化工裝置中夾套管管道的配管設(shè)計(jì)

王歡歡

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

0 引言

夾套管的適用范圍較廣，并且溫度可以快速調(diào)節(jié)，因此其使用效果是一般伴熱管所無法達(dá)到的。夾套管自身還帶有獨(dú)特的防水管構(gòu)造，可通過大直徑管道內(nèi)安裝小口徑管道的設(shè)計(jì)起到對(duì)管道中的凝固性流體、黏性流體以及高熔點(diǎn)流體加溫和隔熱保溫的功效，而且還能夠填補(bǔ)連接管在停輸或運(yùn)輸階段的熱損耗，有效保證加工工藝穩(wěn)定開展。夾套管的管路設(shè)計(jì)不但要考慮到每一條管道的長度，更需要保障內(nèi)外管膨脹幅度一致，這樣才能確保加溫介質(zhì)的有效流通，另外，還需要注意里外管原材料的銜接以及夾套管的傾斜度等相關(guān)問題。

1 化工裝置中夾套管管道高速發(fā)展的簡(jiǎn)述

夾套管在化工制造行業(yè)中的廣泛使用，歸功于夾套管自身強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。在石油運(yùn)輸過程中，一般的管道無法滿足石油運(yùn)輸?shù)那疤釛l件，也會(huì)因?yàn)楣艿榔焚|(zhì)不高而引起一系列的問題，而夾套管在石油運(yùn)輸過程中可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。夾套管是采用2個(gè)不同口徑的管道所組成的，因?yàn)槠浒霃讲煌?，可以?個(gè)管道嵌套在一起組合使用，這樣不僅解決了化學(xué)物質(zhì)運(yùn)輸過程中的泄漏問題，還起到了隔熱保溫的作用。

2 化工裝置夾套管的管路設(shè)計(jì)

2.1 夾套管的長度

在夾套管的設(shè)計(jì)過程中，為了避免出現(xiàn)熱脹冷縮帶來的不良影響，就需要重視夾套管的長度設(shè)計(jì)。夾套管的長度以及標(biāo)準(zhǔn)是夾套管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)槠溟L度會(huì)直接影響管內(nèi)的液體流動(dòng)，隨著夾套管長度的不斷增加，液體流動(dòng)的阻力也會(huì)逐漸變大，導(dǎo)致管內(nèi)液體流動(dòng)速度下降，內(nèi)外管層的熱傳導(dǎo)效果也隨之下降，因此夾套管的長度應(yīng)由保持熱媒在最低溫度下具有的最必須流量所決定。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般蒸氣夾套管的長度可以按15 m左右進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 夾套管的種類

夾套管依據(jù)熱媒體類型可分為熱油夾套、熱水夾套和蒸汽夾套等，其設(shè)計(jì)原理基本一致，不同類別的夾套管分別適用于不同的化工廠原材料。按照結(jié)構(gòu)形式區(qū)分，夾套管可分為內(nèi)管焊接露出型和內(nèi)管焊接隱秘型，一般也稱作不完全夾套管和完全夾套管，區(qū)別在于管路的結(jié)構(gòu)類型以及防水套管與內(nèi)管的連接方式，不完全夾套管僅適用于直管接管管道。

2.3 夾套管的材料選擇

通常情況下，主要依據(jù)管中工藝介質(zhì)的壓力和溫度選擇最適宜的內(nèi)外管管道材料類型，此外還要考慮不同類型的介質(zhì)對(duì)管路的腐蝕作用以及壁厚厚度所能接受的最大工作壓力，再經(jīng)過具體分析選擇適合的材料。另外，夾套管的管道元件一般采用對(duì)接焊的形式。

3 石油化工設(shè)備夾套管的配管設(shè)計(jì)方案

3.1 材料和級(jí)別分界的合理性設(shè)計(jì)方案

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油化工領(lǐng)域也在不斷發(fā)展，并且對(duì)石油化工裝置的有關(guān)設(shè)施也越來越重視。尤其是在夾套管的配管設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)管道材質(zhì)與級(jí)別分界的合理性設(shè)計(jì)方案展開分析，主要考慮高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)間的邊界全過程在壓力和溫度上的改變。一般依據(jù)P&ID對(duì)界線進(jìn)行劃分，但如果配套設(shè)施定制狀況較為特別，就需要結(jié)合實(shí)際情況更改設(shè)計(jì)方案。比較常見的現(xiàn)象有三種：第一，設(shè)計(jì)壓力相同但管道材質(zhì)不同，這種情況下管道材質(zhì)里的地腳螺栓和閘閥需要盡可能選擇高質(zhì)量材質(zhì)，法蘭片和密封墊則可以選擇相對(duì)適度的材質(zhì)；第二，設(shè)計(jì)壓力不同但管道材質(zhì)相同，針對(duì)這種現(xiàn)象，法蘭密封墊、地腳螺栓和閥門需要選擇相同的高質(zhì)量材料；第三，壓力等級(jí)和管道材料均不同，這時(shí)法蘭和墊片選擇高壓等級(jí)材質(zhì)，螺栓和閥門選擇B級(jí)材質(zhì)。

3.2 管線的設(shè)計(jì)

夾套管管線要依據(jù)管道儀表流程圖進(jìn)行合理規(guī)劃布置。同時(shí)，由于夾套管的內(nèi)外管溫差較大、材質(zhì)不同等原因，夾套管應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的應(yīng)力校核，如有需要，宜優(yōu)先考慮自然補(bǔ)償。夾套管的結(jié)構(gòu)形式要根據(jù)內(nèi)管輸送的工藝介質(zhì)的凝固點(diǎn)進(jìn)行合理選擇，凝固點(diǎn)高于100 ℃時(shí)，宜選擇“內(nèi)管焊縫隱蔽型”夾套管。另外當(dāng)輸送的工藝介質(zhì)有毒時(shí)，要選擇“內(nèi)管焊縫外露型”夾套管。

3.3 管架的設(shè)計(jì)

管架的設(shè)計(jì)是化工裝置夾套管配管設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵部分，在一定程度上影響著夾套管的配管設(shè)計(jì)效果，若沒有進(jìn)行合理的管架設(shè)計(jì)，會(huì)在實(shí)際化工生產(chǎn)操作中產(chǎn)生相應(yīng)的問題，從而影響正?；どa(chǎn)的進(jìn)行，也會(huì)對(duì)裝置運(yùn)行產(chǎn)生一定的安全隱患，很可能出現(xiàn)相應(yīng)的安全問題，造成財(cái)產(chǎn)損失和人身損害。所以需要特別關(guān)注管道與支架間的相關(guān)因素，例如在蒸汽管道中，通常會(huì)存在排水小管，要減少小管與主管彈簧支架間的相對(duì)位移，來避免小管因剛性較大而阻礙彈簧運(yùn)動(dòng)。

4 夾套管的設(shè)計(jì)內(nèi)容

4.1 夾套管設(shè)計(jì)要素

夾套管長度設(shè)計(jì)方案是通過管道布局來確定的，在設(shè)計(jì)過程中要充分考慮內(nèi)外管的溫度差和熱變形差對(duì)管道的限制，重視熱脹冷縮所導(dǎo)致的偏移問題。一般來說，每一段夾套管應(yīng)將長度控制在6 m以內(nèi)，當(dāng)存在彎頭時(shí)，應(yīng)控制在12 m以內(nèi)。夾套管的內(nèi)管彎頭設(shè)計(jì)選用曲率半徑相當(dāng)于1.5倍管道公稱直徑的標(biāo)準(zhǔn)長半徑彎頭，外管彎頭設(shè)計(jì)選用曲率半徑相當(dāng)于1倍管道公稱直徑的標(biāo)準(zhǔn)短半徑彎頭，以便于夾套管的安裝及施工。

夾套管內(nèi)管和外管的原材料應(yīng)根據(jù)管道級(jí)別、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和物質(zhì)性能進(jìn)行合理選擇，并考慮運(yùn)輸物質(zhì)對(duì)管道的腐蝕及其管道厚度所能承受的最大壓力。同時(shí)，選擇相同的外管材料與內(nèi)管材料，可以確保內(nèi)外管的熱變形一致，減少問題的出現(xiàn)。另外夾套管的內(nèi)管需要設(shè)置定位板，一般是用電焊焊接在夾套管內(nèi)管的外壁上，其材質(zhì)與內(nèi)管材質(zhì)相同，并和外管內(nèi)腔保持一定距離。在配管設(shè)計(jì)中，夾套管的布置應(yīng)盡量避免出現(xiàn)死角或者U型彎，當(dāng)U型彎因?qū)嶋H情況無法避免時(shí)，可在最低點(diǎn)設(shè)置低點(diǎn)排放管線并設(shè)置切斷閥門。另外，每一組夾套管的冷熱交替媒介的進(jìn)出口都需要設(shè)置緊急切斷閥門，在冷熱交替媒介為間斷性使用或管線含有檢修拆裝件時(shí)，該部分冷熱交替媒介的停止使用不會(huì)影響管線其他部分冷熱交替媒介的運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

4.2 流體為蒸汽的夾套管的獨(dú)特設(shè)計(jì)原則

蒸汽進(jìn)口位于垂直夾套管的較高處或水平夾套管的上方，蒸汽流入應(yīng)與工藝流體流向相反。蒸汽出口位于垂直夾套管的較中低端或水平夾套管的下方。其中水平管道里的跨接口需向下布局，并組裝無閥出液口，若有2個(gè)跨接管，則需一根向上并在末端加出氣口，一根向下并在末端加排液口；而垂直管道里的跨接管需兩邊更替布局，以防止流體偏重于一側(cè)流動(dòng)。另外碳素鋼夾套管管道的蒸汽入口，需設(shè)置加強(qiáng)板[2]。

夾套管的每個(gè)出口冷凝排出管需有獨(dú)立的疏水器，每一個(gè)蒸汽疏水器在維修更換新構(gòu)件時(shí)，應(yīng)做到可直接拆裝，不能危害蒸汽及冷凝液系統(tǒng)的操作。為了保障維修和校準(zhǔn)，回水冷凝管上游的疏水器與集合管的間隔需超過2 m。另外夾套管管道和與夾套管相連的設(shè)備連接口應(yīng)選用墊板式法蘭。當(dāng)水平敷設(shè)的夾套管有傾斜度要求時(shí)，防水套管內(nèi)介質(zhì)流向應(yīng)與傾斜度一致。

5 套管管件的選擇原則

5.1 三通

一般情況下，三通的選擇是根據(jù)支管的管徑來確定的，夾套管的三通通常采用剖切的方法，包括縱剖和橫剖，所以在開展具體作業(yè)時(shí)，可根據(jù)遇到的情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)選擇。

5.2 彎頭

一般夾套管內(nèi)彎頭的曲率半徑等于或者小于1.5 DN時(shí)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)彎頭，當(dāng)內(nèi)管和內(nèi)管彎頭的曲率半徑等于或大于3 DN時(shí)，夾套管彎管可以采用剖切型。此外內(nèi)管彎頭和外管彎頭之間需要留出一定間隙，要結(jié)合熱應(yīng)力分析計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以更好地滿足設(shè)計(jì)需求[3]。

5.3 異徑管

一般非熔體管道的夾套管內(nèi)管異徑管以及作為正常變徑使用的外管異徑管都要采用符合GB/T 12459—2017要求的異徑管，并且需要選擇標(biāo)準(zhǔn)的焊接模式，不同的是，內(nèi)管提出了內(nèi)壁粗糙度的附加要求。此外還需要對(duì)外管的異徑管和內(nèi)管的接頭部位進(jìn)行合理安排，避免內(nèi)管與外管之間的互相影響，一般情況下需要在接頭部位至少錯(cuò)開50 mm。

5.4 定位板

夾套管內(nèi)管外壁上焊接的定位板位置，通常與直管段長度和管架位置有關(guān)，定位板的間距設(shè)置也需要根據(jù)不同項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行合理選取。通常情況下直管道根據(jù)最大間距設(shè)計(jì)定位板時(shí)，夾套管的閥門、儀表件都應(yīng)視為定位板。此外，定位板的厚度、長度等規(guī)格參數(shù)與夾套管的管徑、材質(zhì)、熱載體壓力及溫度有關(guān)，在具體施工中要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。

5.5 外管半殼管

當(dāng)夾套管內(nèi)管有焊縫檢驗(yàn)要求時(shí)，一般需要在對(duì)應(yīng)內(nèi)管焊縫處設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的外管半殼管，安裝時(shí)外管上直管及彎頭先套在內(nèi)管上，留有半殼管的位置，然后通過直管和彎頭沿著內(nèi)管軸向錯(cuò)動(dòng)來讓開內(nèi)管焊縫，最后將外管半殼管焊上。通常外管半殼管長度按150～200 mm設(shè)計(jì)，也可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，盡量不低于75 mm。

6 提升石油化工設(shè)備夾套管配管設(shè)計(jì)的有效措施

6.1 加強(qiáng)資源投入

石油化工企業(yè)需要加強(qiáng)對(duì)石油化工設(shè)備夾套管配管設(shè)計(jì)的人力、物力和資金的投入，促進(jìn)各類工程項(xiàng)目在滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的前提下高效率地達(dá)到目標(biāo)。同時(shí)要積極引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，為夾套管配管設(shè)計(jì)提供優(yōu)質(zhì)環(huán)境，提升夾套管配管設(shè)計(jì)的規(guī)范性、安全性以及可操作性。

6.2 做好專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)

根據(jù)實(shí)際工作需要，定期做好專業(yè)人員的學(xué)習(xí)培訓(xùn)工作，加強(qiáng)技術(shù)人員對(duì)石油化工裝置夾套管配管設(shè)計(jì)重要性的理解，并積極開展多種形式的學(xué)習(xí)培訓(xùn)活動(dòng)，必要時(shí)外聘相關(guān)專家對(duì)相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行專題講座知識(shí)培訓(xùn)，培養(yǎng)選拔具有高水平、技術(shù)精湛的工程技術(shù)人員參與到具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和實(shí)際操作中。

6.3 關(guān)注設(shè)計(jì)成本

受管路設(shè)計(jì)多元性和夾套管工藝復(fù)雜性等因素的影響，夾套管的配管設(shè)計(jì)所需要的成本費(fèi)用較高，主要表現(xiàn)在工藝設(shè)計(jì)過程中對(duì)材料的選擇。因此在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求、綜合考慮工藝特性和項(xiàng)目環(huán)境等因素、保證管路安全合理的前提下，需要強(qiáng)化成本控制思維，最大程度降低資源浪費(fèi)。

7 結(jié)語

綜上所述，化工裝置中夾套管配管設(shè)計(jì)的深入研究，對(duì)其廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)具有十分重要的意義。但是在實(shí)際的應(yīng)用生產(chǎn)中，仍然存在一定問題，影響化工裝置的有效運(yùn)行，因此在夾套管配管設(shè)計(jì)運(yùn)用環(huán)節(jié)中，應(yīng)當(dāng)提升對(duì)夾套設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與要素的重視程度，提高工程技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)，并做好監(jiān)督管理工作，以便更好地檢驗(yàn)技術(shù)措施和專業(yè)方法的合理性。