常减压蒸馏装置减压转油线浅要分析

　　

常减压蒸馏装置减压转油线浅要分析

彭 立 强

（天津市昊永化工工程有限公司，天津 300308）

摘要：减压转油线是常减压蒸馏装置中非常重要的一条管线，减压转油线设计的是否合理，不仅影响到减压蒸馏的稳定操作，而且对于产品质量、产品拔出率、以及装置能耗都具有极其重要的影响。通过对减压转油线在工艺设计、管道选材、配管设计等方面的浅要分析，结合工作中的实际装置设计经验，总结了笔者在设计过程中的一些设计思路和方法，希望能对后续减压转油线的设计或改造提供一点参考或借鉴意义。

关键词：常减压蒸馏；减压转油线；流速；管道选材；配管设计

中图分类号：TE624

Analysis of Vacuum Transfer Line in Atmospheric and Vacuum Distillation Unit

PENG Liqiang

(Tianjin Haoyong Chemical Engineering Company Limited, Tianjin 300308,China)

Abstract: The vacuum transfer line is a very important pipeline in atmospheric and vacuum distillation unit. The reasonable design of the vacuum transfer line not only affects the stable operation of vacuum distillation, but also has an extremely important impact on product quality, product extraction rate, and device energy consumption. This article provides a brief analysis of the process design, pipeline material selection, piping design, and other aspects of the vacuum transfer line. Combined with the work of the practical device design experience, the author summarizes some design ideas and methods in the design process. It is hoped that this can provide some reference or reference significance for the design or renovation of subsequent vacuum transfer lines.

Key words: atmospheric and vacuum distillation; vacuum transfer line; flow rate; pipeline material selection; piping design

引 言

在常减压蒸馏装置中，减压蒸馏是为了避免原油中高沸点馏分裂解、并提高拔出率的重要措施，其中减压转油线的设计又是减压蒸馏技术中的关键，设计合理的转油线对减压深拔、减压蒸馏稳定操作、节能降耗和产品质量提升都有重要作用。减压转油线是常减压蒸馏装置中减压炉出口至减压塔入口的一段非常重要的连续管线，减压转油线可分为过渡段和低速段，过渡段是指从减压炉炉管出口至低速段这一段管道，其特点是管径小，管内介质为气液两相，管内介质流速高，容易造成管系振动，低速段是指与减压塔进料管口直接相连的这一段水平管道，其特点是管径大，管内介质为气液两相，管内介质流速低。本文主要从减压转油线在工艺设计、管道选材、配管设计等三个方面进行了简要分析及介绍。

1 工艺设计

[1] 减压转油线有高速转油线和低速转油线两种技术。高速转油线，介质一般以鼓泡流的形式进入减压塔，馏分得不到充分闪蒸，许多轻馏分油随着重馏分油进入减压塔底，需要提供大量的汽提蒸汽才能拔出这部分轻馏分油，这样就增加了能耗。低速转油线，介质以气雾态的形式进入减压塔，流动状态有了改善。低速转油线管径大、流速小，介质在以气液两相流状态流动过程中，气液两相可以逐步分离，转油线上部是气相，转油线下部是液相，分层进入减压塔，气体上升，液体下降，轻馏分得到初步分离，可以减少减压塔底汽提蒸汽量，从而降低装置能耗。因此低速转油线由于流速小，介质在流动过程中压降低、温降低的优势而得到迅速发展和广泛应用。可从两个方向来分析低速转油线的优势。

1.1减压炉出口温度

在给定的炉出口温度下，低速转油线温降越小，则减压塔进料段气化率越高，从而可以提高拔出率、改善产品质量，同时还可以降低塔釜汽提蒸汽能耗。若转油线温降高，则减压塔进料段气化率低，为满足减压深拔要求，减压塔釜需要加大汽提蒸汽量，造成装置能耗高。

1.2减压塔进料段气化率

在保证减压塔进料段气化率一定的条件下，低速转油线温降越小，则需要的减压炉出口温度越低，不仅可以防止减压炉炉管结焦，还可以降低加热炉负荷。反之，需要的减压炉出口温度高，则减压炉负荷就高，装置能耗高。

1.3转油线管径选取

在工艺设计时，通常需要选择大管径转油线来实现低压降、低温降，但管径越大，设备投资和建设投资都会增加，因此需要综合考虑工艺要求和投资费用来选定合适的管径。一般通过马赫速度来计算转油线管径。

转油线压降包括过渡段和低速段两部分的压降，转油线管内气液两相流速大，在负压操作条件下，介质密度小，两相流速易达到或超过马赫速度。

马赫数是指在操作条件下，气液两相流体的实际速度与同条件下的声速的比值。

（1）

在操作条件下，气液两相流体的声速计算公式如下：

（2）

根据混合流体的实际速度可计算转油线管径。管径计算公式如下：

（3）

根据国外推荐资料及国内生产经验，一般转油线过渡段流速采用0.7～0.8马赫，低速段采用0.6～0.7马赫^［1］，甚至更低。而流速过高，会造成压降增大、管路震动、影响稳定操作及产品收率。以往工作中设计的3套常减压蒸馏装置的减压转油线管径和流速选择见表1，流速基本符合经验流速要求。

表1 转油线管径和流速

Tab.1 Transfer line diameter and flow rate

项目	单位	装置1（220万吨）		装置2（260万吨）		装置3（450万吨）
		低速段	过渡段	低速段	过渡段	低速段	过渡段
管径，Di	m	1.4	0.4	1.6	0.3	1.8	0.3
混合流体质量流量，G	kg/h	140910	70455	193168	48292	278800	46467
混合流体体积流量，Q	m3/h	165582	19544	207931	9884	277689	10826
混合流体密度，ρ	kg/ m3	0.851	3.605	0.929	4.886	1.004	4.292
混合流体的比容，Vn	m3/kg	1.175	0.277	1.076	0.205	0.996	0.233
混合流体的压力，P	MPaA	0.007	0.02	0.007	0.02	0.007	0.02
操作条件下的声速，Us	m/s	91.2	74.9	87.3	64.3	84.0	68.6
混合流体的速度，u	m/s	30	43	29	39	30	43
马赫数Nm	-	0.33	0.58	0.33	0.60	0.36	0.62
管径，Di	m	1	0.4	1.6	0.3	1.8	0.3

以上3套装置减压转油线的低速段流速均 ＜ 0.4马赫，过渡段流速均 ＜ 0.7马赫，投产运行多年，运转情况良好，产品质量达到市场要求，而且装置标准能耗均低于10 kg/t。

2 管道选材

常减压蒸馏装置腐蚀主要包含氯化物腐蚀、应力腐蚀、低温硫腐蚀、高温硫腐蚀和环烷酸腐蚀。减压转油线的腐蚀主要涉及高温硫腐蚀和环烷酸腐蚀。

2.1 高温硫腐蚀

原油中的硫主要是以单质硫(S)、硫化氢(H₂S)、硫醇(RSH)、硫醚(RSR)、二硫醚(RSSR)、环硫醚、噻吩和多硫化物等形式存在。其中单质硫、硫化氢和硫醇等属于活性硫，可以和金属直接反应，对金属设备有较强的腐蚀作用；而硫醚、二硫醚、环硫醚、噻吩和多硫化物等属于非活性硫，不和金属直接反应，但稳定性较差，容易在加工过程中受热分解，产生活性硫。大约在240 ℃，石油中的有机硫化物开始分解成硫化氢和元素硫等活性硫，在金属表面与铁反应产生腐蚀，因此非活性硫可以间接对金属产生腐蚀作用。在350 ℃～400 ℃时，低级硫醇甚至可以与铁直接反应产生腐蚀。在不同的温度下各种硫化物的腐蚀性是不同的，腐蚀性可参见表2，其中二硫化物的腐蚀性最强。

表2 不同温度下各种硫化物的腐蚀性

Tab.2 The corrosiveness of various sulfides at different temperatures

温度		260℃	316℃	371℃	427℃	482℃
腐蚀性	弱 ↓ 强	硫醚	元素硫	硫化氢	硫化氢	硫化氢
		元素硫	硫化氢	硫醇	硫醇	硫醇
		硫化氢	硫醚	元素硫	元素硫	硫醚
		硫醇	硫醇	硫醚	硫醚	元素硫
		二硫化物	二硫化物	二硫化物	二硫化物	二硫化物

常减压蒸馏装置中硫腐蚀主要分为低温硫腐蚀和高温硫腐蚀两种腐蚀形式，低温硫腐蚀主要为低温湿硫化氢腐蚀，主要发生在初馏塔、常压塔和减压塔顶部和塔顶的冷凝冷却系统；而减压转油线的腐蚀形式则主要为高温硫腐蚀，高温硫腐蚀为化学腐蚀，化学反应方程式如下:

H₂S→S + H₂

Fe + S→FeS

Fe + H₂S→FeS + H₂

R CH₂CH₂SH + Fe→FeS + RCH＝CH₂ + H₂

减压转油线温度一般在380 ℃～400 ℃，这个温度范围内硫化物分解剧烈，活性硫非常活跃，对减压转油线产生强烈的腐蚀作用。硫化物的腐蚀速率与介质中活性硫化物的浓度成正比，活性硫化物浓度越大，腐蚀速率越大，非活性硫化物也能分解生成活性硫化物，因此硫腐蚀还与硫化物的稳定性有关。由于活性硫化物的含量及非活性硫化物的稳定性很难定量，所以在工程设计时通常以介质中的总硫含量为依据来估算腐蚀速率，进而作为选材依据。对于总硫质量含量大于或等于1.0 %的原油一般定义为高硫原油，设备和管道在选材上就需要考虑硫腐蚀。

2.2 环烷酸腐蚀

石油中的酸性含氧化合物主要是环烷酸，其含量通常用酸值表示，即中和每克原油中的酸所需氢氧化钾的毫克数。因此可以根据原油的酸值来考虑环烷酸的腐蚀速率，酸值越高，腐蚀性越强。一般当原油的酸值达到0.5 mg KOH/g时，就会引起环烷酸对设备及管道的腐蚀。同时环烷酸的腐蚀速率还与温度、介质的流速和流态相关。随着温度的升高，环烷酸腐蚀显著增加，介质温度大于220 ℃时，环烷酸的腐蚀性明显加剧，350 ℃时环烷酸腐蚀最严重，当温度达到400 ℃时，环烷酸发生汽化或产生分解，液相中环烷酸浓度降低，而环烷酸在气相油品中对金属腐蚀性较弱，因此400 ℃时环烷酸腐蚀减弱。环烷酸腐蚀与介质流速也有关，流速越高，环烷酸腐蚀越严重^［2］。

环烷酸腐蚀主要为化学腐蚀，腐蚀生成的环烷酸铁是油溶性的，可以溶解在油中，因此金属表面不易形成保护膜，同时环烷酸还能与高温硫腐蚀产生的硫化亚铁保护膜发生反应，从而暴露出新的金属表面，使腐蚀不断进行，加剧金属腐蚀。化学反应方程式为：

2RCOOH + Fe→Fe(RCOOH)₂ + H₂

Fe + H₂S→FeS + H₂

2RCOOH + FeS→Fe(RCOOH)₂ + H₂S

2.3 材质选择

管道选材是在生产装置合理采用工艺防腐措施且达到规定的工艺技术指标、并加强现场防腐蚀监测和生产管理的基础上确定的，通常以装置正常操作条件下原油的酸值和含硫量为依据，并考虑操作条件下可能达到的酸值、酸和硫的组合共同作用以及介质流动状态、流体速度对管道腐蚀的影响。减压转油线的选材应根据装置实际情况进行具体分析、合理选材，做到安全生产、经济合理。对于加工总硫质量含量大于或等于1.0 %，且酸值小于0.5 mg KOH/g的原油时，主要是高温硫化物腐蚀，减压炉转油线过渡段材质推荐采用022Cr19Ni10，低速段材质推荐采用1Cr5Mo、022Cr19Ni10（304L）或者碳钢+022Cr19Ni10（304L）的复合板^［3］；加工酸值大于0.5 mg KOH/g，总硫质量含量小于1.0 %的原油时，主要是高温环烷酸腐蚀，加工酸值大于0.5 mg KOH/g，总硫质量含量大于或等于1.0 %，是高温硫化物和环烷酸共存腐蚀，此两种工况下减压炉转油线过渡段材质推荐采用022Cr17Ni12Mo2（316L）、022Cr19Ni13Mo3（317L），低速段材质推荐采用022Cr17Ni12Mo2（316L）、022Cr19Ni13Mo3（317L）或者碳钢+022Cr17Ni12Mo2（316L）、碳钢+022Cr19Ni13Mo3（317L）的复合板。铬钼合金钢和奥氏体不锈钢抗高温环烷酸腐蚀效果很好^［4］。

减压转油线温度高，且减压转油线内介质流速也都很高，因此会产生严重的冲刷腐蚀。流速大于或等于30 m/s时，宜选用022Cr17Ni12Mo2（316L）且材料的Mo含量不小于2.5 %，或选用022Cr19Ni13Mo3（317L）。

现汇总本人近些年设计或改造的常减压蒸馏装置的减压转油线选材情况。

表3 转油线过渡段和低速段材质

Tab.3 Material of transition section and low-speed section of transfer line

项目	单位	装置1（220万吨）	装置2（260万吨）	装置3（450万吨）
过渡段管径，Di	m	0.5	0.3	0.3
过渡段材质	-	022Cr17Ni12Mo2	06Cr18Ni11Ti	022Cr17Ni12Mo2
低速段管径，Di	m	1	1.6	1.8
低速段材质	-	碳钢+022Cr17Ni12Mo2	碳钢 +06Cr18Ni11Ti	碳钢+022Cr17Ni12Mo2

减压转油线过渡段管径小，材质大多采用022Cr17Ni12Mo2（316L），低速段管径大，材质大多采用碳钢+022Cr17Ni12Mo2（316L）复合板，节省了投资，这些装置均已投产多年，实际运行状况良好。

3 配管设计

减压转油线工艺设计时要求压降小，温降小，因此配管设计时应在满足工艺要求的基础上，管道长度尽量短，管线直径尽可能大，弯头尽量少，从而降低压降。但减压转油线温度高，管内介质流速高，热位移较大，所以减压转油线还需要有一定的柔性来吸收热位移，减少减压转油线对减压炉和减压塔的推力和力矩。若转油线自然补偿无法吸收全部热位移时，可以采取冷紧措施，使冷态的机械应力和热态的热应力相抵消。同时还要遵循以下原则：

⑴减压转油线宜对称布置，按四合二和二合一的原则布置，以减少介质的不均匀流动与偏流，从而减少转油线结焦和管线振动，可参见图1。

图1 四合二、二合一对称布置

Fig.1 Four in two, two in one symmetrical arrangement

⑵为减少转油线的局部阻力，过渡段宜顺介质方向45°斜插入到分支段或低速段。

⑶为减少过渡段介质的流动阻力和小半径弯头造成的应力超限问题，过渡段弯头宜采用曲率半径为4 DN～6 DN的煨弯弯头^［5］。

⑷设备平面布置时要重点考虑转油线的布置，为尽量减小减压转油线的温降和压降，低速段不宜过长，但为了保证气液两相有一定的分离时间，气液两相得到初步分离，低速段又不宜过短，同时还需要在防火规范许可范围内，减压转油线低速段长度一般取15 m-20 m。

⑸低速段一般有2 ‰～3 ‰的坡度坡向减压塔，避免在低速段存液，减轻腐蚀。

⑹低速段应采用水平直通设计，沿减压塔中心线方式布置。同时转油线与减压塔管口采用对焊连接。

⑺为方便操作及施工，在靠近减压塔处进行冷紧，冷紧比一般取0.5～0.6。

⑻为限制管道位移和减小管道振动，转油线布置时一般还需设置支吊架，低速段竖向位移较大时，一般采用弹簧箱支吊架型式，但整条转油线不宜全部用弹簧支吊架，而过渡段不宜采用吊架。

⑼为减少转油线对设备接口与支架的水平推力，低速段支架宜采用滚动摩擦或采用无油润滑来减少相对运动的摩擦力。

工程设计中尽量在遵循以上基本原则的基础上开展设计，可加快进度，节省设计时间。上面装置2中减压炉和减压塔中心间距23.5 m，过渡段直径DN300，分支段管径DN500，低速段直径DN1600，过渡段45°顺介质方向插入分支段，低速段2‰的坡度坡向减压塔。经应力分析，对转油线走向进一步设计调整，并进行管架支撑后确定最终减压转油线布置。装置运行后，减压转油线基本无振动，运行稳定。

4 结论

在常减压蒸馏装置中，减压转油线的设计是非常关键的。在工程设计时应通过详细的计算，并结合经验选择, 合适的转油线管径和材质，同时合理布置转油线，详细设计管道走向，满足工艺技术要求和热应力要求，保障装置长周期稳定运行，提升产品质量、提高拔出率、降低装置的能耗。根据以往的稳定运行案例可知，过渡段流速采用0.7～0.8马赫，低速段采用0.6～0.7马赫计算出的减压转油线管径是合理的，转油线压降小、产品拔出率高、装置能耗低。

符 号 说 明

D_i——转油线过渡段或低速段管内径，m

G——混合流体的质量流量，kg/h

N_m——马赫数

P——在操作条件下，混合流体的压力，MPaA

Q——混合流体的流量，m³/h

U_s——在操作条件下，转油线过渡段或低速段混合流体中的声速，m/s

u——在操作条件下，转油线过渡段或低速段混合流体的实际速度，m/s

Vⁿ——在操作条件下，混合流体的比容，m³/kg

ρ——混合流体密度，kg/m³

参考文献

[1] 孙久茂.低速减压转油线工艺设计探讨［J］.油气综合利用工程,1993,(3):27-30.

[2] 李志强.原油蒸馏工艺与工程［M］.北京：中国石化出版社,2010：1179-1180.

[3] 工业和信息化部.高硫原油加工装置设备和管道设计选材导则：SH/T 3096-2012［S］.北京：中国石化出版社,2012.

[4] 工业和信息化部.高酸原油加工装置设备和管道设计选材导则：SH/T 3129-2012［S］.北京：中国石化出版社,2012.

[5] 邱百昌.常减压蒸馏装置的减压转油线设计［J］.石油化工设计,2011, 28(4):1-3.

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