雙材質(zhì)夾套管熱膨脹應(yīng)力研究及消除

陳宜東 張海洋 陳繼偉

摘 要：夾套管在石油化工、煉焦化工、精細(xì)化工等裝置中應(yīng)用較為廣泛，化工裝置中常常使用其加熱或冷卻物料，也有用作生產(chǎn)物料的熱能回收利用。它由內(nèi)管（主管）和外管組成，一般采用碳鋼或不銹鋼材質(zhì)，也有出于工藝和經(jīng)濟(jì)考慮選用兩種材質(zhì)加工制造，即雙材質(zhì)夾套管，雙材質(zhì)加套管因膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的破壞力容易使夾套管開裂發(fā)生介質(zhì)泄露。文章主要通過對(duì)內(nèi)外管采用兩種材質(zhì)的加套管在運(yùn)行中的熱應(yīng)力研究分析，找出破壞力產(chǎn)生的原因，并針對(duì)性的提出防范措施，以提高其在生產(chǎn)過程中的可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：雙材質(zhì)夾套管;膨脹差值;熱應(yīng)力;破壞力;消除

夾套管的內(nèi)管輸送的介質(zhì)為工藝物料，外管的介質(zhì)為蒸汽、熱水、導(dǎo)熱油、冷媒或聯(lián)苯熱載體等。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于其使用的工藝環(huán)境較為復(fù)雜，使用的介質(zhì)具有一定的壓力、高溫、毒性、甚至易燃易爆，一擔(dān)泄露，極有可能發(fā)生中毒、火災(zāi)、爆炸、甚至傷人事故，特別是雙材質(zhì)夾套管因膨脹系數(shù)不一致，更易出現(xiàn)開裂泄露問題。

去年，我單位使用的雙材質(zhì)夾套管，在升溫至工作溫度（約300℃）準(zhǔn)備投料過程中，因夾套管裂紋引起介質(zhì)（洗油）泄露發(fā)生了著火事故，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看和分析，在夾套管設(shè)計(jì)制造過程中，未充分考慮內(nèi)外管的膨脹系數(shù)不一致的問題，內(nèi)外套管膨脹量不一致產(chǎn)生應(yīng)力造成焊口開裂、泄漏引發(fā)了火災(zāi)事故。

因此如何解決雙材質(zhì)加套管在生產(chǎn)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，減少和杜絕事故的發(fā)生，不得不引起我們的重視。

1 雙材質(zhì)膨脹量分析

以我單位再用夾套設(shè)備為例，內(nèi)管為304不銹鋼（0Cr18Ni9）材質(zhì)，外管為碳鋼（45）材質(zhì)，管段長(zhǎng)度為4000mm，室溫20℃，生產(chǎn)過程中介質(zhì)溫度300℃建立分析模型。

1.1 膨脹系數(shù)

經(jīng)網(wǎng)上檢索“不同溫度下金屬材料的線性膨脹系數(shù)一覽表”，其線性兩種材質(zhì)膨脹系數(shù)如表一：

1.2 膨脹差值計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，在300℃時(shí)該管段兩種材質(zhì)膨脹量相差5.163mm，內(nèi)外管在升溫過程中膨脹量不一致，使焊口處產(chǎn)生一定應(yīng)力，具有極大的破壞性，導(dǎo)致焊口開裂發(fā)生事故。

2 熱膨脹應(yīng)力的消除

雙材質(zhì)夾套管的膨脹量與夾套管的長(zhǎng)度成正比，尺寸較短的雙材質(zhì)夾套管的內(nèi)外膨脹差較小，隨著雙材質(zhì)夾套管的長(zhǎng)度增加，內(nèi)外管膨脹差值越來越大，產(chǎn)生的應(yīng)力也就隨之增加，其變形量不足于被管段吸收（雙材質(zhì)夾套管的膨脹應(yīng)力大于其可承受的應(yīng)力范圍），以至于達(dá)到破壞焊口或其他薄弱點(diǎn)的應(yīng)力，造成設(shè)備開裂發(fā)生泄露事故。

為避免事故的發(fā)生的發(fā)生，必須消除膨脹應(yīng)力，即補(bǔ)償雙材質(zhì)夾套管的膨脹差值。

2.1 補(bǔ)償器的選擇及安裝

通過以上分析研究，采用波紋補(bǔ)償器補(bǔ)償內(nèi)外管的膨脹差值，是解決上述難題的有效途徑。

波紋補(bǔ)償器也稱伸縮節(jié)、膨脹節(jié)、補(bǔ)償器，俗稱波紋管，波紋補(bǔ)償器是利用波紋管的彈性元件的有效伸縮變形來吸收管線、導(dǎo)管或容器由熱脹冷縮等原因而產(chǎn)生的尺寸變化的一種補(bǔ)償裝置，屬于一種熱補(bǔ)償元件。

波紋補(bǔ)償器，其體積小，重量輕，占地面積和占用空間小，易于布置，安裝方便。波紋管補(bǔ)償器具有良好的密封性能，不需要進(jìn)行維修，承壓能力和工作溫度較高，直接焊接在需補(bǔ)償?shù)墓芏紊霞纯伞?/p>

在外管加裝波紋管比較方便可行，本案例內(nèi)管膨脹大于外管，因此，在外管加裝預(yù)緊力波紋管即可，如下圖一：

2.2 運(yùn)行效果

根據(jù)計(jì)算的內(nèi)外管膨脹差值，匹配了合適的波紋管補(bǔ)償器，經(jīng)過升溫實(shí)驗(yàn)后投入運(yùn)行，到目前已達(dá)一年之久，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，其補(bǔ)償器有效吸收了雙材質(zhì)夾套管軸向熱變形量，保障了雙材質(zhì)夾套管的安全運(yùn)行。

2.3 補(bǔ)償器安裝注意事項(xiàng)

補(bǔ)償器的安裝是有一定技術(shù)要求的，因補(bǔ)償器未按要求安裝，也可能起不到補(bǔ)償?shù)淖饔?，甚至發(fā)生事故。因此，其下幾點(diǎn)應(yīng)引起重視。

①加裝補(bǔ)償器一定要嚴(yán)格計(jì)算補(bǔ)償量，根據(jù)補(bǔ)償量選擇合適的補(bǔ)償器;②補(bǔ)償器在安裝前應(yīng)先檢查其型號(hào)、規(guī)格及管道配置情況，必須符合要求;③需要進(jìn)行“冷緊”的補(bǔ)償器，預(yù)變形所用的輔助構(gòu)件應(yīng)在管路安裝完畢后方可拆除;④管系安裝完畢后應(yīng)盡快拆除金屬波紋補(bǔ)償器上輔助定位構(gòu)件及緊固件，并按設(shè)計(jì)要求調(diào)到規(guī)定位置，使管系在環(huán)境條件下有充分的補(bǔ)償能力;⑤補(bǔ)償器所有活動(dòng)元件不得被外部構(gòu)件卡死或限制其活動(dòng)范圍，應(yīng)保證各活動(dòng)部位的正常動(dòng)作。

3 其他需要說明的問題

①在設(shè)計(jì)雙材質(zhì)夾套管時(shí)，不是萬不得已的情況下，套管管段不宜設(shè)計(jì)的過長(zhǎng);②充分考慮雙材質(zhì)夾套管的整體膨脹量，以便對(duì)其整體膨脹量進(jìn)行補(bǔ)償;③整體管段安裝時(shí)，要合理地選擇固定支點(diǎn)和滑動(dòng)支點(diǎn)的位置，以達(dá)到消除膨脹量（膨脹應(yīng)力）的目的;④夾套管整體管段的保溫效果也影響內(nèi)外管的溫差變化，因此，應(yīng)做好外殼保溫以減少其對(duì)膨脹量的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

夾套管作為熱交換設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的，在化工生產(chǎn)過程中，應(yīng)用及其廣泛。其結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但其由于受溫度變化、介質(zhì)壓力、介質(zhì)性質(zhì)以及材質(zhì)的影響，存在一定的安全隱患，易造成泄漏事故，甚至事故擴(kuò)大。因此，在設(shè)計(jì)、制造、安裝過程中應(yīng)充分考慮相關(guān)因素，特別是雙材質(zhì)夾套管溫度變化引起的膨脹量的消除應(yīng)引起我們的高度重視，以保證其在生產(chǎn)運(yùn)行中的安全。

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