顏佳卿（中石化上海工程有限公司，上?！?00120）

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低密度聚乙烯裝置火炬氣夾套管的設(shè)計(jì)

顏佳卿
（中石化上海工程有限公司，上海200120）

摘 要化工工藝裝置中常使用夾套管作為伴熱方式。在設(shè)計(jì)中對(duì)于夾套管的設(shè)計(jì)需要注意選材、應(yīng)力等相關(guān)問(wèn)題。以低密度聚乙烯火炬夾套管為研究對(duì)象，從設(shè)計(jì)角度闡述夾套管的配管設(shè)計(jì)、材料選擇及應(yīng)力計(jì)算的一些設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵字 夾套管；伴熱；管道設(shè)計(jì)

夾套管伴熱是化工工藝裝置伴熱的一種常見(jiàn)方式，與蒸汽伴熱和電伴熱相比，夾套管伴熱具有伴熱均勻、伴熱效率高等特點(diǎn)。由于夾套管與其他常見(jiàn)伴熱形式上有較大區(qū)別，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意夾套管材料選擇、內(nèi)外管之間的熱膨脹應(yīng)力、現(xiàn)場(chǎng)施工等問(wèn)題。本文以低密度聚乙烯火炬氣夾套管為研究對(duì)象，闡述夾套管配管設(shè)計(jì)、材料選擇及應(yīng)力計(jì)算的一些設(shè)計(jì)原則。

1　夾套管的夾套形式選擇

夾套管內(nèi)管與外管的連接形式一般有兩種。內(nèi)管焊縫外露型（半夾套）。內(nèi)管焊縫隱蔽型（全夾套）。在設(shè)計(jì)夾套管形式時(shí)一般應(yīng)符合以下要求：

（1）輸送介質(zhì)的凝固點(diǎn)在50~100 ℃的工藝管適宜采用“內(nèi)管焊縫外露型”夾套管，即半夾套管。

（2）輸送介質(zhì)的凝固點(diǎn)高于100 ℃的工藝管適宜采用“內(nèi)管焊縫隱蔽型”夾套管，即全夾套管。

（3）輸送有毒介質(zhì)的工藝管道應(yīng)采用“內(nèi)管焊縫外露型”夾套管，即半夾套管。

低密度聚乙烯裝置火炬氣排放管在正常操作工況時(shí)主要包含原料精制干燥器的再生排放，排放氣緩沖罐排放等，在緊急排放工況時(shí)主要是安全閥排放，反應(yīng)器緊急排放，乙烯單元的緊急排放以及脫氣倉(cāng)的高壓排放等?；鹁婀苤姓Ｅ欧艜r(shí)主要介質(zhì)是氮?dú)?，在泄放工況下主要介質(zhì)是乙烯。為了防止泄放工況下乙烯產(chǎn)生極端低溫工況，保護(hù)下游設(shè)備，因此在火炬排放管上加入蒸汽夾套管，以避免極端低溫工況的產(chǎn)生，保護(hù)下游設(shè)備。鑒于此，此火炬夾套管選用焊縫外露型半夾套型開(kāi)展設(shè)計(jì)。

2　夾套管材料選擇

石油化工夾套管組裝及其配件選用應(yīng)符合SH/T 3040—2012[3]規(guī)范要求。管道材料及組成件應(yīng)滿(mǎn)足工藝溫度、壓力以及管道材料等級(jí)表的要求。

2.1夾套管的壓力、溫度確定

對(duì)于管道材料的選擇首先應(yīng)確定管道的設(shè)計(jì)及操作參數(shù)，通常情況下夾套管管道的壓力、溫度按照以下原則確定：

（1）壓力：通常內(nèi)管管道外壓為外管內(nèi)的伴熱介質(zhì)的設(shè)計(jì)壓力，內(nèi)管管道內(nèi)壓為內(nèi)管介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力。外管的內(nèi)壓應(yīng)為伴熱介質(zhì)的設(shè)計(jì)壓力。

（2）溫度：內(nèi)管管道設(shè)計(jì)溫度應(yīng)選擇工藝介質(zhì)或伴熱介質(zhì)溫度較高者，或由工藝專(zhuān)業(yè)計(jì)算得到的金屬壁溫。外管管道溫度應(yīng)選擇伴熱介質(zhì)溫度。

2.2管道材料選擇

當(dāng)夾套管內(nèi)管、外管溫度、壓力確定后，可以根據(jù)溫度、壓力及物料特性選擇合適的管道材質(zhì)。本火炬管及夾套管的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　火炬夾套管管道工藝參數(shù)Tab.1 Flare pipe design condition

從火炬氣的最大操作溫度工況中存在-43℃的極限低溫工況，因此在設(shè)計(jì)的初期對(duì)于此火炬氣管道選擇使用不銹鋼材質(zhì)（304），夾套管選用普通碳鋼材質(zhì)（20#鋼）。但經(jīng)過(guò)應(yīng)力計(jì)算發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外管應(yīng)力過(guò)大。夾套管材料調(diào)整為火炬氣管道使用低溫碳鋼（A 333），夾套管選用普通碳鋼（20#鋼），順利通過(guò)應(yīng)力計(jì)算。

2.3管道法蘭的選擇

當(dāng)夾套管為內(nèi)管焊縫外露型時(shí)，可使用普通法蘭，法蘭部分不被外管包圍。外管與內(nèi)管之間采用焊接連接方式，主要連接型式有管帽式連接和端板式連接。

管帽式夾套管端部連接形式[3]如圖1、圖2：

圖1　管帽式夾套管Fig.1 Cap type jacket pipe

圖2　墊板管帽式夾套管Fig.2 Cap with plate jacket pipe

端板式夾套管端部連接形式[3]如圖3、圖4。

當(dāng)選用端板式夾套時(shí)應(yīng)注意端板厚度不得小于管道壁厚且材質(zhì)應(yīng)與內(nèi)管材質(zhì)一致。

圖3　外置端板式夾套管Fig.3 Plate type jacket pipe

圖4　內(nèi)置端板式夾套管Fig.4 Plate type with plate jacket pipe

本火炬氣夾套管的端面選用的是管帽式夾套管。

3　夾套管的配管要求

3.1夾套管需滿(mǎn)足工藝要求

夾套管在管道布置時(shí)必須滿(mǎn)足工藝流程要求，避免死端，當(dāng)不可避免時(shí)，應(yīng)在其低點(diǎn)處設(shè)排液口。本火炬氣管道，為了避免危險(xiǎn)介質(zhì)在管道中積聚，因此管道在裝置區(qū)內(nèi)高于管廊，做到步步低布置，以避免液袋?；鹁鏆鈯A套部分布置在管廊上，夾套部分選用管帽端部連接式半夾套。

3.2夾套管管徑的確定

夾套管外管管徑可按照下表2[3]選擇。本火炬氣管管徑為DN 250，按照表2[3]選擇外管管徑為DN 350。在夾套管設(shè)計(jì)時(shí)外管管徑選擇一般比內(nèi)管管徑大兩檔，例如表2[3]中內(nèi)管管徑為DN 40時(shí)外管管徑選擇DN 80，過(guò)小的內(nèi)外管徑差會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)施工困難。由于夾套管施工時(shí)還需要安裝定距板，過(guò)小的內(nèi)外管管徑差會(huì)造成定距板加工難度增大以及現(xiàn)場(chǎng)施工安裝定距板及套管時(shí)非常困難，但過(guò)大的管徑差又會(huì)造成不必要的材料能耗浪費(fèi)。

應(yīng)當(dāng)注意的是如果當(dāng)夾套管為全夾套時(shí)，夾套管內(nèi)管的彎頭應(yīng)采用長(zhǎng)半徑（R =1.5 D）彎頭，外管宜采用短半徑（R =1 D）彎頭。當(dāng)工藝物料特性要求內(nèi)管彎頭曲率半徑等于或大于3DN時(shí)，套管彎頭應(yīng)采用剖切型，且套管彎頭的曲率半徑宜于內(nèi)管的曲率半徑相等。

表2　夾套管內(nèi)外管管徑選擇Tab.2 Jacket pipe size selection

3.3夾套管定距板的設(shè)計(jì)

夾套管長(zhǎng)度不宜超過(guò)6 m。在設(shè)計(jì)時(shí)，火炬管夾套布置為5 m一段，共4段來(lái)滿(mǎn)足工藝換熱要求。夾套管內(nèi)管支撐使用定距板，通常定距板為三塊按照120°角均勻分布，見(jiàn)圖3。定距板材質(zhì)必須與內(nèi)管管道材質(zhì)一致，定距板距外管內(nèi)壁的空隙為1~1.5 mm左右，定距板長(zhǎng)40 mm，厚度為碳鋼6 mm、不銹鋼3 mm。

圖5　夾套管定距板Fig.5 Jacket support

定距板板距應(yīng)滿(mǎn)足管道跨度的要求、建議間距如表3[3]。

表3　定距板間距Tab.3 Jacket support selection

定距板在設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)制作時(shí)應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）夾套管實(shí)際上內(nèi)管與外管并不是固定的而是內(nèi)管在外管間可以滑動(dòng)，因此定距板的位置設(shè)定同時(shí)不應(yīng)阻礙管道膨脹位移方向，具體來(lái)說(shuō)定距板應(yīng)離開(kāi)彎頭處一定距離?？紤]到定距板長(zhǎng)度以及離開(kāi)彎頭焊縫的距離，一般情況下定距板中心離焊縫的最小長(zhǎng)度應(yīng)大于100 mm。

（2）夾套管內(nèi)管預(yù)制時(shí)應(yīng)預(yù)留可調(diào)整段，按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求焊接定距板時(shí)，定距板位置應(yīng)與設(shè)計(jì)文件統(tǒng)一，不影響內(nèi)管外管間的熱膨脹。

夾套伴熱跨線(xiàn)需要注意的問(wèn)題：

（1）伴熱介質(zhì)應(yīng)逆介質(zhì)流向設(shè)置以保證伴熱充分均勻，伴熱管道引入點(diǎn)與引出點(diǎn)應(yīng)盡量靠近端點(diǎn)以避免加熱不充分。

（2）夾套跨線(xiàn)的連接應(yīng)防止積液和堵塞。

（3）伴熱管跨線(xiàn)應(yīng)考慮拆卸并提供足夠的柔性，例如在內(nèi)管壓力高的全夾套管有時(shí)會(huì)使用嵌入式墊片，如RTJ八角型金屬墊圈，考慮到某些法蘭在裝置運(yùn)行中管道可能存在積聚堵塞的情況，法蘭需要拆開(kāi)疏通，這時(shí)伴熱跨線(xiàn)就需要考慮足夠的柔性或考慮拆卸法蘭以便運(yùn)行維護(hù)時(shí)的便利。

4　夾套管的應(yīng)力計(jì)算

當(dāng)夾套管走向確定后需進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，應(yīng)力計(jì)算須滿(mǎn)足SH/T 3041—2002[4]要求。在夾套管設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮內(nèi)、外管之間由于金屬線(xiàn)膨脹系數(shù)以及介質(zhì)溫度不同造成內(nèi)外管之間應(yīng)力過(guò)大，此時(shí)應(yīng)校核管道應(yīng)力。

本火炬氣管道采用蒸汽進(jìn)行伴熱，夾套管采用管帽式半夾套，此夾套管管道在管廊上有4根夾套管（內(nèi)管DN 250、外管DN 300），每根夾套管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為5 m。工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6　火炬夾套管工藝流程Fig.6 Flare jacket pipe P&ID

根據(jù)工藝專(zhuān)業(yè)傳熱計(jì)算得到內(nèi)管、外管的金屬壁溫，見(jiàn)表4。

表4　不同工況下的金屬壁溫Tab.4 Metal wall temperature in different condition

夾套管內(nèi)管、外管之間是管帽式焊接連接，相當(dāng)于內(nèi)管與外管之間是兩個(gè)固定端。當(dāng)介質(zhì)進(jìn)入夾套管中時(shí)，內(nèi)管、外管會(huì)產(chǎn)生形變，這種形變由兩種形變疊加合成（自由熱膨脹量、內(nèi)外管干涉時(shí)的形變量疊加而成），且最終內(nèi)管、外管的形變量一致，詳見(jiàn)圖7。

因此我們可以得出以下結(jié)論：

即內(nèi)管的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與外管的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度一致。

式中 L—夾套管管道長(zhǎng)度，mm；

e—單位熱膨脹量，cm/m；

圖7　夾套內(nèi)、外管熱膨脹示意圖Fig.7 Core pipe and jacket pipe thermal expansion

Δl—內(nèi)、外管干涉時(shí)的長(zhǎng)度變化量。

式中 F—固定點(diǎn)作用力，N；

A—管道截面積，mm2；

E—金屬?gòu)椥阅Ａ?，MPa。

將式（3）代入式（2）得：

此火炬管管徑為DN 250，夾套管管徑DN 350，因此內(nèi)管截面積A內(nèi)為7 460 mm2，外管截面積A外為9 860 mm2，環(huán)境溫度按20 ℃考慮得，查得金屬?gòu)椥阅Ａ考皢挝唤饘倬€(xiàn)型膨脹量如表5。

表5　金屬管道彈性模量及單位線(xiàn)膨脹量Tab.5 Metal modulus of elasticity and expansion

代入公式（5）計(jì)算得到不同工況下焊縫點(diǎn)的受力情況見(jiàn)表6。

根據(jù)公式[1]校核焊縫強(qiáng)度：

表6　焊縫受力情況Tab.6 Force of welding line

式中 τ—焊縫的剪切應(yīng)力，MPa；

[τ]—許用的剪切應(yīng)力，MPa；

F—載荷，N；

H—焊縫直角邊高度，cm（按0.8 cm?。?；

a—焊縫實(shí)際長(zhǎng)度（內(nèi)管外徑周長(zhǎng)取85.7 cm）。

得到在不同工況下內(nèi)、外管連接部位焊縫強(qiáng)度如表7。

表7　內(nèi)、外管連接部位焊縫強(qiáng)度Tab.7 Strength of welding line between core and jacket pipe

根據(jù)GB 50316—2008[2]中碳鋼不同溫度下的許用應(yīng)力查表，發(fā)現(xiàn)管道在火炬管空管且蒸汽持續(xù)加熱工況下焊縫許用強(qiáng)度超過(guò)此溫度下碳鋼的材料許用強(qiáng)度108 MPa。

這時(shí)需要考慮在外管增加膨脹節(jié)補(bǔ)償或者在管道選材上做進(jìn)一步的研究。經(jīng)過(guò)對(duì)比此根火炬氣管道上下游的工況，若內(nèi)管材質(zhì)改為低溫碳鋼，從工藝條件上也可以滿(mǎn)足要求。當(dāng)使用低溫碳鋼時(shí)計(jì)算固定點(diǎn)及校核焊縫強(qiáng)度力計(jì)算結(jié)果如表8。

表8　焊縫校核計(jì)算結(jié)果Tab.8 Calculation result of welding line

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)采用低溫碳鋼時(shí)，在各工況下夾套管受力情況均能通過(guò)核算，尤其是在火炬氣空管、蒸汽持續(xù)加熱工況下，產(chǎn)生的應(yīng)力明顯減小。因此最終此火炬夾套管按照內(nèi)管低溫碳鋼、外管普通碳鋼選型。

5　結(jié)束語(yǔ)

夾套管設(shè)計(jì)時(shí)不僅要滿(mǎn)足通常配管、材料、應(yīng)力方面的問(wèn)題，并且需要針對(duì)物料介質(zhì)特性、管道物料介質(zhì)的溫度及材料所產(chǎn)生的應(yīng)力。選擇合理、經(jīng)濟(jì)的夾套管形式，滿(mǎn)足工藝要求，確保夾套管在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮其伴熱的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，保證裝置安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 張德姜，王懷義，劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，2009：85-86.

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[4] SH/T 3041—2002. 石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Design of Flare Jacket Used in Low Density Polyethylene Plant

Yan Jiaqing
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Abstract:In chemical plant, jacket pipe is commonly used for tracing purpose. In design of jacket pipe, the issues of material selection and stresses should be paid into attention. In this article, with the example of flare jacket pipe in LLDPE plant, and from the view point of design, the principles of layout of jacket pipe, material selection and stress calculation were described.

Keywords:jacket pipe; tracing; piping design

作者簡(jiǎn)介：顏佳卿（1982—），男，工程師，主要從事設(shè)備布置、管道設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理工作。

收稿日期：2015-05-28

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 325.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-817X（2015）06-0022-000