Фильтрация в нефтепереработке по стандартам API: спецификация металлических фильтрующих элементов

Фильтрация технологических процессов нефтепереработки — это контролируемое удаление твердых частиц, пыли катализатора, окалины и технологического мусора из углеводородных и технологических потоков между установками НПЗ, осуществляемое с помощью рассчитанных на давление металлических фильтрующих элементов и сетчатых фильтров, соответствующих стандартам API на машинное оборудование и нормам ASME для трубопроводов под давлением. Эта дисциплина является точной, а не приблизительной: фильтр шлама FCC обычно удаляет пыль катализатора в диапазоне от 1 до 25 микрон, центробежный насос API 610 при пуске защищается временным всасывающим сетчатым фильтром из нержавеющей стали, системы смазочного и уплотнительного масла компрессорной установки API 617 работают с дуплексными фильтрами с номинальной тонкостью фильтрации 10 микрон, а сами элементы рассчитаны на рабочие температуры от 200°C до 450°C, классы давления до ASME Class 2500 и фланцевые соединения, обработанные в соответствии с ASME B16.5. Поскольку каждый из этих показателей привязан к требованиям стандартов, а не к заявлениям поставщиков, фильтрация технологических процессов нефтепереработки — это в первую очередь дисциплина спецификаций, и лишь во вторую — выбор оборудования: определяющий стандарт диктует выбор элемента, а не наоборот.

Почему фильтрация технологических процессов нефтепереработки основывается на стандартах API

НПЗ — это совокупность вращающегося оборудования, реакторов и теплообменников, и каждый фильтр существует для защиты одного из них. Один незапланированный останов крупной установки первичной перегонки нефти или гидрокрекинга может обойтись в семизначную сумму в день из-за потери производительности, а самый быстрый способ вызвать его — допустить попадание мелких частиц, окалины или сварочного мусора в уплотнение насоса, подшипник компрессора или слой активного катализатора. Американский институт нефти (API) разрабатывает стандарты для машинного оборудования, которые нефтепереработчики, лицензиары и EPC-подрядчики используют в качестве контрактной основы, и когда стандарт ссылается на сетчатый или патронный фильтр, этот компонент наследует класс давления, параметры фланцев, материалы и требования к чистоте всей установки. В условиях нефтепереработки фраза «фильтр соответствует API...» является первой строкой любой хорошей спецификации.

Стандарты API, регулирующие применение сетчатых и патронных фильтров в нефтепереработке

Единого «стандарта API на фильтры» не существует; требования к фильтрам и сетчатым фильтрам содержатся внутри стандартов на оборудование и системы, каждый из которых относится к определенной части завода:

• API 610 — Центробежные насосы. Наиболее часто цитируемый стандарт для фильтрации технологических процессов нефтепереработки. Он охватывает временные всасывающие сетчатые фильтры для пуска насосов, определяет требования к материалу сетки и площади живого сечения, а также устанавливает условия, при которых обосновано использование постоянных фильтров. Практически каждая насосная установка на современном НПЗ проектируется по стандарту API 610, что делает его пункты о сетчатых фильтрах наиболее распространенным требованием к фильтрации на заводе.
• API 614 — Системы смазки, уплотнения валов и подачи масла в системы регулирования. Регулирует масляные системы, обслуживающие компрессоры и турбомашины, включая выбор фильтров, дуплексное исполнение, тонкость фильтрации и требования к очищаемым элементам для смазочного масла.
• API 617 — Осевые и центробежные компрессоры. Ссылается на фильтрацию смазочного и уплотнительного масла для компрессорных установок; фильтры обычно являются дуплексными и имеют номинальную тонкость фильтрации около 10 микрон для защиты высокоскоростных подшипников.
• API 618 — Поршневые компрессоры. Устанавливает требования к фильтрации смазочного масла для поршневых рам, где загрязненное масло сокращает срок службы крейцкопфов и подшипников.
• API 676 — Роторные объемные насосы. Требует установки всасывающих сетчатых фильтров, чтобы загрязнения не повредили внутренние детали с малыми зазорами.
• API 682 — Насосы — Системы уплотнения вала. Определяет схемы промывки уплотнений, которые направляют чистую промывочную жидкость через сетчатые или другие фильтры, например, внешний контур подачи чистой жидкости Plan 32.

Наряду со стандартами API для машинного оборудования, ASME B31.3 (Технологические трубопроводы) регламентирует обвязку фильтра и конструкцию корпуса фильтра, в то время как ASME B16.5 определяет размеры фланцев, номинальные параметры давления и температуры, а также типы уплотнительных поверхностей, используемых для подключения корпуса к линии. Корпуса, изготовленные как сосуды под давлением, могут проектироваться в соответствии с ASME Section VIII Division 1. Материалы соответствуют маркам ASTM/EN предприятия — нержавеющая сталь 304L и 316L по умолчанию, а также 904L, duplex и никелевые сплавы для работы в условиях высоких температур или агрессивных сред.

Типы металлических фильтрующих элементов для нефтепереработки: спеченные, тканые и шпальтовые

Фильтрующий элемент — это физическое воплощение технических требований. Три семейства металлических элементов покрывают подавляющее большинство задач фильтрации в технологических процессах НПЗ, и каждое из них соответствует определенному сочетанию размера улавливаемых частиц, температуры и принципа очистки.

Спеченные элементы используются по умолчанию там, где основной проблемой являются мелкие частицы, поскольку они обеспечивают абсолютную степень фильтрации — жесткая пористая структура сохраняет свои характеристики при обратной промывке и температурных циклах. Тканая сетка остается «рабочей лошадкой» для сетчатых фильтров грубой очистки и защиты, где экономичность и площадь живого сечения важнее абсолютной тонкости фильтрации. Шпальтовые сита незаменимы в условиях высокой концентрации твердых частиц, способных забить сетку за несколько часов; V-образный профиль щелей позволяет частицам проходить насквозь, а не застревать в отверстиях. Для более подробного сравнения двух наиболее распространенных семейств обратитесь к руководству KAIFIL по сравнению спеченных металлических фильтров и фильтров из проволочной сетки , где подробно рассматриваются все компромиссы.

Спецификация всасывающих сетчатых фильтров насосов по стандарту API 610

Самая распространенная спецификация фильтрации на НПЗ является и самой рутинной: всасывающий сетчатый фильтр центробежного насоса. Стандарт API 610 требует, чтобы насосные агрегаты могли запускаться с временным сетчатым фильтром, установленным во всасывающем трубопроводе, и то, как этот фильтр специфицирован, определяет, пройдет ли ввод в эксплуатацию гладко или застопорится.

Важное значение имеют три параметра. Фильтрующая сетка — пусковые фильтры обычно имеют сетку 60 mesh (размер ячейки около 250 микрон), а в случаях, когда ожидаются мелкие загрязнения и это позволяет кавитационный запас насоса NPSH, используется сетка 100 mesh (около 150 микрон). Площадь живого сечения — в большинстве проектных спецификаций требуется, чтобы чистая свободная площадь фильтра в два-три раза превышала площадь всасывающего патрубка, чтобы сетка не приводила к «голоданию» насоса при пуске. Геометрия демонтажа — предпочтение отдается коническим и корзинчатым фильтрам, поскольку они обеспечивают большую площадь фильтрации, чем плоская сетка при том же диаметре трубопровода, и их можно извлечь и очистить без резки трубопровода.

Материал и конструкция по-прежнему строго регламентируются: сетка из нержавеющей стали 304L или 316L, каркас и выходной фланец того же класса ASME B16.5, что и всасывающая линия, а также доступ для осмотра и очистки. В случаях, когда технологическая среда остается загрязненной в течение более длительного времени, временный фильтр уступает место постоянному корзинчатому фильтру или дуплексной системе, что позволяет очищать одну корзину, пока другая остается в работе. Предлагаемая KAIFIL линейка конических и корзинчатых фильтров охватывает конические и корзинчатые конструкции, применяемые в этих процессах.

Фильтрация мелких частиц катализатора: спеченные элементы на 1–25 микрон

Наиболее важной задачей фильтрации на современном нефтеперерабатывающем заводе является удаление мелких частиц катализатора. В установках флюид-каталитического крекинга (FCC) катализатор циркулирует между реактором и регенератором и непрерывно истирается; мелкие частицы размером 1–25 микрон уносятся со шламовым маслом и должны быть удалены до того, как этот поток будет продан в качестве котельного топлива или направлен на дальнейшую переработку. В установках гидроочистки та же логика применима на входе: фильтры сырья защищают слои катализатора, поскольку забитый механическими примесями слой теряет свою активность, что приводит к дорогостоящей преждевременной замене.

Спеченные металлические элементы занимают лидирующее положение в этой области по трем причинам. Во-первых, они обеспечивают абсолютную тонкость фильтрации в диапазоне 1–25 микрон, поэтому последующее оборудование проектируется под строго определенные параметры. Во-вторых, они выдерживают высокие температуры: шлам установки FCC выходит из основной ректификационной колонны при температуре 300 °C и выше, что значительно превышает возможности полимерных и картриджных фильтрующих материалов, при этом спеченная структура сохраняет свои характеристики при термическом циклировании. В-третьих, они подлежат очистке на месте: цикл обратной промывки удаляет отфильтрованный осадок с жесткого материала, и элемент возвращается в работу, что делает фильтрацию сверхмелких частиц экономически эффективной при объемах потоков на НПЗ. Разработанные KAIFIL пятислойная спеченная сетка является наиболее часто используемым фильтрующим материалом в этих элементах, а линейка спеченных металлических фильтрующих элементов демонстрирует форматы картриджей, применяемые для фильтрации шлама, сырья гидроочистки и аминовых растворов.

Температура, класс давления и фланцы ASME B16.5

Фильтрация в процессах нефтепереработки редко происходит при температуре окружающей среды. Элементы и корпуса обычно рассчитываются на работу при температурах 200–450°C, где металлические фильтрующие материалы демонстрируют явное преимущество перед всеми остальными. Выбор сплава зависит от рабочей среды: нержавеющие стали 304L и 316L подходят для большинства задач при непрерывной эксплуатации до 450°C, выше которой ползучесть и сенсибилизация становятся определяющими факторами проектирования; сплавы 904L, дуплексные стали и никелевые сплавы расширяют эти возможности в условиях одновременного воздействия высоких температур и коррозии. Спеченные материалы сохраняют геометрию пор и прочность при высоких температурах, поскольку их структура имеет металлургическую связь, а не механическое переплетение — преимущество, с которым не сравнится ни одно полимерное уплотнение при 400°C. Статья KAIFIL о высокотемпературных материалах для фильтровальных труб из нержавеющей стали более подробно объясняет ограничения по сплавам.

Давление указывается в классах ASME, и элемент должен быть рассчитан на перепад давления, который может возникнуть в процессе, а не просто на давление в линии. Типичный корпус фильтра для нефтепереработки изготавливается в соответствии с классами от ASME Class 150 до Class 2500 в зависимости от установки; контуры гидроочистки работают на верхнем пределе этого диапазона. Давление разрушения элемента — его устойчивость к сплющиванию под действием перепада давления, когда осадок блокирует поток — является важным пунктом спецификации, и спеченные материалы выбирают именно потому, что их жесткая структура пор выдерживает высокие перепады давления, возникающие при засорении элемента.

Каждый корпус соединяется с технологическим трубопроводом с помощью фланцев ASME B16.5, поэтому размер, класс и тип уплотнительной поверхности фланца (выступ или кольцевое соединение) входят в спецификацию фильтра. Фланец Class 900 RTJ не взаимозаменяем с фланцем Class 600 RF, а выходное отверстие элемента — будь то трубная решетка картриджа или фланец корзины — должно соответствовать корпусу и линии. Исходя из условий эксплуатации, класса линии и характеристик фланцев, производитель может предложить комплектное решение, состоящее из корпуса и фильтрующего элемента. Для заказа комплектных установок страница KAIFIL, посвященная применению в нефтегазовой и нефтехимической промышленности , подробно описывает варианты внедрения на нефтеперерабатывающих и газоперерабатывающих заводах.

Практический чек-лист спецификаций для фильтрующих элементов НПЗ

При составлении заявки на фильтр или сетчатый фильтр для НПЗ внесите следующие данные в опросный лист перед обращением к поставщику:

1. Рабочая среда и поток. Установка, линия и рабочая жидкость — сырая нефть, шламовое масло, сырье гидроочистки, амин или смазочное масло — с указанием удельного веса, вязкости и характеристик твердых примесей при рабочих условиях.
2. Задача фильтрации. Тонкость фильтрации в микронах (номинальная или абсолютная); распределение мелкодисперсных частиц по размерам; и допустимая эффективность фильтрации (коэффициент бета), если наличие мелких частиц критично.
3. Технологические условия. Рабочая и расчетная температура и давление, нормальный и максимальный расход, а также допустимый перепад давления для чистого и загрязненного фильтра.
4. Тип фильтрующего элемента. Спеченный металл, тканая сетка или щелевая решетка, с указанием материала и конструкции фильтрующей среды; длина, диаметр и тип соединения элемента, соответствующие корпусу.
5. Требования к корпусу. Размер, класс и тип уплотнительной поверхности фланца по ASME B16.5; расчет по стандарту ASME B31.3 или Section VIII; количество элементов; и метод очистки — запасные элементы, обратная промывка или переключение на дуплексный фильтр.
6. Стандарты и документация. Применимый стандарт API (610, 614, 617 или 618), сертификаты на материалы, а также любая документация по NDE или испытаниям под давлением, требуемая для проекта.

Полный технический паспорт позволяет производителю предложить элемент, который уже соответствует параметрам API, а не типовое изделие, требующее доработки — в этом и заключается разница между фильтром, который выдерживает ввод в эксплуатацию, и тем, который приходится заменять при первом же плановом останове.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между фильтром грубой очистки и фильтром тонкой очистки в технологических процессах фильтрации на НПЗ?

Фильтр грубой очистки — это устройство грубой защиты, обычно представляющее собой корзину или конус из тканой проволочной сетки, которое улавливает крупный мусор — окалину, брызги сварки, трубный шлак, способные повредить вращающееся оборудование; классическим примером является временный всасывающий фильтр грубой очистки по стандарту API 610 на центробежном насосе. Фильтр тонкой очистки — это калиброванное разделительное устройство, которое удаляет мелкие твердые частицы, такие как мелкие частицы катализатора, в соответствии с заданным микронным номиналом. Различие заключается в их назначении: фильтры грубой очистки защищают оборудование, фильтры тонкой очистки защищают качество продукции и слои катализатора, при этом оба типа устройств обычно устанавливаются на одной и той же установке.

Какой стандарт API регламентирует всасывающие фильтры грубой очистки насосов?

Стандарт API 610 «Центробежные насосы для нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности» регламентирует всасывающие фильтры грубой очистки насосов для эксплуатации на НПЗ. Он устанавливает требования к временным пусковым фильтрам грубой очистки для центробежных насосов, включая материал фильтрующей сетки и требования к площади живого сечения, предотвращающие «голодание» насоса. Постоянные фильтры грубой очистки, если они используются, обычно подбираются под те же классы фланцев и давления.

Какая тонкость фильтрации в микронах требуется для удаления мелких частиц катализатора на НПЗ?

Мелкие частицы катализатора в шламовом масле установок FCC обычно имеют размер от 1 до 25 микрон, поэтому фильтры для этих сред подбираются в данном диапазоне, а элементы с абсолютной тонкостью фильтрации 1–5 микрон используются там, где последующие процессы требуют качества, близкого к финишной очистке. Спеченные металлические элементы являются стандартным выбором, поскольку они обеспечивают абсолютный номинал фильтрации при таких размерах частиц, выдерживают температуру шлама свыше 300°C, а также могут подвергаться обратной промывке и использоваться повторно.

Могут ли спеченные элементы из нержавеющей стали выдерживать высокие рабочие температуры на НПЗ?

Да. Спеченные элементы из нержавеющей стали регулярно подбираются для эксплуатации на НПЗ при температурах 200–450°C. Металлургически связанная пористая структура сохраняет свой номинал фильтрации и механическую прочность при высоких температурах, поэтому спеченные фильтрующие материалы — в отличие от полимерных или механически тканых материалов — предпочтительны для высокотемпературных сред, таких как шлам установок FCC и контуры гидроочистки. При непрерывной эксплуатации выше примерно 450°C марка сплава меняется с 304L/316L на 904L, дуплексные или никелевые сплавы для предотвращения ползучести и коррозии.

Поддаются ли спеченные металлические фильтрующие элементы очистке и пригодны ли они для повторного использования?

Да. Спеченные металлические фильтрующие элементы рассчитаны на многократную очистку — обратную продувку, обратную промывку или ультразвуковую очистку — и возвращаются в эксплуатацию без изменения пористой структуры. Поскольку фильтрующий материал является жестким и металлургически связанным, он не растягивается и не смещается, как это может происходить с ткаными материалами, что делает спеченные элементы экономически выгодными для процессов с высоким содержанием мелких частиц, в которых одноразовые картриджи быстро приходили бы в негодность.

Выбирайте фильтрующие элементы для НПЗ с уверенностью — обратитесь к KAIFIL

Каждая спецификация на фильтрацию для технологических процессов НПЗ сводится к одному и тому же вопросу: соответствует ли элемент стандарту до того, как он поступит в технологический процесс? KAIFIL проектирует и производит спеченные металлические фильтрующие элементы, фильтрующие картриджи из спеченной проволочной сетки, корзинчатые фильтры и щелевые экраны из клиновидной проволоки из нержавеющей стали и жаропрочных сплавов, изготовленные в соответствии с требованиями API и ASME, описанными в данном руководстве. Если вы подбираете всасывающий фильтр по стандарту API 610, фильтр для улавливания мелких фракций катализатора тонкостью 1–25 микрон или высокотемпературный элемент для контура гидропроцессинга, отправьте KAIFIL ваши рабочие условия и технический паспорт и получите рекомендацию, разработанную под стандарт, а не просто готовое решение со склада. Свяжитесь с KAIFIL сегодня, чтобы получить сертифицированные и документированные фильтрующие элементы для технологических установок вашего НПЗ.