常壓轉油線設計中的注意事項

姜陸

摘? ? ? 要：常壓轉油線是指從常壓爐出口連接至常壓塔入口的管系，其介質為高溫原油，操作條件苛刻，其設計和安裝質量直接影響整個裝置的運行和最終的產品質量。從管道敷設規劃、管道及管件材質的選用、管道支撐結構的設計、管道強度設計及應力核算等方面進行理論分析，結合多組現場實際案例解析常壓轉油線設計中遇到的問題及處理方法，并以某石化預處理裝置改造項目為具體案例，介紹特殊情況下常壓轉油線整體的設計思路以及需要重點考慮的內容。

關? 鍵? 詞：常壓轉油線;壓降;管道熱膨脹;冷緊

中圖分類號：TQ 013? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 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

常壓轉油線是指從常壓加熱爐（下文簡稱常壓爐）出口連接至常壓蒸餾塔（下文簡稱常壓塔）入口輸送工藝物料的管系，由始端爐管、過渡段、分支段及主管段組成。常壓轉油線工況較為嚴苛，一般操作溫度在380 ℃，操作壓力在0.35 MPa，介質為經常壓爐加熱后的高溫原油，其中常含有飽和液滴，在壓降較大時容易產生氣泡甚至氣柱，介質整體呈兩相流狀態。在常壓蒸餾裝置的管道安裝中，常壓轉油線是極其重要的管系，其設計和安裝質量直接影響整個裝置的運行和最終的產品質量。下面以揚州石化預處理裝置改造項目及溫州常壓轉油線改造項目為例，分析常壓轉油線的整體設計思路，包括管道的敷設、管道材質的選用、結構支撐、強度及應力核算等需要重點考慮的內容。

1? 管道設計

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

對上述各類型管道敷設方式進行總結，其共同點如下：

1）加熱爐出口嘴子在加熱爐兩側對稱（有可能非對稱）布置時，過渡段宜45°順介質流向方向插入分支段。

2）分支段對稱布置時，分支段接入主管段處應設計成特殊Y型三通結構。

3）加熱爐出口嘴子在加熱爐一側平行布置時，無分支段，過渡段應水平45°或空間45°插入主管段。

4）從設備平面布置的角度，盡量將常壓爐、常壓轉油線、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）上述要求是因為常壓轉油線介質為高溫原油（飽和液相），原油在常壓轉油線中產生壓降后，原油中飽和的油氣會釋放出來，在介質中形成氣泡甚至氣柱。氣泡在彎頭處等壓降大的位置產生，隨著液流對彎頭產生沖擊，與“汽蝕”工況下氣泡沖擊葉片是相同的原理，長期的沖擊對彎頭會造成不利影響，甚至造成彎頭處破裂。氣泡氣柱會導致“氣錘”的產生，導致管道振動。常壓轉油線多布置在高處，10～15 m或更高的位置，在這個高度上若發生管道振動及傳導，無論對管道、設備還是支架都是不利的。《常壓和減壓轉油線管道設計技術規定》（以下簡稱《技術規定》）5.2.9中規定“非對稱布置過渡管段時，在主管段內壁介質沖刷處應設防沖擋板”即是從這方面考慮。可按經驗，在不限于上述位置，在其他沖刷明顯處，例如彎頭處，設置防沖擋板。

常壓轉油線過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，即使在常壓塔生產過程中塔體受熱膨脹導致塔入口提高的情況下，主管段依然應保持一定的坡度。《技術規定》中5.2.3規定“常壓轉油線主管段應有3‰的坡度坡向常壓塔”，本條是為了使爐體加熱后的液相原油能順流進塔，避免回流的同時減少壓降。雖然實際上很多工程現場并未按此條規定執行，將常壓轉油線步步高布置并運行良好，但此處除非經過工藝詳細穩妥的論證，證明管道可以采用步步高的形式配管，否則強烈建議按照《技術規定》中要求執行。

靖江石化常壓裝置，其常壓轉油線從常壓爐至常壓塔按照步步高敷設，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，不會形成氣泡或氣柱，二是管道口徑足夠大，即使產生了氣泡，也不至于產生氣柱。

另一個極端案，例如揚州石化原40 萬t/a預處理裝置中，常壓轉油線自常壓爐出口先降至泵區管廊上，敷設至塔附近時，再步步高去塔入口，形成了一個大U型，如圖8所示。雖然目前運行良好，但此種配管型式存在較大隱患，即使生產過程中能保證不會氣柱，但在開、停工、試運行或運行不穩定期間，有形成氣柱的風險，對裝置運行存在較大安全隱患，在后續改造中，對此處常壓轉油線布置方案重新進行了設計。

常壓轉油線進入塔入口時，可采用中心進入或切線進入的方式。雖然《技術規定》5.2.2中規定“常壓轉油線主管段與常壓塔嘴子應呈切向入口方式”，但考慮到常壓轉油線為帶壓進塔，切向進塔對塔壁也是一種沖刷，長期運行對塔壁的侵蝕太過嚴重，且現在都采用在塔口內部設置分配器的形式，對進塔油氣進行導流，運行效果良好，所以常壓轉油線也可以采用軸向進塔的方式。

常壓轉油線進塔入口處宜采用直接對焊的方式，此處主要是考慮不需要經常拆卸，且法蘭連接有泄漏的風險。

2? 材料設計

如前文所言，常壓轉油線工況較為嚴苛，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的高溫原油，并且常會有相當的腐蝕性。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及帶內襯里的管道，不斷上升。具體的選材可依據《技術規定》第6條的規定及SH/T3059的相關規定選取[3]。為減輕常壓轉油線的重量，保溫材料應選用密度較小并耐高溫的材料。

3? 支撐設計

常壓轉油線雖然一般口徑較大，管道的剛度足以使其經歷較大跨距，但為避免其始、末端設備管口和管道承擔過多重力載荷，在常壓轉油線主管段適當位置應設施支撐。考慮到常壓轉油線的管道熱膨脹較大，此支撐宜設置為柔性支撐，并在結構支撐頂部設置彈簧支座;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滾動支座或采用摩擦系數<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? 強度設計和應力分析

常壓轉油線作為大口徑管道，支撐點又較少，有必要對其各管段壁厚進行理論計算。直管段的壁厚應按SH3059中第7.2節進行計算，并應符合下列要求[4]：復合管的復層不計算在管子理論計算壁厚內[5];腐蝕余量根據腐蝕環境情況可取1.6～3.2 mm，復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，管子的選用壁厚應就近上靠到公稱壁厚。

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

常壓轉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油線

以某石化常壓裝置項目中常壓轉油線改造為例，具體布置形式如圖9所示 [9]。

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

6? 結束語

本文簡要分析了常壓轉油線的重要性、在設計中需要重點考慮的地方、可能遇到的問題及解決的思路和方法。在學習并執行《常壓和減壓轉油線管道設計技術規定》的過程中，也根據現場實際情況及生產經驗，對其中一些新情況、新問題提出了新的處理方法。最后針對非典型案例提出了新的管道布置方案，這對其他常壓轉油線的設計有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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[9]SH 3012—2011，石油化工金屬管道布置設計規范[S].