夾套管熱效率的分析與提高

張秀蓮

德希尼布工程咨詢（上海）有限公司 （上海 200031）

工作研究

夾套管熱效率的分析與提高

張秀蓮

德希尼布工程咨詢（上海）有限公司 （上海 200031）

夾套管運行中熱媒的熱效率非常關(guān)鍵，它直接影響著工藝物料的順利傳輸。簡單地說，熱效率的問題就是熱媒的儲熱均勻性和傳熱均勻性問題。主要列舉了夾套管運行中經(jīng)常出現(xiàn)的問題以及這些問題給夾套管帶來的弊端；分析了造成這些問題的原因；重點提出了提高熱效率所采取的有效措施。

夾套管 熱效率 熱媒 折流板 定位板

夾套管是一種具有內(nèi)外同心雙層管道組成的特殊結(jié)構(gòu)管道系統(tǒng)，內(nèi)管用于輸送工藝介質(zhì)，套管內(nèi)流動著起保溫或加熱作用的熱媒，熱媒承載著足夠的熱能以補充內(nèi)管工藝介質(zhì)在輸送或停輸期間的熱損失，工藝介質(zhì)和熱媒靠對流完成熱交換，保證了工藝介質(zhì)的溫度，從而達到工藝物料所需的工況，簡單地說，熱媒的作用體現(xiàn)在以下幾點：（1）保持高黏度產(chǎn)品的流動性；（2）避免工藝物料在低溫時產(chǎn)生分解；（3）防止工藝物料產(chǎn)生固化；（4）防止腐蝕性冷凝液的形成；（5）避免工藝流體由于溫度降低而堵塞管路等。

夾套管是石油化工生產(chǎn)中常用的保溫管道類型之一，夾套具有傳熱效率高、伴熱均勻、溫度調(diào)節(jié)迅速、可控性良好等優(yōu)勢，因而在工程設(shè)計和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，下面對工程設(shè)計中遇到的一些夾套管熱效率問題進行技術(shù)剖析。

1 夾套管運行中常出現(xiàn)的問題

（1）內(nèi)管受熱不均勻。主要表現(xiàn)在內(nèi)管的上半部分和下半部分接收的熱量不一樣。

（2）熱媒行程太長，熱負荷補償不足。主要表現(xiàn)在夾套的熱媒熱負荷消耗大，剩余的熱負荷不足以滿足內(nèi)管的熱負荷需求，所以需要補充新的熱量。

（3）有死角存在，造成內(nèi)管工藝物料堵塞。死角多產(chǎn)生在夾套的盲端和三通、分支部位，例如絕緣法蘭端部壓力計、溫度計、取樣等部位。絕緣法蘭端部一般是靠近熱媒的進出口位置，對于連續(xù)流動的工藝物料不會產(chǎn)生太大的影響，如果工藝物料是間歇性的，處于夾套盲端位置的工藝物料就得不到充分的熱量，從而導(dǎo)致溫度下降。對于上述情況，熱媒會流通不暢，嚴(yán)重時熱媒還會處于靜止?fàn)顟B(tài)。

（4）熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油的夾套會產(chǎn)生氣體蒸發(fā)現(xiàn)象，在夾套管內(nèi)部形成氣袋，熱媒形成斷路。熱媒的不流暢，會導(dǎo)致供熱的不穩(wěn)定，造成工藝管線某些部位受熱多，溫度高；某些部位受熱少，溫度低。

（5）夾套檢修泄壓后，熱媒無法泄放。熱媒的殘留不但會對管道的機械強度造成危害，還會降低熱媒系統(tǒng)重新運行后的熱效率。因為冷媒、熱媒混合后，會大大降低熱媒的潛熱。

2 問題產(chǎn)生的主要原因分析

出現(xiàn)以上問題，分析認(rèn)為主要有以下幾個方面的原因：

（1）沒有正確選擇熱媒與夾套類型，且熱媒在夾套管上進出口的位置不正確。

（2）熱負荷損失計算不準(zhǔn)確，熱負荷補償計算模糊，保溫厚度計算偏差過大。

（3）折流、均流措施不正確，盲端管段、盲端閥門出現(xiàn)夾套盲區(qū)和死區(qū)。

（4）熱媒為導(dǎo)熱油的夾套管道系統(tǒng)沒有形成步步高走向，管線走向中出現(xiàn)了倒U型氣袋。水平布置的管線未設(shè)置坡度，在熱油分配站上未設(shè)放氣閥。

（5）熱水、蒸汽、導(dǎo)熱油夾套均在管道系統(tǒng)的最低點未設(shè)置放凈。

3 改進措施

針對以上存在的各種問題，在設(shè)計中應(yīng)實行以下相對應(yīng)的改進措施。

3.1 正確選擇熱媒和夾套類型

夾套中常選用的熱媒有導(dǎo)熱油、蒸汽、熱水、脫鹽水（軟化水）等。一般比較常用的導(dǎo)熱油有聯(lián)苯、聯(lián)苯醚類、氫化三聯(lián)苯、芐基甲苯和二芐基甲苯等。導(dǎo)熱油具有熱穩(wěn)定性好、凝固點較低、沸點較高等特點，使用溫度范圍十分寬（-39～400℃），并且蒸汽壓不高，蒸發(fā)損失少，所以對加熱具有較高和較低溫度要求的工藝物料特別有優(yōu)勢，對于溫度精度要求極高（±1℃）的工藝介質(zhì)應(yīng)使用導(dǎo)熱油夾套。蒸汽分為飽和蒸汽和過熱蒸汽，夾套使用的是飽和蒸汽，蒸汽的熱穩(wěn)定較差、冷卻速度大，易于突然降溫，所以不適用于熱敏感的工藝介質(zhì)，并且蒸汽使用溫度范圍有一定的局限性。熱水和脫鹽水可以作為熱媒也可以作為冷媒，但使用的溫度范圍很窄，對黏稠和熱敏感的工藝介質(zhì)可以選用熱水夾套。熱媒的選擇既取決于熱媒本身的儲熱能力和水平，也取決于工藝物料的要求。夾套從結(jié)構(gòu)形式上分為內(nèi)管焊縫隱蔽型（全夾套）和內(nèi)管焊縫外露型（半夾套）兩種。全夾套非常有利于熱傳導(dǎo)，因為內(nèi)管加熱沒有空缺，所以從傳熱的角度來講，在管道的夾套系統(tǒng)中，閥門、過濾器等管道器材盡量多選用夾套型的，整個管道系統(tǒng)優(yōu)先選用全夾套型。但以下情況應(yīng)優(yōu)先選用半夾套型：（1）內(nèi)管輸送的工藝介質(zhì)具有毒性，為了便于檢查有毒工藝介質(zhì)的泄漏，一般采用半夾套型。（2）內(nèi)管輸送的是食品、醫(yī)藥等，為了保證內(nèi)管物料的衛(wèi)生和潔凈純度要求、防止熱媒滲入內(nèi)管，一般也選用半夾套型。

3.2 保證充足的熱能

要保證夾套的良好傳熱，就必須保證熱媒有充足的熱能儲蓄。所以工藝計算準(zhǔn)確性十分重要。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的相關(guān)公式計算出熱媒的熱負荷損失、夾套管熱負荷消耗量、保溫層厚度等，才能確定夾套管外管的公稱直徑和熱媒許可行程。表1是以蒸汽為熱媒的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

表1 以蒸汽為熱媒的經(jīng)驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

3.3 正確實施均流措施，提高傳熱的均勻性

實現(xiàn)均流的方法主要有以下幾種：

（1）加設(shè)折流板

折流板是用來改變熱媒流向的板，其作用是增加湍流、減少死區(qū)、加長流程，以此來提高換熱效果。折流板一般用在熱媒進出口處，距離進出口管外壁大約12.7 cm的位置，如圖1所示。

折流板的規(guī)格、尺寸見表2。

圖1 折流板圖示

圖1適用于熱媒是熱水、導(dǎo)熱油、脫鹽水的夾套，圖中熱媒從水平管線底部進入，從頂部泄放出去。圖中箭頭方向標(biāo)示出了熱媒流動的軌跡，刻意改變了熱媒自然流動的軌跡和狀態(tài)，消除了套管的盲端，有效保證了法蘭端夾套換熱的效果。折流板焊接在內(nèi)管外壁上，材料與內(nèi)管相同。

表2 折流板/三通隔板的規(guī)格尺寸

（2）加設(shè)三通隔板

三通隔板是焊接在內(nèi)管外壁三通底部的一塊隔板，適用于較短的分支管段，如溫度表、壓力計、放空、放凈等部位，一般在M1值不超過200 mm的情況下適用該方法。在三通隔板的底部有一個R=5 mm的小圓孔，該小孔可以保證內(nèi)管底部夾套熱媒介質(zhì)的連續(xù)流動，消除底部盲區(qū)，以此保證內(nèi)管底部工藝物料的充分熱交換，同時也保證分支管道的熱交換和夾套管內(nèi)的熱媒均流勻熱的良好工況。見圖2。隔板材質(zhì)與內(nèi)管材質(zhì)相同，隔板焊接在內(nèi)管的外壁，其規(guī)格尺寸見表2。

圖2 三通隔板圖示

（3）加設(shè)限流隔板

限流隔板形狀類似于圓環(huán)，焊接在分支管附近內(nèi)管外壁上。主要適用于較長的分支管段，與三通隔板一樣會出現(xiàn)在溫度表、壓力計、放空、放凈等部位，一般在M1值大于200 mm而不大于800 mm的情況下適用該方法。在隔板的底部有一個高度等于隔板寬度一半的缺口，該缺口可以保證內(nèi)管底部夾套介質(zhì)的連續(xù)流動，以保證內(nèi)管底部工藝物料的充分熱交換，實現(xiàn)熱媒均流勻熱的良好工況。隔板材質(zhì)與內(nèi)管材質(zhì)相同，作用與三通隔板相似，只是安裝位置與三通隔板不同。圖3是各種熱媒夾套隔板的安裝圖例，由此可看出，加設(shè)限流隔板時為了消除死角，分支管下游要設(shè)置跨線。

圖3 限流隔板圖示

（4）加設(shè)定位板

定位板的作用是保證內(nèi)管與套管的最小距離。定位板與套管內(nèi)壁間隙約為1～1.5 mm，其長度為40 mm，定位板的安裝保證了套管腔體截面均勻分布，保證內(nèi)管所有區(qū)域熱負荷均勻平衡。定位板的材質(zhì)和內(nèi)管材質(zhì)相同，其安裝方位不應(yīng)影響內(nèi)管熱位移。圖4是水平管線與豎直管線定位板的安裝圖例。定位板間距、大小見表3。

圖4 定位板圖示

表3 定位板間距

（5）毛細伴管的應(yīng)用

當(dāng)夾套管道系統(tǒng)沒有夾套閥門可供選用，不得不使用普通閥門與夾套管道連接時，為了消除因流體溫度下降造成的后果，普通閥門要采取毛細管伴熱措施，為了伴熱均勻，毛細伴管要盤繞在閥門的兩側(cè)，以此來保證閥門內(nèi)流體的溫度。當(dāng)熱媒為熱水、脫鹽水或0.4 MPa及以下的低壓蒸汽時，毛細伴管的規(guī)格宜采用DN20；當(dāng)熱媒是熱油和1.6 MPa及以上壓力的蒸汽時，毛細伴管宜采用DN15。

3.4 熱媒為導(dǎo)熱油的夾套管布置

夾套管道系統(tǒng)盡量保證步步高走向，不能出現(xiàn)倒U型氣袋，防止熱油蒸發(fā)形成氣體積聚進而使熱媒斷路。當(dāng)熱媒是蒸汽時，如果內(nèi)管有坡度要求，則套管內(nèi)蒸汽的流向須與坡度一致。當(dāng)熱媒是熱水、脫鹽水或熱油時，如果內(nèi)管有坡度要求，則套管內(nèi)熱媒的介質(zhì)流向須與坡度相反，在管道系統(tǒng)的最低部位加放凈管，放凈管管嘴加配內(nèi)螺紋管帽。

3.5 正確設(shè)置夾套跨線，保證熱媒的泄壓放凈及低點放凈

圖5 熱媒為熱水或脫鹽水時夾角套跨線形式

圖6 熱媒為蒸汽時夾角套跨線形式

當(dāng)熱媒是熱水或脫鹽水時，其跨線形式見圖5；當(dāng)熱媒是蒸汽時，其跨線形式見圖6；當(dāng)熱媒是熱油且其內(nèi)管管徑DN≤50時，其跨線形式如圖7所示；當(dāng)熱媒是熱油且其內(nèi)管管徑DN＞50時，其跨線形式如圖8所示。

圖7 熱媒為熱油且內(nèi)管管徑DN≤50時夾角套跨線形式

圖8 熱媒為熱油且內(nèi)管管徑DN＞50時夾角套跨線形式

本文闡述了石油化工夾套管提高熱效率的幾種措施，這些措施都是在夾套管設(shè)計中必不可少的環(huán)節(jié)，它直接影響到化工裝置的順利進行，對設(shè)計人員來說非常重要，因此設(shè)計時要遵循設(shè)計原則，要全面考慮，多聽取業(yè)主提出的合理建議，使我們的設(shè)計水平能滿足各種項目、各種產(chǎn)品、各種工況條件、不同區(qū)域工廠等需求。

Analysis and Enhancement of Thermal Efficiency of Jacketed Piping

Zhang Xiulian

The thermal efficiency of heat medium is the key factor during jacketed piping's running.It directly affects the normal transport of process materials.Simply speaking,the key issue of the thermal efficiency is the uniformity of heat accumulation and transfer.Mainly lists the general problems during jacketed piping's running and the negative effects,analyzes the reasons and puts forward effective measures to improve the thermal efficiency seriously.

Jacketed piping;Thermal efficiency;Heat medium;Baffle plate;Locating plate

（略）

TQ055.8+1

2014年8月

張秀蓮女1971年生本科工程師1996年畢業(yè)于鄭州工業(yè)大學(xué)目前主要從事石油化工管理設(shè)計工作