石油和天然气PTFE隔膜适用于最大压力

作者：Lewa    来源：《世界泵业》

欢迎访问e展厅 展厅 2 真空设备/泵展厅 水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ... 一种适用于最高压力的创新泵头具有带特殊装夹的聚四氟乙烯隔膜，这正是该产品的特点。因为如此，它比传统金属隔膜泵头具有更高的成本效益。在石油天然气领域的最新应用中，该产品提供了极高的压力。《世界泵业》与里瓦公司的Martin Dreher针对这个产品进行了交流。 里瓦公司（Lewa）研发出一种带有PTFE隔膜的创新高压泵头，适用于最高的压力。这是一种有异于现有泵产品的流程隔膜泵泵头。 虽然这种泵头是为普通高压应用而设计的，但它的一个典型应用是向石油和天然气井中压注化学抑制剂，来防止井口管道内水合物的形成。在石油和天然气领域，天然气水合物简称为水合物（典型的有甲烷水合物）。这些看起来像冰块一样的结晶体由许多天然气分子聚合而成，其中，每一个天然气分子都被水分子包围。 水合物会在钻井、未经处理的天然气流、钻柱以及加工设备内形成。当有湿气存在时，它们还会迅速地在天然气管道内形成，容易造成油气管道或天然气管道的堵塞。在最好的情况下，水合物的形成会导致流量减小，设备发生关闭与重启（间歇性地工作）。这些后果都是严重的安全隐患。通常，必须采取代价巨大的补救措施才能使管道恢复正常的工作状态。因此，石油和天然气行业总要耗费大量的资金来预防水合物的形成。 随着深海油气田以及与它们相关的极高压力的出现，水合物形成的问题变得更加紧要。因为，这样的深海油气田提供了利于水合物快速形成的绝佳条件。尤其值得关注的一个问题是，从井口到生产平台的多相输送管线因为所处的海底温度低且工作压力高，因此而增加了堵塞的风险。 有多种方法可以保持工作压力和温度，远离水合物形成所需的理想条件，其中非常有效的一种办法是添加化合物（抑制剂）来改变混合物的特性。石油和天然气管道都需要添加一些抑制剂，特别是在深海环境中。通常，天然气管道不隔热，需要持续不断地进行化学抑制，而石油管道往往只在启动和关闭重起阶段需要添加抑制剂。但是，对于长出油管（回接管道），则可能仍需持续不断地进行抑制。 目前，避免天然气水合物问题困扰的大部分方法都是基于单一技术或是多种技术的组合。其中，比较常见的一种方法是注入热力学水合物抑制剂（THI）。应用最普遍的几种控制水合物化学添加剂包括乙醇、甲醇、乙二醇或三甘醇等醇类物质。这些抑制剂改变了水合物的形成曲线，有效地降低了可耐受温度，提高了可耐受压力。 其他的方法包括使用动力学水合物抑制剂（KHI），以及抗凝聚剂（AA）。前者能够延缓水合物的成核及生长；后者可使天然气水合物在形成时变成非常微小、没有粘性的微粒，易于分散在水或者液烃中。 这些方法大部分都用到了隔膜泵。实际的选用取决于压力和流速，它们影响着PTFE隔膜泵头或金属隔膜泵头的选用。在里瓦公司的案例中，该公司的ecoflow系列泵产品能够满足大部分采用动力学水合物抑制剂和抗凝聚剂方法的需要。而对于热力学水合物抑制剂注入法所要求的大流量应用，则适合采用流程泵。抑制剂的泄露会对环境产生不利影响，因此通常优先考虑带有防渗漏配件的泵产品。 在目前及今后的一段时期内，水合物抑制技术仍将继续在石油和天然气品质保证中发挥巨大的作用，因为越来越多的深海油气田已被勘探出来或者已经投产，而它们都具有适合水合物形成的理想环境。这种趋势足以令像里瓦这样的专业泵制造商对前景感到乐观，因为今后在石油和天然气的水合物抑制中将更多地用到往复泵。正因如此，该公司设计了一款高压PTFE隔膜泵头。 流程隔膜泵 这种流程隔膜泵属于往复式正排量泵（图1），能够安全、密闭地输送高压流体介质。通常，其泵头适合于最大压力达350或400bar的介质计量和输送任务。自由振动的隔膜允许流体不受限制地流过气室，液压隔膜位置控制技术不仅有利于延长隔膜的使用寿命，还能提供最高等级的操作安全性，即使用来输送危险流体也无妨。 对环境有害、危险、敏感或者磨蚀性的流体都不能泄露，因此产品采用了零泄漏系统。此外，还应用了一个隔膜保护系统（DPS）来确保隔膜始终在最佳工作距离内移动。即使存在外部影响，或是在极端工作条件下，都不会对它造成影响。 具有夹层结构的隔膜，其标准配置中包括了一个监测系统，能够清楚、可靠地指示隔膜所受到的任何损伤——在这种情况下，泵将保持密闭，并且还能在有限的时间内继续工作。产品的其他特点还包括：泵头流量可达30 m3/h；绝对安全的干运转 ；内部超压保护；温度范围从-50℃ 到+150℃。可以处理100,000 mPa的粘性物质。 但是，对于非常高的压力，则需要使用经过改进的泵头。设计这个部件的其中一个原因是考虑了客户的反馈意见。这表明，行业确实需要能够输送更高压力的泵产品，特别是石油和天然气行业。而对于墨西哥湾的那些油气井口来说则更是如此。由于在近海以及更深的海域所进行的石油和天然气的勘探越来越多，所以就相应地需要更高的泵送压力，这就是设计这款泵头的原因。这类应用具有高度地成本导向性，因此里瓦公司在研发该部件时希望它能比同类竞争产品更加出色。 HP泵头 适用于水合物抑制剂应用的泵头所安装的是M800 PTFE隔膜。业内认为，里瓦公司是目前唯一一家能够生产PTFE隔膜泵头的制造商，它所设计的泵头能够工作在400 bar（5800 psig）到1000 bar（14500 psig）的压力范围，以及0.1 m/h3（26 gph）到1 m/h3（265 gph）的流速范围内。与传统泵能达到的400-500 bar的工作压力相比，它能够达到的典型极高工作压力为800bar（11600 psig）。图1和2显示了安装在一台泵上的泵头。 里瓦公司称，这种隔膜比传统的金属隔膜泵头更能节省成本，能够利用更小的直径来输送更高的流量。这是如何实现的呢？这种PTFE隔膜泵头在设计时应用了有限元分析。但是，秘密不在于隔膜本身或者它的材料，而是其特殊的装夹设计。虽然PTFE具有比金属隔膜使用寿命更长的一大优点，但关键在于其夹具使得PTFE膜能够工作在800bar或者更高压力之下。在排出冲程期间，隔膜的装夹保持不变形。图3显示了M800 PTFE隔膜泵头的截面图。 与金属隔膜相比，PTFE隔膜的优点包括使用寿命更长，在相同隔膜直径尺寸条件下的流速更大——这是因为它的高变形性——因此，利用较小的隔膜直径能够达到相同的冲程容积。泵的尺寸和所占空间也缩小了，因为较小的泵头直径就能满足使用的需要。 此外，较小的泵头有利于更加方便、迅速地更换隔膜。产品的其他优点还包括：粘度范围广、对颗粒不敏感、自吸能力高（低NPSH要求），以及在隔膜夹具处无需使用支架密封。这些流程隔膜泵不仅能与其他制造商生产的同类型产品相媲美，而且丝毫不输柱塞泵。与后者相比，流程隔膜泵的使用寿命更长，寿命周期成本更低，并且它的整体保有费用也更低。 与使用传统PTFE泵头时完全一样，该产品能够处理各种类型的流体。像化学制剂、酸、碱、高粘度流体，以及悬浮液等难以处理的流体都不成问题。PTFE隔膜还使泵头非常适合用在腐蚀性、反应性或侵蚀性流体中，其工作温度范围为-20℃（-4°F）到80℃（176°F）。 泵头的隔膜和特殊的夹紧设计已经能够确保设备工作在安全高效的最佳范围内，但是正确的选择仍然必不可少。 试验证明 大量的试验证实，该产品在各种工作条件下彻底防漏、完全可靠。而在其一家客户的协助下，该产品已经使用原型产品进行了一次成功的现场试验。图4是M800 PTFE隔膜泵头的结构分析。 根据设计标准和这些现场试验的结果，预计每个高压泵头可达到连续一年的工作寿命，这与传统低压型产品的使用寿命相同，不过新产品的工作压力却高得多。 隔膜的更换只需花费几个小时——这也和传统的同类产品一样——不过这取决于泵的位置，泵的入口以及相连管道的布置情况。 里瓦公司表示，要具体指出这种泵头产品的市场规模并非易事，但可以肯定的是，这块市场肯定足够地大，值得企业投资于这个领域。尤其是因为今后的市场将更加需要这类产品来适应更高的泵送压力。 适合应用高压PTFE隔膜泵头的泵产品包括里瓦公司的LDF、LDG和LDH型隔膜计量泵和流程隔膜泵，以及triplex G3S、G3F和G3G型流程隔膜泵。(end)

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