氟化工管道用套管檢漏法的可靠性分析

馬霏，王克亮，楊雪 (山東東岳高分子材料有限公司，山東 淄博 256400)

0 引言

在氟化工工程裝備中，套管時(shí)常用于管路真空絕熱、冷卻、加熱等工況，在特定環(huán)境下也可用于檢漏。在氟化工生產(chǎn)中，因?yàn)榘朔惗∠儆趧《窘橘|(zhì)，其流體輸送管路也需要使用套管檢漏。在實(shí)際開展工作時(shí)，相關(guān)人員會(huì)向套管內(nèi)輸入低于主管壓力的氣體，在此情況下若是出現(xiàn)套管泄漏問題，套管內(nèi)將擁有越來越低的壓力。反之，若是主管存在泄漏問題，套管壓力也會(huì)逐漸升高，以套管壓力變化情況作為判斷依據(jù)，可幫助相關(guān)人員及時(shí)了解泄漏問題。

1 設(shè)計(jì)套管

主管使用S30408材料，套管選用20#鋼材料，主管為0.2 MPa工作壓力，套管存在0.1 MPa氮?dú)鈮毫?，主管?nèi)為20 ℃空氣環(huán)境溫度和45 ℃內(nèi)部物料溫度。主管為φ57 mm×3 mm尺寸，套管為φ89 mm×3 mm尺寸，套管45°錐殼收口為半錐角并焊接在主管上[1]。在兩端設(shè)備管口法蘭上連接和固定套管兩端。法蘭公稱為PN16壓力，屬于帶頸平焊法蘭，使用不銹鋼聚四氟乙烯纏繞墊及凹凸密封面。廠區(qū)抗震等級(jí)需要達(dá)到6級(jí)抗震烈度，及水平地震擁有0.05 g基本加速度。

2 計(jì)算管道應(yīng)力

2.1 有限元計(jì)算模型

建立管道有限元計(jì)算模型，如圖1所示，使用主管壁兩倍厚的短管取代閥門和過濾器，利用殼單元Shell 181開展網(wǎng)格劃分，可劃分出單元84 120個(gè)。

圖1 管道有限元計(jì)算模型

管端可對(duì)環(huán)向和軸向位移發(fā)揮約束作用，將0.1 MPa壓力荷載施加在套管氮?dú)饨佑|表面，將0.2 MPa壓力荷載施加在主管內(nèi)表面。同時(shí)，主管完成45 ℃溫度荷載施加，套管完成25 ℃溫度荷載施加[2]。

在計(jì)算過程中分成5種工況，分別為受y方向地震加速度作用、受x方向地震加速度作用、同時(shí)受壓力與溫度荷載作用、僅受壓力荷載作用、僅受溫度荷載作用。

2.2 計(jì)算與分析結(jié)果

2.2.1 僅受壓力荷載作用

當(dāng)只存在壓力荷載作用時(shí)，主管內(nèi)旁路導(dǎo)淋閥外側(cè)三通位置內(nèi)表面會(huì)發(fā)生最大應(yīng)力強(qiáng)度，其可達(dá)到3.965 MPa。當(dāng)只存在壓力荷載作用時(shí)，套管內(nèi)旁路導(dǎo)淋閥內(nèi)側(cè)三通位置內(nèi)表面擁有最大應(yīng)力強(qiáng)度，可達(dá)到3.111 MPa。

2.2.2 僅受溫度荷載作用

當(dāng)只存在溫度荷載作用時(shí)，主管中旁路導(dǎo)淋閥殘液槽一側(cè)三通位置內(nèi)表面出現(xiàn)了最大的應(yīng)力強(qiáng)度，其達(dá)到了220.972 MPa應(yīng)力強(qiáng)度值。當(dāng)只存在溫度荷載作用時(shí)，套管中導(dǎo)淋閥2后套管連接主管收口的位置擁有最大應(yīng)力強(qiáng)度，為100.968 MPa。

2.2.3 同時(shí)受壓力和溫度荷載作用

當(dāng)同時(shí)受到壓力與溫度荷載作用時(shí)，主管內(nèi)旁路導(dǎo)淋閥外側(cè)三通位置內(nèi)表面出現(xiàn)最大應(yīng)力強(qiáng)度，可達(dá)到220.993 MPa。當(dāng)同時(shí)受到壓力與溫度荷載作用時(shí)，導(dǎo)淋閥2后套管連接主管收口位置外表面具備最大應(yīng)力強(qiáng)度，為102.238 MPa。

2.2.4 受X向地震加速度作用

在X向地震加速度的影響下，在主管與精餾塔固定端可達(dá)到9.411 38 MPa結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度，同時(shí)該值也是最大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度[3]。

2.2.5 受Y向地震加速度作用

在Y向地震加速度的影響下，同樣是在主管與精餾塔固定端存在最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度，其值可達(dá)到19.145 6 MPa。

2.2.6 分析討論

(1)強(qiáng)度分析。在受到壓力荷載影響后，在套管以及主管中均擁有較低的應(yīng)力強(qiáng)度值。在水平地震荷載作用下，在套管和主管中同樣存在較低應(yīng)力強(qiáng)度值。當(dāng)僅受溫度荷載影響時(shí)主管會(huì)在旁路導(dǎo)淋閥外側(cè)三通位置內(nèi)表面出現(xiàn)最大應(yīng)力強(qiáng)度，可達(dá)到220.972 MPa應(yīng)力強(qiáng)度值，套管會(huì)在導(dǎo)淋閥2后連接主管收口與套管位置的外表面產(chǎn)生最大應(yīng)力強(qiáng)度，其可達(dá)到102.238 MPa應(yīng)力強(qiáng)度值。通過分析受力情況可知，此兩個(gè)部位在主管及套管也是經(jīng)常爆發(fā)泄漏問題的地點(diǎn)。從強(qiáng)度視角分析，因溫度荷載產(chǎn)生的熱應(yīng)力為二次應(yīng)力，與許用應(yīng)力相比具備3倍的應(yīng)力強(qiáng)度許用值，主管最大應(yīng)力強(qiáng)度與許用值擁有0.54的比值，套管最大應(yīng)力強(qiáng)度值與許用值為0.223比值，兩者均能使強(qiáng)度要求得到滿足。

因?yàn)樘间撎坠茉谶B接不銹鋼主管部位的工作應(yīng)力較大，再加上氟化工廠區(qū)大氣環(huán)境存在顯著的腐蝕性，由此可以斷定導(dǎo)淋閥2后主管收口連接套管的焊縫部位有較大幾率出現(xiàn)泄漏風(fēng)險(xiǎn)，盡管套管內(nèi)以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)，即使泄漏也不會(huì)引發(fā)嚴(yán)重危害，但是會(huì)對(duì)泄漏套管檢漏功能產(chǎn)生不良影響。所以，應(yīng)將檢漏儀器設(shè)置在該位置，一是可明確是否存在氮?dú)庑孤?；二是可以在主管高?yīng)力泄漏情況下詳細(xì)了解八氟異丁烯泄漏情況，保證氟化工生產(chǎn)安全。

(2)溫度荷載影響法蘭密封性能的情況。溫度荷載影響下，計(jì)算管端X坐標(biāo)方向支反力在精餾塔主管端部分布情況。在充分考慮各節(jié)點(diǎn)支反力及其所處坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，最終可得到Y(jié)向和X向彎矩分別為150 77 N·mm與44 037 N·mm，擁有46 547 N·mm合成彎矩。經(jīng)計(jì)算可知，僅存在3.33 N支反力合力，能夠直接忽略。

利用帶頸對(duì)焊法蘭完成主管與殘液槽及精餾塔管口連接，法蘭為PN16公稱壓力，DN50公稱直徑，密封面選用凹凸面，結(jié)合實(shí)際情況選用不銹鋼聚四氟乙烯材質(zhì)纏繞墊，最終可計(jì)算出墊片壓緊中心圓為78 mm直徑。在計(jì)算工作中，相關(guān)人員可以使用以下公式計(jì)算法蘭當(dāng)量計(jì)算壓力：

式中：Pc為設(shè)備設(shè)計(jì)壓力，取值為0.2 MPa，最終計(jì)算得出法蘭當(dāng)量計(jì)算壓力0.7 MPa。在45℃環(huán)境中PN16的S30408不銹鋼帶頸平焊法蘭擁有1.43 MPa最大允許工作壓力，法蘭連接可滿足相應(yīng)密封要求。

(3) Y向水平地震荷載與溫度荷載共同作用影響法蘭密封性能情況。同時(shí)受到Y(jié)向水平地震荷載與溫度荷載作用時(shí)，殘液槽端支反力會(huì)受到較大彎矩，在充分考慮殘液槽端各節(jié)點(diǎn)支反力及其所處坐標(biāo)的前提下，可計(jì)算得出其Y向和X向分別存在23 647 N·mm和57 017 N·mm彎矩，可達(dá)到61 727 N·mm合成彎矩。另外，僅存在3.33 N支反力合力，可以直接忽略。

根據(jù)上文所述法蘭當(dāng)量計(jì)算壓力公式，以0.2 MPa作為Pc取值，最終計(jì)算Pe為0.8 MPa。在45 ℃環(huán)境中PN16的S30408不銹鋼帶頸平焊法蘭擁有1.43 MPa最大允許工作壓力，法蘭連接可達(dá)到相關(guān)密封要求。

(4)其他暴露泄漏源問題。想要使套管擁有更大的覆蓋范圍，相關(guān)人員可以在法蘭、閥門等構(gòu)件上直接焊接套管，可在一定程度上避免暴露泄漏源出現(xiàn)。同時(shí)，應(yīng)將收集泄漏氣體的裝置設(shè)置在法蘭連接部位。

3 各種套管檢漏可靠性

3.1 定性分析

在套管檢漏過程中，不但可以使主管比套管擁有更高的壓力，還可以將套管內(nèi)抽真空或者讓主管壓力低于套管內(nèi)壓力，也就是真空檢漏和高壓檢漏，在運(yùn)用此兩種方式時(shí)均可發(fā)揮保護(hù)外泄漏的作用。在實(shí)施套管高壓檢漏過程中，即使泄漏類型為主管泄漏，也只會(huì)向主管內(nèi)泄漏套管內(nèi)高壓介質(zhì)；在實(shí)施套管真空檢漏過程中，若泄漏類型為主管泄漏，真空系統(tǒng)能夠吸入泄漏介質(zhì)。通過深入分析以上3種套管檢漏邏輯可知，若是在判斷過程中僅以套管壓力作為依據(jù)，僅有套管低壓檢測(cè)可準(zhǔn)確判斷主管泄漏問題，只有在滿足套管不漏的基礎(chǔ)上套管真空檢漏和套管高壓檢漏才可根據(jù)套管真空度和壓力降低情況準(zhǔn)確判斷主管泄漏，但是根據(jù)理論分析可知，低壓檢漏有一定幾率會(huì)出現(xiàn)漏檢主管泄漏的情況。與之相比，套管真空檢漏和套管高壓檢漏雖然在判定泄漏時(shí)需要更多條件，但是借助套管真空度或壓力降低，同樣能完成套管檢漏，并且可以明確泄漏處于套管哪一側(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)檢漏套管工作以上，提醒相關(guān)人員進(jìn)行處理，以此有效預(yù)防主管泄漏問題。

3.2 定量分析

當(dāng)主管為0.1 mg/s泄漏流量、套管不漏情況下，因?yàn)樘坠懿⒉痪邆浣^熱性能，因此僅會(huì)出現(xiàn)較為輕微的能量變化情況，在此情況下可按照理想氣體平衡方式計(jì)算三種檢漏方式導(dǎo)致的壓力變化率。

分別設(shè)置真空檢漏、高壓檢漏、低壓檢漏三個(gè)流程并對(duì)管內(nèi)泄漏情況開展分析，套管擁有0.07 m3體積空間，低壓檢漏中套管內(nèi)為0.1 MPa表壓強(qiáng)；高壓檢漏中套管內(nèi)分別取0.7、0.6、0.5、0.4、0.3 MPa表壓強(qiáng)；真空檢漏中套管內(nèi)分別取-0.09、-0.08、-0.07、-0.06、-0.05 MPa表壓強(qiáng)。假設(shè)三種檢漏方式下均存在0.1 mg/s泄漏流量。

借助道爾頓氣體分壓定律可知，混合氣體中各組分氣體分壓之和為混合氣體總壓，某組分氣體的分壓大小則等于其單獨(dú)占有與氣體混合物相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，最終壓力變化率和套管表壓力隨著泄漏時(shí)間變化情況如表1所示。

表1 泄漏壓力計(jì)算結(jié)果

通過相關(guān)市場(chǎng)調(diào)研可知，壓強(qiáng)傳感器最為符合精度和量程方面要求，其精度高且量程范圍選擇多。結(jié)合三種檢漏方式工況，最終確定壓力變送器類型為PTL703W型膜片型，能達(dá)到0.25% FS精度，合理連接壓力記錄儀與變送器，就可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)管內(nèi)壓力的目標(biāo)。在充分了解壓力傳感器可選量程和壓力變化范圍的基礎(chǔ)上，低壓檢漏所用傳感器需選擇0～0.6 MPa量程，精度為1 500 Pa，通過分析壓力變化率可以發(fā)現(xiàn)，只有持續(xù)23 h后才會(huì)出現(xiàn)超出誤差值的壓力變化；高壓檢漏傳感器量程為0～1 MPa，精度為2 500 Pa，在5.5 h左右會(huì)出現(xiàn)超出誤差值的壓力變化；真空檢漏傳感器選擇-0.1～0 MPa量程，精度為250 Pa，在4 h左右會(huì)產(chǎn)生超過誤差值的壓力變化。

準(zhǔn)確對(duì)比各種檢漏方式的優(yōu)缺點(diǎn)和以上數(shù)據(jù)，低壓檢漏在運(yùn)用過程中可能存在漏檢主管泄漏的情況，而且在泄漏持續(xù)23 h左右才能夠存在比壓力傳感器誤差值更高的壓力變化，也就是說需要較長時(shí)間才能夠發(fā)現(xiàn)泄漏問題。相較于其他兩種檢漏方式，真空檢漏只需要較短時(shí)間就可判定套管泄漏側(cè)，并及時(shí)提醒相關(guān)人員，可以防止主管泄漏問題，所以相關(guān)人員應(yīng)盡量使用真空檢漏的方式。

4 結(jié)語

綜合以上分析，筆者得出以下結(jié)論：(1)在法蘭連接主管與設(shè)備的位置，因?yàn)闇囟群奢d在一定程度上提高了法蘭當(dāng)量計(jì)算壓力，想要滿足密封要求需使用PN16法蘭；(2)想要使套管擁有更大的覆蓋范圍，相關(guān)人員可以在法蘭、閥門等構(gòu)件上直接焊接套管，可在一定程度上避免暴露泄漏源出現(xiàn)。同時(shí)，應(yīng)將收集泄漏氣體的裝置設(shè)置在法蘭連接部位；(3)在符合相關(guān)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量選擇真空檢漏的方式。