水下分离器的设计压力设为10MPa，筒体直径为305mm，X70钢材料的许用应力为142.5MPa，钢材的焊接接头系数、质量系数均为1，壁厚计算结果见表2。

表2 壁厚计算结果

根据计算结果可以看出，ASME Ⅷ压力容器规范的壁厚计算值相对较大。从水下分离器的强度设计要求和安全可靠性方面来考虑，应选ASME Ⅷ压力容器规范作为水下分离器设计计算的标准/规范依据。

4 水下分离器设计的引用标准

水下分离器结构复杂，在进行设计时，除需遵循通用规范外，针对具体的结构还应遵循相关的专业标准或规范。

4.1 管道设计标准

水下分离器的管道设计除可以遵循ASME Ⅷ压力容器规范的要求外，还可以参照压力管道和海底管道的设计标准，如ASME B31.3、DNV-OS-F101等标准。其中ASME B31.3是有关工艺管道的相关规范，主要为炼油、化工以及相关的工艺流程装置和终端设备中的管道提供设计、制造检验等标准[5]；DNV-OS-F101海底管道标准则给出了海底管道系统的概念开发、设计、结构、操作和废弃的指导[6]。

对于水下分离器的相关配管设计，可以选用ASME B31.3作为设计、制造、检验、试验所遵循的规范。但对于水下分离器管道的应力分析，ASME B31.3并没有完全涵盖，可以按照DNV-OS-F101的规定，使用CAESAR软件或者采用EN13480标准进行管道应力分析，此项也应作为配管设计的一个必要环节。

4.2 水下分离器的标准引用体系

通过研究，对比、分析水下分离器设计的相关标准/规范，水下分离器各组成构件的标准引用体系见表3。

表3 水下分离器系统各子系统的标准引用体系

其中：●表示选用的标准，○表示有标准但没有采用，×表示没有或未知相关的标准

5 结论

通过对水下分离器相关设计标准/规范的分析比较，得出水下分离器整体的设计、制造、检验所需遵循的标准/规范，即以DNV-RP-F301水下分离器标准为总的指导原则和设计基础，以ASME Ⅷ压力容器规范为水下分离器强度设计的标准。对于水下分离器的阀、仪表、管道等构件除需遵循DNV-RP-F301水下分离器标准和ASME Ⅷ压力容器规范外，还需遵循相关专业标准、规范的要求。

另外，还需特别考虑以下两个问题：

(1) 材料类别：水下分离器工作在海底高压低温的环境中，其材料的选择要满足一定的强度和稳定性。按照DNV-RP-F301要求，水下分离器的材料如选择碳钢时，则其最小屈服强度为555 MPa或者选用双向不锈钢(铁素体-奥氏体)22Cr或25Cr。

(2) 防腐方法：设计水下分离器时需要考虑的腐蚀因素主要有两类，一类是筒体内滞留的流体腐蚀，另一类是由于海洋环境引起的腐蚀，比如外部流体、缝隙腐蚀等。目前，NACE MR0175对于金属材料的腐蚀防护方法有以下几种：使用耐蚀合金钢管材、使用涂镀层油管、注入缓蚀剂、阴极保护等[7]。

[1] Van K V.Rune Fantoft, CDS Engineering and Chris Shaw and Henning Gruehagen, FMC Technologies. Comparison of Subsea Separation Systems[C]. OTC 20080, Presentation at the 2009 Offshore Technology Conference held in Houston, Texas, USA, 2009.

[2] DNV-RP-F301.水下分离器设计标准[S].2007.

[3] GB 150.压力容器标准[S]. 2011.

[4] ASME Ⅷ. 压力容器规范[S]. 2010.

[5] ASME B31.Process Piping[S]. 2010.

[6] DNV-OS-F101.Submarine Pipeline Systems[S]. 2010.

[7] NACE MR0175, Petroleum and natural gas industries-Materials for use in H2S- containing environments in oil and gas production-Part 1: General principles for selection of cracking-reslstant materials[S]. 2009.

Study on the Design Standards of Subsea Separator

QIN Rui1, LI Qing-ping1, LIN Lin2, ZHU Sheng-dong2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China;2. CNOOC Deepwater Development Ltd, Guangdong Zhuhai 519000, China)

By study the relevant design standards of subsea separator, a technical support for the domestic design of subsea separator is provided. Considering the particularity environment of subsea separator, a comparison among DNV-RP-F301, GB 150 and ASME Ⅷ is made. The comparison includes the scope, the provision of the allowable stress and wall thickness calculation. The results show that DNV-RP-F301 subsea separator standard should be taken as the general guiding principles and design basis, and ASME Ⅷ Boiler and Pressure Vessel Code have to be taken to the strength design of subsea separator.

subsea separator; design standards; allowable stress; wall thickness calculation

2015-02-12

国家科技重大专项子课题“水下气液旋流分离器缩尺样机研制”(2011ZX05026-004-01)；课题“荔湾3-1周边气田回接及后期湿气增压方案概念研究”(2014KYDD-001)。

秦 蕊(1985-)，女，博士。

1001-4500(2015)03-0011-05

P751

A