MDI裝置夾套管壁厚選型案例論述

蘇國東，翟俊紅，郭曉瑩，王曉寧，張 洋

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250010)

MDI(二苯基甲烷二異氰酸酯)因物料和工藝要求需要選用夾套管設計，夾套管設計雖然常用于工程設計中，但是在計算管道工程壁厚的時候，一般只是分別計算夾套內管和夾套外管的內壓，常常忽略了夾套內管還需承受夾套外管內流體壓力的情況，而且MDI是高度危害流體，如果管道泄漏，一是造成經濟損失，二是引發工程事故。

本文結合某公司的MDI裝置，詳細介紹夾套管壁厚選擇的主要過程。

1 操作條件

表1為聚氨酯設計項目中，MDI物料具體設計工況，以內管管徑為DN150的管道為例，夾套外管的管徑為DN200[1]，其中管道材料夾套內管為06Cr19Ni10不銹鋼，夾套外管為20碳鋼。

表1 物料設計工況

2 常規壁厚選擇

一般慣例，根據收到的管道物料設計工況條件，管道材料壁厚的設計主要是參考和套用的模式：一是根據管道壓力等級翻查相應設計手冊[2]，按照壓力選取對應管道的壁厚；二是參考相同類型的項目，按照過去的經驗做法選取類似工況下的同樣材質的管道壁厚作為現行項目的管道壁厚。

本裝置中，由于內管材質為不銹鋼，因此，根據設計工況，按照壁厚計算公式[3]：

tsd=ts+C

C=C1+C2

式中：ts—直管計算厚度(mm)；

P—設計壓力(MPa)；

D0—管子外徑(mm)；

Ej—焊接接頭系數；

[σ]t—在設計溫度下材料的許用應力(MPa)；

tsd—直管設計厚度(mm)；

C—厚度附加量之和(mm)；

C1—厚度減薄附加量，包括加工、開槽和螺紋深度及材料厚度負偏差(mm)；

C2—腐蝕或磨蝕附加量(mm)；

Y—系數。

按照項目采用標準HG/T 20553-2011 (Ia)[4]《化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系列》以及《ASME_B36.19M-2004不銹鋼鋼管》[5]進行選用，因此得出，DN150的管道的壁厚為3.4 mm。將結果圓整后得出壁厚選型為3.5 mm。但是這樣計算出的管道壁厚，僅僅是承受內壓管道的正常壁厚，忽略了夾套內管所承受的外壓的情況。

3 夾套內管壁厚選型優化

如果考慮夾套外管和水壓試驗的情況下，需要重新核算夾套內管壁厚并對其實際承壓能力進行核算。因為常用計算公式對于管道外壓沒有考慮，無法用常規公式進行計算。因此，需要選擇其他公式進行計算。

參照規范GB 150.3-2011[6]《壓力容器 第3部分：設計》中的計算公式，其中對于直管的外壓設計公式和符號含義如下：

式中：[p]—許用外應力(MPa)；

B—外壓應力系數；

D0—圓筒外直徑(D0=Di+2δn)；

δe—圓筒或球殼的有效厚度(mm)；

δn—圓筒或球殼的名義厚度(mm)。

此公式主要是核算設備外壓圓筒的計算公式，用在管道外壓核算上，需設定管道長度不限長為核算的前提條件。

具體過程如下:

3.1 D0/δe≥20的直管段

3.1.1 確定外壓應變系數A

a)根據L/D0和D0/δe由圖4-2[6]或表4-2[6]查取外壓應變系數A值(遇中間值用內插法)；

b)若L/D0值大于50，則用L/D0=50查圖；若L/D0值小于0.05，則用L/D0=0.05查圖。

3.1.2 確定外壓應力系數B

a)按所用材料，查表4-1[6]確定對應的外壓應力系數B曲線圖，由A值查取B值(遇中間值用內插法)；

b)若A值超出設計溫度曲線的最大值，則取對應溫度曲線右端點的縱坐標值為B值；

c)若A值小于設計溫度曲線的最小值，則按式(1)計算B值。

(1)

3.1.3 確定許用外壓

根據B值，按式(2)計算許用外壓力[p]：

(2)

計算得到的[p]應大于或等于pc，否則須調整設計參數，重復上述計算，直到滿足設計要求。

3.2 D0/δe<20的直管段

3.2.1 確定外壓應變系數A

a)對D0/δe≥4.0的圓筒，用與1.1相同的步驟得到系數A值；

b)對D0/δe<4.0的圓筒，按式(3)計算系數A值。

(3)

系數A>0.1時，取A=0.1。

3.2.2 確定外壓應力系數B

步驟同上。

3.2.3 確定許用外壓

按式(4)計算許用外壓力[p]值：

(4)

式中：σ0應力，取以下兩值中的較小值；

σ0=2[σ]t

計算得到的[p]應大于或等于pc，否則須調整設計參數，重復上述計算，直到滿足設計要求。

經過計算，得出一系列承受外壓的管道壁厚及許用外壓值。

表2 管道壁厚及許用外壓值

由表2可以看出，對于本項目來說，公稱通徑為DN150的夾套內管，經計算可承受的許用外壓為2.81MPa，因為承受外管的設計壓力和外管的水壓試驗[7]分別為0.6MPa和1.0MPa，因此選取的內管的壁厚7.1 mm完全可以承受外壓的要求，證明計算結果可以選用。

4 結論

本項目通過考慮夾套管內管所承受的外壓情況，參照規范《壓力容器 第3部分：設計》GB 150.3-2011中的核算設備外壓圓筒的計算公式，設定管道長度不限長為核算的前提條件，得出了一系列承受外壓的管道壁厚及許用外壓值，經過舉例驗證，證實計算結果可用。并且計算結果作為今后管材核算夾套內管承外壓的專用模板繼續使用，今后將繼續應用于我公司承擔的后續幾個項目設計工作中，為提高項目工程設計質量的安全性和經濟性做出貢獻。

[1]中國石化集團公司工程建設管理部.SH/T3040-2002石油化工管道伴管和夾套管設計規范[S].北京:中國石化出版社，2002.

[2]徐寶東.化工管路設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2011.

[3]中華人民共和國原化學工業部.GB 50316-2000 工業金屬管道設計規范(2008版)[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[4]中國石油和化學工業聯合會.HG/T 20553-2011 化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系列[S].北京：中國計劃出版社,2011.

[5]ASME.B36.19M-2004 不銹鋼鋼管[S]. ASME,2004.

[6]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.GB 150.3-2011 壓力容器 第3部分：設計[S].北京:中國標準出版社,2012.

[7]中國工程建設標準化協會化工分會.GB 50184-2011 工業金屬管道工程施工質量驗收規范[S].北京:中國計劃出版社,2010.