氟化工管道用套管檢漏法的可靠性分析

張 鍇，董俊華，高炳軍

(河北工業大學，天津 300130)

0 引言

套管常用于管路的加熱、冷卻或真空絕熱等工況[1-2]，但某些場合下也可用于檢漏，如燃氣管道的檢漏[3-4]。在氟化學工業中，對于含有劇毒介質八氟異丁烯的流體輸送管路，也用到了套管檢漏。套管內通入低于主管壓力的氮氣，若套管發生泄漏，會導致套管壓力降低；反之，若主管發生泄漏,則會導致套管壓力提高，從而根據套管內氮氣壓力變化判定泄漏情況。然而這種檢漏方式仍然存在很多不確定的泄漏風險，比如主管與套管同時存在泄漏，則可能出現套管氮氣壓力不變而主管壓力降低、介質泄漏到環境中的情況。此外，對于套管之外的主管，其與閥門、法蘭的連接焊縫仍為暴露泄漏源，這些部位的泄漏均未在套管檢漏范圍內。因此，套管對于該管線的泄漏監測還有諸多不確定因素，需做必要的分析與討論，如果存在泄漏高風險部位，應增設必要監測手段。一般而言，檢漏用套管制造要求嚴格，各焊縫均需無損檢測并進行耐壓試驗。為了避免套管長時間使用造成性能退化，每年大修時即進行更換。然而，由于主管為不銹鋼、套管為碳鋼，采用的材料不同，在氟化工廠區腐蝕大氣環境中存在腐蝕問題，在套管高應力部位會出現應力與腐蝕的交互作用而造成損傷，使得這些部位存在泄漏的風險。為此，文中對檢漏用套管進行應力分析，尋找主管及套管高應力區，尤其兩者焊接部位的高應力區，作為泄漏輔助監測部位，并采用必要的監測手段，以保證套管可靠工作；同時，基于管道應力分析，對法蘭連接部位密封性能進行分析評價，對無套管部位暴露泄漏源提出必要泄漏防護措施，對套管檢漏模式可靠性進行分析評價。

1 套管設計條件

主管材料為S30408，套管材料為20#鋼，主管工作壓力0.2 MPa，套管內氮氣壓力0.1 MPa，主管內物料溫度45 ℃，空氣環境溫度20 ℃。主管尺寸為?57 mm×3 mm，套管尺寸為?89 mm×3 mm，套管以半錐角為45°的錐殼收口并與主管焊接。套管兩端采用法蘭連接固定在兩端設備的管口法蘭上。法蘭公稱壓力為PN16，為帶頸平焊法蘭，采用凹凸密封面及不銹鋼聚四氟乙烯纏繞墊。主管和套管材料的性能參數見表1[5]。廠區抗震烈度6級,地震分組為第一組，水平地震基本加速度0.05g。

表1 材料性能參數

2 管道應力分析

2.1 有限元計算模型

對管道建立有限元計算模型(見圖1)，閥門及過濾器簡化為2倍主管壁厚的短管，采用殼單元Shell 181進行網格劃分，共84 120個單元，網格劃分情況如圖 2所示。

圖1 管道簡化幾何模型

圖2 管道網格劃分示意

管端約束軸向及環向位移，與套管氮氣接觸的表面施加0.1 MPa的壓力載荷，主管內表面施加0.2 MPa的壓力載荷。主管施加45 ℃的溫度載荷，套管施加25 ℃的溫度載荷。

分5種工況進行計算，即僅受溫度載荷作用、僅受壓力載荷作用、受溫度與壓力載荷同時作用、受x方向地震加速度作用、受y方向地震加速度作用。

2.2 計算結果與分析

2.2.1 僅受溫度載荷作用

僅受溫度載荷作用時，主管的應力強度云圖如圖3所示，最大應力強度發生在旁路導淋閥殘液槽一側三通位置內表面，其值為220.972 MPa。

(a)外表面 (b)內表面

僅受溫度載荷作用時，套管的應力強度云圖如圖4所示，最大應力強度發生在導淋閥2后套管與主管收口連接位置外表面，其值為100.968 MPa。

(a)外表面 (b)內表面

2.2.2 僅受壓力載荷作用

僅受壓力載荷作用時,主管的應力強度云圖如圖 5所示，最大應力強度發生在旁路導淋閥外側三通位置內表面，其值為3.965 MPa。

(a)外表面 (b)內表面

僅受壓力載荷作用時，套管的應力強度云圖如圖6所示，最大應力強度發生在旁路導淋閥內側三通位置的內表面，其值為3.111 MPa。

(a)外表面 (b)內表面

2.2.3 受溫度與壓力載荷同時作用

受溫度與壓力載荷同時作用時,主管的應力強度云圖見圖7，最大應力強度發生在旁路導淋閥外側三通位置內表面，其值為220.993 MPa。

(a)外表面 (b)內表面

受溫度與壓力載荷同時作用時,套管的應力強度云圖如圖8所示，最大應力強度發生在導淋閥2后套管與主管收口連接位置外表面，其值為102.238 MPa。

2.2.4 受x向地震加速度作用

受x向地震加速度作用時，結構的應力強度云圖如圖9所示，最大應力強度發生在主管與精餾塔固定端，其值為9.411 38 MPa。

圖9 僅受x向地震加速度作用時結構的應力強度云圖

2.2.5 受y向地震加速度作用

受y向地震加速度作用時，結構的應力強度云圖如圖10所示，最大應力強度發生在主管與精餾塔固定端，其值為19.145 6 MPa。

圖10 僅受y向地震加速度作用時結構的應力強度云圖

2.2.6 分析討論

(1)強度分析。

在壓力載荷作用下，無論是主管還是套管，應力強度值均較低。在水平地震載荷作用下，無論是主管還是套管，應力強度值亦均較低。溫度載荷在主管上產生的最大應力強度發生在在旁路導淋閥外側三通位置內表面，應力強度值為220.972 MPa，套管最大應力強度發生在導淋閥2后套管與主管收口連接位置外表面，應力強度值為102.238 MPa。從受力角度分析，這兩個部位分別是主管及套管易泄漏部位。

從強度角度分析，溫度載荷引起的熱應力屬于二次應力，應力強度許用值是許用應力的3倍[6-7]，主管最大應力強度值與許用值的比值為0.54，套管最大應力強度值與許用值的比值為0.223，均滿足強度要求。

鑒于氟化工廠區腐蝕性大氣環境以及碳鋼套管與不銹鋼主管連接部位存在較大的工作應力，可推斷導淋閥2后套管與主管收口連接焊縫部位為泄漏高風險部位，雖然套管內介質為氮氣，泄漏無害，但會影響泄漏套管的檢漏功能。因此，該部位應加設檢漏儀器，一方面監測氮氣泄漏；另一方面，當主管高應力同時泄漏時，能夠監測到八氟異丁烯。

(2)溫度載荷對法蘭密封性能的影響。

溫度載荷作用下精餾塔側主管端部所受支反力隨管端x坐標分布見圖11。根據各節點支反力與其x，y坐標，可計算得彎矩Mx=44 037 N·mm，My=15 077 N·mm，合成彎矩為46 547 N·mm。支反力合力(僅為3.33 N)很小，可忽略不計。

圖11 溫度載荷作用下精餾塔側主管端部所受支反力分布

主管采用帶頸對焊法蘭與精餾塔及殘液槽管口法蘭連接，法蘭公稱壓力為PN16，公稱直徑為DN50，密封面為凹凸面，采用不銹鋼聚四氟乙烯纏繞墊，可計算得墊片壓緊中心圓直徑DG=78 mm。

法蘭當量計算壓力可由以下公式[8]確定：

(1)

其中，Pc為設備設計壓力，取Pc=0.2 MPa，計算得Pe=0.7 MPa。PN16的S30408不銹鋼帶頸平焊法蘭在45 ℃下最大允許工作壓力為1.43 MPa[9]，滿足法蘭連接密封要求。

(3)溫度載荷與y向水平地震載荷共同作用對法蘭密封性能的影響。

溫度載荷與y向水平地震載荷共同作用時，主管端部所受支反力隨管端x坐標分布見圖12。分析表明殘液槽端支反力造成的彎矩較大，根據殘液槽端各節點支反力與其x,y坐標，可計算得彎矩Mx=57 017 N·mm，My=23 647 N·mm，合成彎矩為61 727 N·mm。支反力合力(僅為3.33 N)很小，可忽略不計。

法蘭當量計算壓力可由公式(1)確定，其中Pc取0.2 MPa，計算得Pe=0.86 MPa。PN16的S30408不銹鋼帶頸平焊法蘭在45 ℃下最大允許工作壓力為1.43 MPa[9]，滿足法蘭連接密封要求。

(a) (b)

(4)其他暴露泄漏源問題。

為了盡量增加套管覆蓋范圍，可以考慮將套管直接焊在閥門、法蘭(套管法蘭)等構件上，減少暴露泄漏源，法蘭連接部位設置泄漏氣體收集裝置[10]。

3 不同套管檢漏方式檢漏可靠性分析

3.1 定性分析

套管檢漏除了上述低壓檢漏(套管內壓力低于主管壓力)，還可以采用高壓檢漏(套管內壓力高于主管壓力)以及真空檢漏(套管內抽真空)。后兩種具有外泄漏保護功能。套管高壓檢漏時，即便主管泄漏，也是套管內的高壓介質向主管泄漏；套管真空檢漏時，即便主管泄漏，泄漏的介質也會被真空系統吸走，同時套管真空檢漏便于實現在線泄漏監測。

3種形式套管檢漏邏輯分別如表2～4所示。

表2 套管低壓檢漏

表3 套管高壓檢漏

表4 套管真空檢漏

由表2～4可以看出，單獨根據套管壓力進行判斷，只有套管低壓檢測能確切判定主管泄漏，套管高壓檢漏和套管真空檢漏只有同時保證套管不漏的前提下，才能根據套管壓力降低或真空度降低確切判定主管泄漏，但套管低壓檢漏理論上會存在主管泄漏漏檢的可能[11]。套管高壓檢漏和套管真空檢漏雖然不能根據套管壓力確切判定主管泄漏，但可以通過套管壓力降低或真空度降低，判定套管檢漏管可能有一側出現了泄漏，提示檢漏套管不能正常工作，給出更換套管的警告，從而避免主管泄漏。

3.2 定量分析

套管不漏、主管泄漏流量為0.1 mg/s時，由于套管并非絕熱，所以泄漏時造成的能量變化可以忽略不計，三種檢漏方式造成的壓力變化率可按理想氣體平衡方程[12]計算：

PV=nRT

(2)

式中，P為氣體絕對壓力，Pa；V為容器體積，m3；n為氣體物質的量，mol；R為普適氣體常數，J/(mol·K),取R=8.314 J/(mol·K)；T為溫度，K。

低壓檢漏、高壓檢漏和真空檢漏的三種內管泄漏情況如圖13所示，套管體積為0.07 m3的空間，低壓檢漏中套管內的表壓強為0.1 MPa；高壓檢漏中套管內表壓強分別取0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 MPa；真空檢漏中套管內表壓強分別取-0.05，-0.06，-0.07，-0.08，-0.09 MPa。假定泄漏流量均為0.1 mg/s。

圖13中，Q為泄漏流量，V為套管體積，P0為套管初始表壓強。由道爾頓氣體分壓定律[13]可知，混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體的分壓之和，某組分氣體的分壓大小則等于其單獨占有與氣體混合物相同體積時所產生的壓強，最終計算出隨泄漏時間變化的套管表壓力P(t)和壓力變化率dP(t)/dt，如表5所示。

圖13 三種泄漏工況模擬

表5 泄漏壓力計算結果

經過市場調研了解，量程和精度最為符合的為壓強傳感器，其量程范圍選擇多且精度高。根據三種檢漏方式工況，最終選擇PTL703W型膜片型微壓壓力變送器，精度為0.25%FS，將變送器連接到壓力記錄儀，即可實現管內壓力監測。綜合考慮壓力變化范圍和壓力傳感器可選量程，低壓檢漏選擇量程為0～0.6 MPa的傳感器，精度為1 500 Pa，由壓力變化率可知，約23 h壓力變化才能超過誤差值；高壓檢漏選擇0～1 MPa的傳感器，精度為2 500 Pa，約5.5 h壓力變化能超過誤差值；真空檢漏選擇量程為-0.1～0 MPa的傳感器，精度為250 Pa，約4 h壓力變化就能超過誤差值。

綜合比較以上數據，以及各檢漏方式的優劣勢，理論上低壓檢漏會存在主管泄漏漏檢的可能，而且約23 h的泄漏才能使壓力變化超過壓力傳感器的誤差值，發現泄漏時間過長。真空檢漏的時間最短，且能判定套管哪一側出現了泄漏，給出更換套管的警告，從而避免主管泄漏，故真空檢漏為最佳檢漏方式。

4 結論

(1)由于主管與套管內介質壓力均較低，壓力載荷引起的應力很低，溫度載荷作用下主管在旁路導淋閥殘液槽側三通位置、套管在導淋閥2后與主管的收口連接位置有較高的熱應力，但均滿足強度要求。主管與設備法蘭連接位置由于溫度載荷會使法蘭當量計算壓力有所提高，但PN16的法蘭可滿足密封要求。

(2)由于氟化工企業存在大氣腐蝕環境，碳鋼套管與主管連接部位仍有應力腐蝕風險，因此建議在導淋閥2后的套管與主管的收口連接部位增設泄漏輔助監測點。由于主管在附近的三通部位也存在高應力，此處布置泄漏監測點，不但可以檢測套管的泄漏，同時有利于檢測主管高應力區的泄漏。

(3)為了盡量增加套管覆蓋范圍，可以考慮將套管直接焊在閥門、法蘭(套管法蘭)等構件上，減少暴露泄漏源，法蘭連接部位設置泄漏氣體收集裝置。

(4)套管低壓檢漏，僅根據套管壓力升高就能確切判定主管泄漏，但存在因主管泄漏速率與套管泄漏速率相同導致主管泄漏時而套管壓力不變的可能。套管高壓檢漏和套管真空檢漏雖然不能僅根據套管壓力降低或真空度降低判定主管泄漏，但可以判定檢漏套管單側或雙側泄漏，提示套管不能正常工作，給出更換套管的警告，從而避免主管泄漏。經過定量分析，真空檢漏為最佳檢漏方式。