CN102151450A - 天然气过滤器滤芯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度、大流量的天然气过滤器滤芯及其制造方法，采用多层复合结构：外层不锈钢密纹网构成第一层表面过滤，同时起抗冲刷作用；无纺布保护层构成深层过滤；聚酯或玻纤过滤滤膜中间层构成第二层表面过滤；内层粗纹丝网起支撑作用；滤芯端部采用轴向密封加径向密封的结构。通过多层复合和组合密封结构，保证了滤芯的整体过滤精度、使用寿命及性能的可靠性。

Description

天然气过滤器滤芯及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种天然气净化设备中天然气过滤分离设备中的过滤元件，尤其是涉及一种天然气过滤器滤芯。

背景技术

天然气过滤器滤芯要求通过流量大，适应天然气介质。天然气过滤器滤芯单根处理量要求10×10⁴Nm³/d以上，气田集输***中天然气粉尘含量较大，以四川气田为例，1m³天然气含尘量约为2~10mg，颗粒分布5μm以上粉尘约占2/3左右，约为60万粒/m³以上。天然气粉尘主要由管道施工及井底带出来的泥沙颗粒、钢材与油田水及天然气中酸性气体产生的腐蚀产物组成，泥沙粉尘大都是不规则的多面体，棱角尖锐。腐蚀产物大多为片状结构，往往有锐利的刃口，这些粉尘在气流的带动下与滤层发生碰撞，在气体背压作用下很容易将聚酯滤膜切开，造成滤层穿孔失效。

滤材过滤机理可分为表面过滤和深度过滤（又称深层过滤）。表面过滤是通过滤材微孔的拦截和搭桥作用来直接获取，而深度过滤可以通过颗粒的惯性撞击和布朗扩散作用来实现。

目前我国天然气过滤器上使用的滤芯有三种，其一为不锈钢丝网折叠滤芯，其二为无纺布（网）缠绕滤芯，其三为聚酯膜折叠滤芯。

第一种不锈钢丝网折叠滤芯属于表面过滤，一般采用1~3层不锈钢丝网折叠而成，其过滤面积大，透气性好，可以实现大流量过滤，但其过滤精度受到丝径及网孔限制。目前不锈钢丝网的最小丝径约为5~10μm，所能达到的网孔尺寸大于5μm，其最高过滤精度≥5μm，用这种滤芯组成的过滤分离器主要用在精度要求不高的工艺设备及管道上。

第二种无纺布（网）缠绕滤芯属于深层过滤，无纺布缠绕厚度可达到10mm左右，采用孔径为10μm无纺布缠绕几十层后形成足够厚度的过滤层，其过滤精度可达到1~3μm，这种滤芯使用在天然气增压站或天然气处理厂过滤器上。无纺布缠绕滤芯是通过增加缠绕层厚度的方式来提高过滤精度，缠绕层越厚阻力损失越大，透气性越差。并且滤芯是在圆筒形芯管上缠绕而成，其过滤面积有限，要实现大流量势必增加滤芯根数，加大过滤器尺寸，增加工程投资。

第三种聚酯膜折叠滤芯属于表面过滤，这种滤芯一般采用上、下保护层及中间膜折叠而成，保护层及膜都是聚酯材料，滤层总厚度<1mm，在同样外径下滤芯折叠牙数量大，过滤面积大，尽管聚酯膜透气性有限，但是大的折叠牙数增加了过滤面积，增大了透气量，能实现小压差大流量过滤。由于这种滤芯滤层太薄，又缺乏支承结构，牙型容易“倒伏”或并牙，使过滤面积减小。这种滤芯的过滤精度完全由滤膜决定，滤膜孔径越小其过滤精度越高。气田集输***中含有大量的强度和硬度远大聚酯膜的粉尘，很快使滤膜穿孔、失效。因此由聚酯膜折叠滤芯装配的过滤分离器不能单独使用在气田集输***，只能使用在精滤段，精滤段的前面应该有前置过滤器，前置过滤器应除去所有大于5μm的腐蚀产物颗粒。

目前我国天然气过滤器上使用的滤芯的端部密封结构单一，其一为端面密封，其二为端部O型圈密封。端面密封往往由于安装和加工误差很容易产生泄漏、短路。O型圈密封为径向密封结构，往往由于安装部位的清洁度不够，影响密封效果，产生短路。

现有气田集输***中天然气过滤器上使用的这几种滤芯无法满足高精度、大流量的要求，端部密封结构有待改进，并且天然气过滤器滤芯设计还没有有效的工艺计算方法。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种高精度、大流量的天然气过滤器滤芯及其制造方法，采用多层复合结构和端部的轴向密封加径向密封的结构，保证了滤芯的整体过滤精度、使用寿命及性能的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种天然气过滤器滤芯，包括滤层和芯管，所述滤层为折叠式滤层，包括外层、中间层和内层；所述外层为不锈钢密纹网，中间层为聚酯或玻纤过滤滤膜，内层为粗纹丝网；在整个滤芯的端部压注有粘接料，在粘接料外部设置有固定环，在固定环外部粘接有密封垫片，在固定环内侧安装有密封环。

在所述中间层两侧设置有无纺布保护层；所述无纺布保护层的孔径为1~5μm。

所述折叠式滤层的波纹牙高为7～20mm。

本发明还提供了一种天然气过滤器滤芯的制造方法，包括如下步骤：

1) 将厚度相同的外层、内层和中间层分别折叠，且每层均采用等波纹牙高的均匀折叠；

2)将折叠成形后的外层、内层和中间层手工复合；

3)将复合后的滤层的波纹牙数进行分割，然后根据所需长度进行裁边，再卷制在芯管上；

4)封边：在整个滤芯的端部压注粘接料，再用固定环对端部进行粘接后的固定，最后在固定环外部粘接密封垫片，在固定环内侧安装密封环。

为了保护滤膜在折叠过程中不被损坏，保证过滤效果，在外层、内层和中间层分别折叠时，每层的折弯均采用圆弧过渡。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：不锈钢密纹网外层构成第一层表面过滤，无纺布保护层构成深层过滤，聚酯或玻纤过滤滤膜中间层构成第二层表面过滤；提高和确保了过滤精度，增加了滤芯的使用寿命，具体表现如下：

1)通过采用不锈钢密纹网外层，能够抗击天然气中杂质的冲刷，防止棱角尖锐和有锐利的刃口粉尘击穿无纺布保护层与聚酯或玻纤过滤滤膜中间层，同时能够拦截大固体颗粒（5μm以上），起表面过滤作用；

2)通过采用无纺布保护层，一方面保护聚酯或玻纤过滤滤膜中间层在滤芯制作过程中不被破坏，另一方面对1~5μm以上颗粒起深层过滤作用；

3)通过采用聚酯或玻纤过滤滤膜中间层，对1～5μm的颗粒起表面拦截作用，保证过滤精度；

4)通过采用粗纹丝网内层，具有一定强度，以增加牙型的抗压性能，防止大压差情况下牙型“倒伏”或“并牙”；

5)端部密封通过采用轴向密封加径向密封的结构，可以对加工和安装过程中产生的垂直度误差进行补偿。正常工况下轴向密封与径向密封同时起作用，当轴向密封失效，径向密封能确保密封效果。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的天然气过滤器滤芯的整体结构示意图；

图2是图1的端部11的放大图；

图3是图1的截面图；

图4是图3的滤层4的放大图；

图5为滤层的牙型参数的示意图。

具体实施方式

一种天然气过滤器滤芯，如图1至图4所示，包括：滤层4和芯管10，整个滤芯的端部11包括固定环3、密封垫片2、密封环1和环氧树脂泥12。滤层4为折叠式滤层，采用表面过滤与深层过滤相结合的多层复合结构，包括外层5、中间层7、内层9。外层5为不锈钢密纹网，中间层7为聚酯或玻纤过滤滤膜，内层9为粗纹丝网，在中间层7两侧采用无纺布保护层6，无纺布保护层6的孔径为1~5μm。

端部11压注的粘接料采用环氧树脂泥12，再用固定环3对滤层4端部进行粘接后的固定，最后在固定环3外部粘接密封垫片2；固定环3内侧安装有密封环1，所述密封环1可以是O型密封圈或其它密封环。密封垫片2采用4至7mm厚度（5mm最佳）、邵氏硬度50-65（60最佳）的软质橡胶，这样，不但可以对加工和安装时产生的垂直度误差进行补偿，当轴向密封失效时，径向密封还能起到巩固的效果。

一种天然气过滤器滤芯的制造方法，包括如下步骤：

1)分层折叠：

由于滤芯的中心滤膜较溥，强度较小，而内层和外层复合的钢质丝网强度较大，因此，若采用中心滤膜与内、外层钢质丝网复合后一起折叠，容易造成中心滤膜在折弯处损坏；且内外保护层一起复合后，滤层厚度较大，折叠时也易造成中心滤层损坏，影响过滤精度。

所以，本发明方法分三层折叠：外层、内层以及中间层（如果在中间层7两侧设置有无纺布保护层6，则中间层及其两侧的无纺布保护层应做为一层来折叠），折叠成形后再复合，这样可保证中间层的滤膜不受损坏，保证滤芯的过滤精度。

受过滤层厚度影响，单独折叠的丝网滤纹高度与复合成形后的滤层波纹牙高不一致。为了保证折叠后的不同滤层能够成功复合，内层、外层以及中间层（如有无纺布保护层，则中间层及其两侧的无纺布保护层应做为一层来看待）厚度需相同。由于所有折叠层均采用了相同厚度的滤材，因此每层的折叠得到了简化，且采用等波纹牙高的均匀折叠。这样可以保证折叠成形的外层、内层以及中间层能得到完全的重叠复合。通过滤层的分别折叠，保证中间层的滤膜在折叠过程中不被破坏。

2)手工复合：

分层折叠成形后，再手工复合外层、内层以及中间层，以增加滤芯的整体抗冲刷性和内部的支撑强度。

3)将复合后的滤层的波纹牙数进行分割、然后根据所需长度进行裁边，再卷制在作为中心骨架的芯管10上。

4)封边：

在端部11压注粘接料（可以是环氧树脂泥等），再用固定环3对端部进行粘接后的固定，最后在固定环3外部粘接密封垫片2；为了起到径向密封的效果，还可在固定环3内侧安装密封环1。

滤层的牙型参数、形状如图5所示，其中：

波纹牙高h：

波纹牙高h是折叠滤芯增加过滤面积的主要参数。波纹牙高越大，滤膜展开后过滤面积越大，则滤芯流通阻力越小，纳污量也越大，寿命也越长。但受滤芯尺寸、滤材厚度t等因素影响，波纹牙高h选择7～20mm之间，且满足下列等式：

——波纹牙高，mm；

——波纹总体外圆直径，mm；

——波纹总体内圆直径，mm。

波纹牙数n：

波纹牙高h确定之后，再乘以滤芯过滤长度，就可以计算出每半个波纹牙的过滤面积。牙数越多，则过滤面积越大。但在特定的滤芯总体结构尺寸下，并不是牙数越多越好。牙数太多会导致牙挤牙、牙间隙小，反而增大天然气流通阻力，波纹牙数满足下列等式：

——波纹牙数，个；

——波纹牙间距，mm；

为了保护滤膜在折叠过程中不被损坏，保证过滤效果，过滤层的折弯采用圆弧过渡，波纹牙型折弯内半径

与滤材厚度

有关。

理论过滤面积：

——理论滤芯过滤面积，mm²；

——滤芯总长，mm；

有效过滤面积：

——折减系数

折减系数

主要受到滤芯波纹牙数

的影响，

越大，牙与牙之间间隙减小，牙底的透气性越差。极限时，牙与牙完全压实，只有波峰有过滤作用，气流从波峰进入透过滤芯垫层及膜到达内部，此时有效过滤面积仅为

。

此外，有效过滤面积应该比滤芯工艺计算出的过滤面积大，以保证滤芯有较长的使用寿命。

新型过滤滤芯采用多层复合结构，其滤材过滤机理既有表面过滤又有深层过滤，因此根据Ruth方程和科泽尼—卡曼方程结合现场模拟试验可以得到新型过滤滤芯压降计算公式：

——滤芯压降，Pa；

——与滤材及天然气固体颗粒形状有关；

——粘度，Pa.s；

——工况流量，m³/s；

——有效过滤面积，m²。

Claims (7)

1.一种天然气过滤器滤芯，包括滤层和芯管，所述滤层为折叠式滤层，包括外层、中间层和内层；其特征在于：所述外层为不锈钢密纹网，中间层为聚酯或玻纤过滤滤膜，内层为粗纹丝网；在整个滤芯的端部压注有粘接料，在粘接料外部设置有固定环，在固定环外部粘接有密封垫片，在固定环内侧安装有密封环。

2.根据权利要求1所述的天然气过滤器滤芯，其特征在于：在所述中间层两侧设置有无纺布保护层。

3.根据权利要求2所述的天然气过滤器滤芯，其特征在于：所述无纺布保护层的孔径为1~5μm。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的天然气过滤器滤芯，其特征在于：所述折叠式滤层的波纹牙高为7～20mm。

5.根据权利要求1所述的天然气过滤器滤芯的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

1) 将厚度相同的外层、内层和中间层分别折叠，且每层均采用等波纹牙高的均匀折叠；

2)将折叠成形后的外层、内层和中间层手工复合；

3)将复合后的滤层的波纹牙数进行分割，然后根据所需长度进行裁边，再卷制在芯管上；

4)封边：在整个滤芯的端部压注粘接料，再用固定环对端部进行粘接后的固定，最后在固定环外部粘接密封垫片，在固定环内侧安装密封环。

6.根据权利要求5所述的天然气过滤器滤芯的制造方法，其特征在于：在外层、内层和中间层分别折叠时，每层的折弯均采用圆弧过渡。

7.根据权利要求5或6所述的天然气过滤器滤芯的制造方法，其特征在于：在所述中间层两侧设置有无纺布保护层。

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