余 攀

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

夾套管設(shè)計(jì)優(yōu)化

余 攀

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

夾套管伴熱具有伴熱效率高、伴熱均勻、溫度調(diào)節(jié)迅速等優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)中得到了廣泛運(yùn)用。本文介紹了夾套管配管設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，探討減小夾套管熱應(yīng)力的方法，同時(shí)，簡(jiǎn)要介紹了三維模型中夾套管的設(shè)計(jì)。

夾套管；設(shè)計(jì)優(yōu)化；應(yīng)力分析；三維模型

管道伴熱方式有伴管伴熱、夾套管伴熱和電伴熱。當(dāng)物料黏度高、需要均勻加熱而不允許有局部過(guò)熱時(shí)，工藝上一般選擇夾套管伴熱的方式。夾套管伴熱具有伴熱效率高、伴熱均勻的突出優(yōu)勢(shì)，是工藝要求苛刻的場(chǎng)合、特別是對(duì)溫度控制要求嚴(yán)格的高溫場(chǎng)合的最佳選擇。

1 夾套管配管設(shè)計(jì)

1.1 夾套管組合尺寸

夾套管的組合尺寸通常按SH 3040-2012表7.2.1選取，在選用時(shí)應(yīng)注意由于內(nèi)外管熱膨脹量不一致，引起的彎頭部位接觸問(wèn)題，需校核所選組合彎頭的內(nèi)外管間隙及彎頭處內(nèi)外管相對(duì)熱膨脹量。如果內(nèi)外管碰撞，則夾套管外管尺寸應(yīng)考慮加大或?qū)濐^處局部擴(kuò)徑，見圖1。

圖1 彎頭處局部擴(kuò)徑

1.2 夾套分支管

夾套管上有分支管連接時(shí)，應(yīng)注意操作狀態(tài)下因內(nèi)外管熱膨脹量不一致，可能導(dǎo)致外管三通與內(nèi)管上的支管碰撞，尤其要注意內(nèi)管上的分支管采用支管臺(tái)連接的情況。如出現(xiàn)碰撞，可通過(guò)以下兩種方式進(jìn)行調(diào)整：

(1)調(diào)整分支管位置，使其靠近內(nèi)外管連接處，減小分支管處內(nèi)外管相對(duì)熱位移。

(2)采用擴(kuò)大外管分支管的尺寸加同心異徑管的形式進(jìn)行連接，增大分支管處內(nèi)外管的間隙，見圖2。

圖2 擴(kuò)大外管分支管的尺寸

1.3 法蘭與設(shè)備管口連接

圖3 普通法蘭與設(shè)備管口連接

對(duì)于全夾套伴熱系統(tǒng)，與夾套法蘭連接的設(shè)備管口法蘭也應(yīng)為夾套型，需按照材料等級(jí)表的規(guī)定給設(shè)備專業(yè)提出相應(yīng)的法蘭要求。當(dāng)設(shè)備管口法蘭采用普通法蘭時(shí)，與之配對(duì)的管道法蘭也應(yīng)為普通法蘭，夾套外管采用管帽式或端板式與內(nèi)管連接，并盡量靠近設(shè)備管口，減少熱量損失，管口附件無(wú)伴管處填充導(dǎo)熱膠泥，見圖3。

1.4 定位板

定位板位于夾套管的內(nèi)管和外管之間，起支承和定位的作用，可以有效防止內(nèi)外管的偏心,定位板焊接在內(nèi)管的外壁上，材質(zhì)與內(nèi)管相同。定位板間距應(yīng)根據(jù)內(nèi)管公稱直徑確定，可參照SH 3040-2012表7.2.4選取。設(shè)計(jì)無(wú)要求時(shí)，施工單位可按SHT3546-2011第6.5條的規(guī)定進(jìn)行定位板的安裝。

1.5 四通

對(duì)于高黏度易凝且無(wú)毒介質(zhì)，當(dāng)需要使用機(jī)械對(duì)管線進(jìn)行清理的夾套管道，可以采用四通代替彎頭或三通連接，用四個(gè)分支中的任意兩個(gè)或三個(gè)分支來(lái)連接管道，剩余分支口用法蘭加盲法蘭封堵。管道堵塞后可以從不同方向進(jìn)行清理，但使用時(shí)應(yīng)注意對(duì)四通進(jìn)行全面的保溫。外管使用剖切四通，剖切形式有橫切和縱切兩種，根據(jù)實(shí)際情況選用。

1.6 隔板

為保證伴熱效果，管路中伴熱介質(zhì)的流向應(yīng)單一，避免出現(xiàn)一進(jìn)多出、多進(jìn)多出的情況。對(duì)于復(fù)雜的管路系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)伴熱介質(zhì)流向?yàn)閱我环较虻臅r(shí)候，應(yīng)加隔板將伴熱系統(tǒng)分為多個(gè)單向流動(dòng)系統(tǒng)。

1.7 拆卸法蘭

夾套管內(nèi)的工藝介質(zhì)黏度高、易堵，所以?shī)A套管應(yīng)適當(dāng)設(shè)置拆卸法蘭，當(dāng)發(fā)生堵塞時(shí)能快速疏通。另外，部分夾套管采用工廠預(yù)制的方式，尤其是電拋光管線，不允許現(xiàn)場(chǎng)施焊，為方便運(yùn)輸，需要增加拆卸法蘭，以控制每段管線長(zhǎng)度和走向[1]。

2 夾套管的應(yīng)力分析

在管道應(yīng)力分析中,夾套管的應(yīng)力分析屬于一個(gè)特殊問(wèn)題。夾套管應(yīng)力分析的計(jì)算溫度，外管取伴熱介質(zhì)溫度，內(nèi)管取工藝介質(zhì)溫度或伴熱介質(zhì)溫度兩者中較高者，還需要校核外管的環(huán)境溫度和內(nèi)管的工藝介質(zhì)溫度。

夾套管的應(yīng)力分析應(yīng)包括兩部分：(1)分節(jié)夾套管段的應(yīng)力分析；(2)整個(gè)管系應(yīng)力分析。對(duì)于分節(jié)夾套管段，由于在法蘭、管帽或端板處內(nèi)外管之間為剛性連接，內(nèi)外管之間溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大時(shí)，容易造成外管與內(nèi)管之間焊縫拉裂，尤其是對(duì)于管帽式或端板式夾套管，其焊縫受力為剪應(yīng)力，更容易受到破壞。

管道熱膨脹量的計(jì)算公式為△L=αL△T(其中△L為熱態(tài)管道膨脹量，α為管道的線膨脹系數(shù)，L 為管長(zhǎng)，△T 為管道從安裝狀態(tài)到操作狀態(tài)的溫度變化值)，對(duì)于分節(jié)夾套管段，減小內(nèi)外管間熱應(yīng)力主要有以下方法：

(1)選用與被伴熱介質(zhì)溫度相近的伴熱介質(zhì)進(jìn)行伴熱，減小內(nèi)外管溫差；

(2)內(nèi)外管采用平均線膨脹系數(shù)相近的材料；

(3)采用自然補(bǔ)償?shù)姆绞剑?/p>

(4)減小分節(jié)夾套管段長(zhǎng)度，見圖4；

圖4 減小分節(jié)夾套管段長(zhǎng)度

(5)在外管上設(shè)置膨脹節(jié)，見圖5。

圖5 外管上設(shè)置膨脹節(jié)

伴熱介質(zhì)溫度和內(nèi)外管材料受工藝條件和投資的限制，工程設(shè)計(jì)上優(yōu)先選用自然補(bǔ)償?shù)姆绞綔p小分節(jié)夾套管段的熱應(yīng)力，其次采用減小分節(jié)夾套管段長(zhǎng)度的方式。當(dāng)管道布置受限，或采用以上兩種方式仍然不能滿足應(yīng)力要求時(shí)，可在外管上設(shè)置膨脹節(jié)。膨脹節(jié)作為管道上的薄弱環(huán)節(jié)，要合理選擇支架形式及設(shè)置位置，避免受到破壞。

對(duì)整個(gè)管系進(jìn)行應(yīng)力分析的關(guān)鍵是建立正確的力學(xué)模型。利用CAESAR Ⅱ進(jìn)行夾套管應(yīng)力分析時(shí)，內(nèi)外管應(yīng)作為一個(gè)系統(tǒng)分析。由于夾套法蘭、管帽或端板處內(nèi)外管為剛性連接，夾套管X、Y、Z 向位移及繞管道軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)受限，模擬內(nèi)外管相連處為Cnode 連接[2](CNode 是關(guān)聯(lián)自由度，使用CNode 相互約束的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們與外界沒(méi)有“約束”)。在定位板處，采用計(jì)算程序具有的約束功能，使外管與內(nèi)管在徑向上具有相同的線位移，而在其他方向上可具有相對(duì)線位移和角位移。外管上的滑動(dòng)承重架及導(dǎo)向架按普通方法模擬即可。一般情況下，主要采取自然補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)減小整個(gè)管系的熱應(yīng)力。

3 三維模型中夾套管設(shè)計(jì)

對(duì)于PDS 系統(tǒng)，同一物理坐標(biāo)處不允許出現(xiàn)兩條管線的segment 中心線，但夾套管內(nèi)管、外管屬于中心線重合的情況，如果在同一模型中的同一物理坐標(biāo)處對(duì)內(nèi)管外管同時(shí)建模，將被系統(tǒng)視為錯(cuò)誤和碰撞，影響管道ISO圖的生成和導(dǎo)出材料報(bào)告。為此將夾套內(nèi)管和夾套外管分別建立到不同的模型區(qū)(Area1,Area2…)的同一物理坐標(biāo)處，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)管和外管模型的重合來(lái)滿足三維模型審查工作，以及內(nèi)管與外管分開抽取ISO圖和導(dǎo)出材料報(bào)告的目的。

PDS模型中可用虛擬支架示意定位板，在夾套內(nèi)管上標(biāo)示出位置，供應(yīng)力計(jì)算和施工單位安裝。

夾套法蘭規(guī)格可按HG/T 20615-2009中附錄B選取，建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)夾套法蘭公稱尺寸應(yīng)表示為內(nèi)管公稱直徑X外管公稱直徑，與其配套使用的墊片應(yīng)按照外管公稱直徑來(lái)選取。

4 結(jié)語(yǔ)

由于夾套管結(jié)構(gòu)的特殊性，其設(shè)計(jì)是管道設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，只有充分了解和掌握夾套管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化管道設(shè)計(jì)，才能達(dá)到最佳的伴熱效果，實(shí)現(xiàn)裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。

[1] 邱瑞玲,阿德江.聚合物裝置蒸汽夾套管的設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)計(jì),2014,31(2):52-54.

[2] 邢 軍,劉鳳臣.淺談硫磺回收裝置中蒸汽夾套管的應(yīng)用[J].化工設(shè)計(jì),2005,15(2):26-31.

(本文文獻(xiàn)格式：余 攀.夾套管設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].山東化工,2017,46(11):135-136.)

Jacketed Pipe Design Optimization

YuPan

(Sinopec Ningbo Engineering Co.,Ltd.,Ningbo 315103,China)

Jacketed pipe heat tracing is associated with high thermal efficiency,uniform heating,the advantages of the temperature control quickly,has been widely used in the production.This paper introduces the matters needing attention of jacketed pipe design,reduce the jacketed pipe thermal stress are discussed,at the same time,a brief introduction to the 3 d model in the design of the jacketed pipe.

jacketed pipe;optimization design;stress analysis;3D model

2017-04-05

余 攀(1987—)，男，湖北孝感人，工程師，大學(xué)本科，從事配管設(shè)計(jì)工作。

TQ055.8

A

1008-021X(2017)11-0135-02