常壓轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

姜陸

摘? ? ? 要：常壓轉(zhuǎn)油線是指從常壓爐出口連接至常壓塔入口的管系，其介質(zhì)為高溫原油，操作條件苛刻，其設(shè)計(jì)和安裝質(zhì)量直接影響整個(gè)裝置的運(yùn)行和最終的產(chǎn)品質(zhì)量。從管道敷設(shè)規(guī)劃、管道及管件材質(zhì)的選用、管道支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)及應(yīng)力核算等方面進(jìn)行理論分析，結(jié)合多組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際案例解析常壓轉(zhuǎn)油線設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及處理方法，并以某石化預(yù)處理裝置改造項(xiàng)目為具體案例，介紹特殊情況下常壓轉(zhuǎn)油線整體的設(shè)計(jì)思路以及需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

關(guān)? 鍵? 詞：常壓轉(zhuǎn)油線;壓降;管道熱膨脹;冷緊

中圖分類號(hào)：TQ 013? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）09-2059-04

Abstract： Atmospheric transfer line is a pipe system connecting from the outlet of atmospheric furnace to the inlet of atmospheric tower. Its medium is high-temperature crude oil， and its operation conditions are harsh. Its design and installation quality directly affect the operation of the whole unit and the final product quality. In this paper， theoretical analysis was carried out from the aspects of pipeline laying planning， selection of pipe and pipe fitting materials， design of pipe support structure， pipeline strength design and stress calculation， and the problems encountered in the design of atmospheric oil transfer line were analyzed， and the treatment methods were put forward combined with several groups of practical cases. Taking a petrochemical pretreatment unit reconstruction project as a specific case， the overall design ideas of atmospheric oil transfer line under special conditions was introduced as well as the contents that need be considered emphatically.

Key words： Atmospheric transfer line; Pressure drop ; Thermal expansion of pipeline; Cold tight

常壓轉(zhuǎn)油線是指從常壓加熱爐（下文簡(jiǎn)稱常壓爐）出口連接至常壓蒸餾塔（下文簡(jiǎn)稱常壓塔）入口輸送工藝物料的管系，由始端爐管、過(guò)渡段、分支段及主管段組成。常壓轉(zhuǎn)油線工況較為嚴(yán)苛，一般操作溫度在380 ℃，操作壓力在0.35 MPa，介質(zhì)為經(jīng)常壓爐加熱后的高溫原油，其中常含有飽和液滴，在壓降較大時(shí)容易產(chǎn)生氣泡甚至氣柱，介質(zhì)整體呈兩相流狀態(tài)。在常壓蒸餾裝置的管道安裝中，常壓轉(zhuǎn)油線是極其重要的管系，其設(shè)計(jì)和安裝質(zhì)量直接影響整個(gè)裝置的運(yùn)行和最終的產(chǎn)品質(zhì)量。下面以揚(yáng)州石化預(yù)處理裝置改造項(xiàng)目及溫州常壓轉(zhuǎn)油線改造項(xiàng)目為例，分析常壓轉(zhuǎn)油線的整體設(shè)計(jì)思路，包括管道的敷設(shè)、管道材質(zhì)的選用、結(jié)構(gòu)支撐、強(qiáng)度及應(yīng)力核算等需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

1? 管道設(shè)計(jì)

常壓轉(zhuǎn)油線自爐管出口至常壓塔入口各段常見(jiàn)的管道敷設(shè)有如下幾種類型[1]，如圖1至圖6所示[2]。

對(duì)上述各類型管道敷設(shè)方式進(jìn)行總結(jié)，其共同點(diǎn)如下：

1）加熱爐出口嘴子在加熱爐兩側(cè)對(duì)稱（有可能非對(duì)稱）布置時(shí)，過(guò)渡段宜45°順介質(zhì)流向方向插入分支段。

2）分支段對(duì)稱布置時(shí)，分支段接入主管段處應(yīng)設(shè)計(jì)成特殊Y型三通結(jié)構(gòu)。

3）加熱爐出口嘴子在加熱爐一側(cè)平行布置時(shí)，無(wú)分支段，過(guò)渡段應(yīng)水平45°或空間45°插入主管段。

4）從設(shè)備平面布置的角度，盡量將常壓爐、常壓轉(zhuǎn)油線、常壓塔同軸布置（或盡量減少偏心），以減少主管段可能的壓力降。

5）上述要求是因?yàn)槌恨D(zhuǎn)油線介質(zhì)為高溫原油（飽和液相），原油在常壓轉(zhuǎn)油線中產(chǎn)生壓降后，原油中飽和的油氣會(huì)釋放出來(lái)，在介質(zhì)中形成氣泡甚至氣柱。氣泡在彎頭處等壓降大的位置產(chǎn)生，隨著液流對(duì)彎頭產(chǎn)生沖擊，與“汽蝕”工況下氣泡沖擊葉片是相同的原理，長(zhǎng)期的沖擊對(duì)彎頭會(huì)造成不利影響，甚至造成彎頭處破裂。氣泡氣柱會(huì)導(dǎo)致“氣錘”的產(chǎn)生，導(dǎo)致管道振動(dòng)。常壓轉(zhuǎn)油線多布置在高處，10～15 m或更高的位置，在這個(gè)高度上若發(fā)生管道振動(dòng)及傳導(dǎo)，無(wú)論對(duì)管道、設(shè)備還是支架都是不利的?！冻汉蜏p壓轉(zhuǎn)油線管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)定》）5.2.9中規(guī)定“非對(duì)稱布置過(guò)渡管段時(shí)，在主管段內(nèi)壁介質(zhì)沖刷處應(yīng)設(shè)防沖擋板”即是從這方面考慮。可按經(jīng)驗(yàn)，在不限于上述位置，在其他沖刷明顯處，例如彎頭處，設(shè)置防沖擋板。

常壓轉(zhuǎn)油線過(guò)渡段自常壓爐出口接出，在攀升到足夠的高度后，斜插入分支段或主管段，而后保持步步低去常壓塔入口管口，即使在常壓塔生產(chǎn)過(guò)程中塔體受熱膨脹導(dǎo)致塔入口提高的情況下，主管段依然應(yīng)保持一定的坡度?！都夹g(shù)規(guī)定》中5.2.3規(guī)定“常壓轉(zhuǎn)油線主管段應(yīng)有3‰的坡度坡向常壓塔”，本條是為了使?fàn)t體加熱后的液相原油能順流進(jìn)塔，避免回流的同時(shí)減少壓降。雖然實(shí)際上很多工程現(xiàn)場(chǎng)并未按此條規(guī)定執(zhí)行，將常壓轉(zhuǎn)油線步步高布置并運(yùn)行良好，但此處除非經(jīng)過(guò)工藝詳細(xì)穩(wěn)妥的論證，證明管道可以采用步步高的形式配管，否則強(qiáng)烈建議按照《技術(shù)規(guī)定》中要求執(zhí)行。

靖江石化常壓裝置，其常壓轉(zhuǎn)油線從常壓爐至常壓塔按照步步高敷設(shè)，如圖7所示。分析其原因，一是其管徑-液體流速-壓降體系核算后，不會(huì)形成氣泡或氣柱，二是管道口徑足夠大，即使產(chǎn)生了氣泡，也不至于產(chǎn)生氣柱。

另一個(gè)極端案，例如揚(yáng)州石化原40 萬(wàn)t/a預(yù)處理裝置中，常壓轉(zhuǎn)油線自常壓爐出口先降至泵區(qū)管廊上，敷設(shè)至塔附近時(shí)，再步步高去塔入口，形成了一個(gè)大U型，如圖8所示。雖然目前運(yùn)行良好，但此種配管型式存在較大隱患，即使生產(chǎn)過(guò)程中能保證不會(huì)氣柱，但在開(kāi)、停工、試運(yùn)行或運(yùn)行不穩(wěn)定期間，有形成氣柱的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)裝置運(yùn)行存在較大安全隱患，在后續(xù)改造中，對(duì)此處常壓轉(zhuǎn)油線布置方案重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

常壓轉(zhuǎn)油線進(jìn)入塔入口時(shí)，可采用中心進(jìn)入或切線進(jìn)入的方式。雖然《技術(shù)規(guī)定》5.2.2中規(guī)定“常壓轉(zhuǎn)油線主管段與常壓塔嘴子應(yīng)呈切向入口方式”，但考慮到常壓轉(zhuǎn)油線為帶壓進(jìn)塔，切向進(jìn)塔對(duì)塔壁也是一種沖刷，長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)塔壁的侵蝕太過(guò)嚴(yán)重，且現(xiàn)在都采用在塔口內(nèi)部設(shè)置分配器的形式，對(duì)進(jìn)塔油氣進(jìn)行導(dǎo)流，運(yùn)行效果良好，所以常壓轉(zhuǎn)油線也可以采用軸向進(jìn)塔的方式。

常壓轉(zhuǎn)油線進(jìn)塔入口處宜采用直接對(duì)焊的方式，此處主要是考慮不需要經(jīng)常拆卸，且法蘭連接有泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

2? 材料設(shè)計(jì)

如前文所言，常壓轉(zhuǎn)油線工況較為嚴(yán)苛，操作溫度一般在350 ～380 ℃，操作壓力在0.35 ～0.5 Mpa，油品中某些成分處于飽和狀態(tài)的高溫原油，并且常會(huì)有相當(dāng)?shù)母g性。隨著介溫度、壓力及其腐蝕性的增高，管道方面的選材由20# GB/T8163、20# GB9948、15CrMoG GB5310及帶內(nèi)襯里的管道，不斷上升。具體的選材可依據(jù)《技術(shù)規(guī)定》第6條的規(guī)定及SH/T3059的相關(guān)規(guī)定選取[3]。為減輕常壓轉(zhuǎn)油線的重量，保溫材料應(yīng)選用密度較小并耐高溫的材料。

3? 支撐設(shè)計(jì)

常壓轉(zhuǎn)油線雖然一般口徑較大，管道的剛度足以使其經(jīng)歷較大跨距，但為避免其始、末端設(shè)備管口和管道承擔(dān)過(guò)多重力載荷，在常壓轉(zhuǎn)油線主管段適當(dāng)位置應(yīng)設(shè)施支撐?？紤]到常壓轉(zhuǎn)油線的管道熱膨脹較大，此支撐宜設(shè)置為柔性支撐，并在結(jié)構(gòu)支撐頂部設(shè)置彈簧支座;若采用了剛性支撐，需要在管托與剛性支撐的接觸面選擇設(shè)滾動(dòng)支座或采用摩擦系數(shù)<0.1的墊板，常用材料如聚四氟乙烯墊板、拋光后的不銹鋼板或滾輪。

4? 強(qiáng)度設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析

常壓轉(zhuǎn)油線作為大口徑管道，支撐點(diǎn)又較少，有必要對(duì)其各管段壁厚進(jìn)行理論計(jì)算。直管段的壁厚應(yīng)按SH3059中第7.2節(jié)進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)符合下列要求[4]：復(fù)合管的復(fù)層不計(jì)算在管子理論計(jì)算壁厚內(nèi)[5];腐蝕余量根據(jù)腐蝕環(huán)境情況可取1.6～3.2 mm，復(fù)合管腐蝕余量取為零[6];考慮制造偏差和腐蝕余量等因素后，管子的選用壁厚應(yīng)就近上靠到公稱壁厚。

常壓轉(zhuǎn)油線的應(yīng)力計(jì)算可以使用CAESAR軟件。因配管的特殊性，常壓轉(zhuǎn)油線主管段基本是直接進(jìn)塔或者盡量少拐彎進(jìn)塔，管道柔性非常小，基本不能吸收熱膨脹。常壓轉(zhuǎn)油線的應(yīng)力膨脹大多數(shù)是由加熱爐管來(lái)吸收。管道應(yīng)力分析時(shí)，介質(zhì)密度按氣液兩相混合時(shí)考慮。有復(fù)合層存在的情況，因復(fù)合層較薄，且與基層緊密貼合，跟隨基層進(jìn)行熱膨脹，并不體現(xiàn)自身的熱膨脹性能，故許用應(yīng)力按基層材料選用[7]。

常壓轉(zhuǎn)油線的冷緊管系冷緊口宜取在塔嘴子附近。冷緊比值宜取0.6 [8]。管系冷緊后，爐管出口處位移值不宜大于100 mm。

5? 具體案例中的常壓轉(zhuǎn)油線

以某石化常壓裝置項(xiàng)目中常壓轉(zhuǎn)油線改造為例，具體布置形式如圖9所示 [9]。

裝置原有生產(chǎn)能力為40 萬(wàn)t·a-1，本次的改擴(kuò)建后，裝置處理能力提升，常壓轉(zhuǎn)油線要擴(kuò)徑。原有的布置形式為豎直U型，為避免產(chǎn)生氣柱，保證安全生產(chǎn)，本次設(shè)計(jì)不采用此配管形式。因項(xiàng)目要求及現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備平面布置情況，常壓爐出口與塔入口不處在同一軸線（偏心布置也不能實(shí)現(xiàn)），故常壓轉(zhuǎn)油線的敷設(shè)不能采用前述的6種模型。經(jīng)多種方案比對(duì)，兼顧管線的應(yīng)力及支撐等因素，最終選擇將管道布置在管廊上方，利用原管廊柱新設(shè)計(jì)管道支架予以支撐，管道配管中采用π型彎吸收熱脹，在彎頭處內(nèi)管設(shè)置防沖擋板以減少對(duì)管道的沖刷。

6? 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要分析了常壓轉(zhuǎn)油線的重要性、在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的地方、可能遇到的問(wèn)題及解決的思路和方法。在學(xué)習(xí)并執(zhí)行《常壓和減壓轉(zhuǎn)油線管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的過(guò)程中，也根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其中一些新情況、新問(wèn)題提出了新的處理方法。最后針對(duì)非典型案例提出了新的管道布置方案，這對(duì)其他常壓轉(zhuǎn)油線的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

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