石油化工裝置夾套管的配管設(shè)計(jì)

劉玉劍，丁春丹(林德亞太工程有限公司，浙江 杭州 310023)

0 引言

在石油化工裝置中，常見(jiàn)的伴熱形式有蒸汽伴熱、熱水伴熱、夾套管伴熱、電伴熱四種。各種伴熱形式均有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)，其中蒸汽和熱水伴熱的投資較少，但維持溫度的效果相對(duì)差，電伴熱和夾套管伴熱前期投資較高，但維持溫度效果好。因此在被伴熱介質(zhì)溫度要求較高的場(chǎng)所，一般選用夾套管或電伴熱形式。

1 石油化工裝置夾套管的定義

在石油化工裝置中，工藝介質(zhì)凝固點(diǎn)高于50 ℃時(shí)，一般選用夾套管伴熱。夾套管是指具有雙層套管結(jié)構(gòu)的管道，分為內(nèi)管和夾套外管。內(nèi)管用于輸送工藝物料，夾套外管與內(nèi)管同心，用于輸送熱媒介質(zhì)，如蒸汽、熱水、導(dǎo)熱油等，通過(guò)夾套外管內(nèi)伴熱介質(zhì)的流動(dòng)，將熱媒介質(zhì)的熱量傳遞至內(nèi)管的工藝物料，以維持內(nèi)管工藝物料的溫度，防止工藝物料在輸送過(guò)程中凝固。這種伴熱形式適用于一些比較黏稠和對(duì)局部過(guò)熱比較敏感的流體[1]。夾套管伴熱優(yōu)勢(shì)顯著，且效果優(yōu)于其他伴熱形式，因此被廣泛應(yīng)用在石化裝置中。

2 石油化工裝置夾套管的優(yōu)勢(shì)

2.1 快速調(diào)節(jié)介質(zhì)的溫度

夾套管在石油化工產(chǎn)品中起到快速調(diào)節(jié)介質(zhì)溫度的作用，同時(shí)夾套管充分利用了夾套管內(nèi)管與外管的夾層，夾層位置充入可流動(dòng)介質(zhì)后能夠?yàn)楣艿捞峁┳銐虻臒崃浚⒓皶r(shí)補(bǔ)充管道熱量，防止管道內(nèi)發(fā)生熱量損失。石油化工傳統(tǒng)裝置采用的是熱爐涂保溫層的方法，這種方法調(diào)節(jié)溫度的效率很低，夾套管調(diào)節(jié)介質(zhì)溫度的優(yōu)勢(shì)明顯高于傳統(tǒng)裝置[2]。

2.2 保證產(chǎn)品的質(zhì)量

石油化工產(chǎn)品在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，最重要的就是要保證產(chǎn)品質(zhì)量，因此必須做好預(yù)防產(chǎn)品固化、預(yù)防形成腐蝕性冷凝液，以及預(yù)防低溫分離等工作，以此防止石油化工產(chǎn)品發(fā)生離析、固化的問(wèn)題。同時(shí)石油化工產(chǎn)品也要維持原有的流動(dòng)性和黏性，這樣才能保證石油化工產(chǎn)品的品質(zhì)[3]。而夾套管伴熱就是為了實(shí)現(xiàn)這些功能，讓產(chǎn)品在石油化工裝置內(nèi)可以保持高黏度的流動(dòng)性，防止其受低溫影響而堵塞管道。夾套管在石油化工生產(chǎn)中有較為明顯的優(yōu)勢(shì)如可以為石油化工行業(yè)中的特定產(chǎn)品提供恒定的溫度環(huán)境。同時(shí)，夾套管在石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中采用管道伴熱設(shè)計(jì)方法，可以保證生產(chǎn)操作的有序進(jìn)行。

夾套管可以把石油化工裝置中的溫度維持到特定的范圍中，屬于熱補(bǔ)充方法中最為常見(jiàn)的一類。石油化工裝置管道內(nèi)的溫度下降以后，夾套管局部壓力降低，這時(shí)熱介質(zhì)就會(huì)迅速地補(bǔ)充到低溫區(qū)域，與此同時(shí)氣相熱載體冷凝過(guò)程中也會(huì)放出熱能。夾套管溫度調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，適應(yīng)石油化工生產(chǎn)這類高溫作業(yè)環(huán)境。但是夾套管內(nèi)管發(fā)生泄漏檢修比較困難，也比較難發(fā)現(xiàn)，制造要求也較高。所以設(shè)計(jì)時(shí)夾套管內(nèi)管必須進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)，以避免生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生泄漏。由于夾套管的特殊結(jié)構(gòu)形式，在進(jìn)行相關(guān)的配管設(shè)計(jì)時(shí)需要提前規(guī)劃管道走向，考慮管道元件連接的要求，以及相關(guān)的管道施工質(zhì)量規(guī)范[4]。

3 石油化工裝置夾套管的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

石油化工裝置夾套管設(shè)計(jì)直接關(guān)系到其在石油化工企業(yè)中的應(yīng)用，本文中例舉夾套管設(shè)計(jì)的要點(diǎn)內(nèi)容[5]。

3.1 類型設(shè)計(jì)

夾套管按結(jié)構(gòu)形式可分為內(nèi)管焊縫隱蔽型和內(nèi)管焊縫外露型，這兩種形式又稱為全夾套和半夾套。當(dāng)介質(zhì)凝固點(diǎn)為50～100 ℃時(shí)，宜選用內(nèi)管焊縫外露型夾套管(半夾套)伴熱；當(dāng)介質(zhì)凝固點(diǎn)高于100 ℃時(shí)，宜選用內(nèi)管焊縫隱蔽型夾套管(全夾套)伴熱；當(dāng)輸送有毒介質(zhì)時(shí)，應(yīng)選用內(nèi)管焊縫外露型夾套管，同時(shí)管道上的閥門(mén)、法蘭等應(yīng)選用夾套型。按熱媒介質(zhì)的種類，夾套管一般分為熱水夾套、導(dǎo)熱油夾套和蒸汽夾套，其分別適用于不同類別的工藝物料。導(dǎo)熱油具有比熱大、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，屬于較好的熱載體，但是前期投資較大，需要另設(shè)導(dǎo)熱油爐、循環(huán)泵及溫度控制系統(tǒng)等設(shè)施，才能提供一定的溫度；蒸汽和熱水取用方便，但是能維持的工作溫度較低。一般情況下，不完全夾套管只適合使用在直管的管段區(qū)域。

3.2 溫度壓力設(shè)計(jì)

夾套管內(nèi)管的外壓應(yīng)為外管內(nèi)的伴熱介質(zhì)的壓力，外管(包括端板)的內(nèi)壓應(yīng)為伴熱介質(zhì)的設(shè)計(jì)壓力。夾套管的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)取內(nèi)管的工藝物料或外管內(nèi)熱媒介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度較高者，且熱媒介質(zhì)的溫度高于工藝物料的溫度，但溫差不宜高于50 ℃。

3.3 組合尺寸設(shè)計(jì)

夾套管的組合尺寸一般按如表1所示的規(guī)定選取。

表1 夾套套管組合尺寸

3.4 長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

進(jìn)行夾套管的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮內(nèi)部液體的體積和質(zhì)量，這樣就可以規(guī)劃好長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。在計(jì)算石油化工裝置中液體容量的過(guò)程中，需要比較最高溫度、最低溫度兩種狀態(tài)下的液體容積，且必須以容量最大值為參考設(shè)計(jì)夾套管的長(zhǎng)度。夾套管直徑設(shè)計(jì)時(shí)要以液體流動(dòng)速度為參考，避免影響配管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的規(guī)范性。

3.5 內(nèi)外管熱應(yīng)力設(shè)計(jì)

石油化工裝置夾套管配管設(shè)計(jì)中，因?yàn)橥夤芘c內(nèi)管的介質(zhì)有差異，所以會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)溫度差異的問(wèn)題，這時(shí)就會(huì)引發(fā)熱膨脹應(yīng)力差異，配套設(shè)計(jì)中要分別計(jì)算出外管的熱應(yīng)力與內(nèi)管的熱應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)外管道應(yīng)力存在差異時(shí)，夾套管配管設(shè)計(jì)就要注意膨脹節(jié)設(shè)計(jì)，膨脹節(jié)能夠讓夾套管發(fā)生膨脹時(shí)有位移的空間。夾套管彎頭位置也要確保內(nèi)外管道發(fā)生膨脹以后有容納位移的空間，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整外管的直徑，來(lái)縮短內(nèi)外管之間的膨脹差。在內(nèi)外管含有膨脹差的條件下，導(dǎo)向板才能最大化地吸收膨脹差，完善配管設(shè)計(jì)。

3.6 焊接及選材設(shè)計(jì)

夾套管內(nèi)管、外管的焊接及選材都有明確的要求，內(nèi)外管焊接、選材時(shí)需充分考慮內(nèi)部流體的壓力、溫度等指標(biāo)，還要考慮流體介質(zhì)是否會(huì)對(duì)內(nèi)外管道產(chǎn)生腐蝕。內(nèi)外管道焊接時(shí)經(jīng)常會(huì)選擇對(duì)焊的方法，內(nèi)外管道的管壁厚度在使用中可以承受的最大壓力，也是焊接及選材設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)內(nèi)容[6]。

3.7 跨接管及坡度設(shè)計(jì)

跨接管和坡度設(shè)計(jì)是夾套管配管設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要內(nèi)容。夾套管敷設(shè)的過(guò)程中難免會(huì)遇到坡度，套管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)的方向要和坡度保持相同，當(dāng)選用蒸汽夾套時(shí)，單獨(dú)一套夾套伴熱系統(tǒng)內(nèi)，需設(shè)計(jì)獨(dú)立的疏水閥。夾套管設(shè)計(jì)中的蒸汽類型夾套管，其在使用時(shí)產(chǎn)生的凝結(jié)水會(huì)從套管的下側(cè)外排，蒸汽會(huì)從上側(cè)進(jìn)入，因此排凝管、供汽管上應(yīng)該設(shè)計(jì)切斷閥。套管、內(nèi)管膨脹差限制了夾套管的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，因此按照長(zhǎng)度規(guī)劃好配管的布置方式，要求每段夾套管的長(zhǎng)度盡量控制在6 m以內(nèi)。夾套管閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，采用跨接管串接的方法，選用法蘭連接即可。相鄰?qiáng)A套管的蒸汽管之間采用跨接串聯(lián)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。夾套管內(nèi)的水平配管，水平管道的最底端需設(shè)計(jì)跨接管，順著切線的方向設(shè)計(jì)跨接管[7]。

3.8 定距板設(shè)計(jì)

夾套管的定距板位于內(nèi)管和外管之間，具有定位、支撐的作用。內(nèi)管的外側(cè)焊接好定距板，此時(shí)定距板要和外管的內(nèi)表面有合適的距離。設(shè)計(jì)時(shí)把控好定距板到彎頭的尺寸，以免定距板影響管內(nèi)液體價(jià)值。

3.9 規(guī)范安裝操作

石油化工裝置夾套管安裝操作時(shí)需提出規(guī)范性的要求，嚴(yán)格遵循技術(shù)原則，分析管道內(nèi)的液體介質(zhì)以及溫度，按照實(shí)際情況組織配管安裝，防止夾套管使用期間出現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題。夾套管安裝時(shí)必須由專業(yè)人員操作，保證配套安裝的規(guī)范性。

3.10 其他設(shè)計(jì)

夾套管配管設(shè)計(jì)時(shí)禁止在主管上設(shè)置分支管，目的是最大程度地預(yù)防液體滯留，以免形成液體流動(dòng)的死角，同時(shí)也要排除夾套管內(nèi)出現(xiàn)“氣袋”“水袋”。

4 夾套管在石油化工裝置中的應(yīng)用

夾套管在石油化工裝置中的應(yīng)用和套管式換熱器非常相似，夾套管中很多工藝物料都具有高熔點(diǎn)、高黏度的特性，因此其非常適合應(yīng)用到石油化工裝置內(nèi)。石油化工企業(yè)內(nèi)，輸送介質(zhì)在輸送期間受到系統(tǒng)阻力而增高熱損失黏度，輸送量有明顯下降的情況時(shí)，就要選擇使用夾套管。除此以外，石油化工裝置中還有很多情況需要使用夾套管配管，常見(jiàn)的情況有：(1)輸送介質(zhì)在管道中運(yùn)輸時(shí)，發(fā)生熱損失以后會(huì)有結(jié)晶附著到管道上；(2)管道內(nèi)輸送介質(zhì)突遇暫停或者有切換操作時(shí)，管道介質(zhì)的溫度會(huì)突然下降，介質(zhì)凝固依附到管道上；(3)管道內(nèi)的介質(zhì)存在自冷的特征，這項(xiàng)特征也會(huì)引起管道堵塞；(4)管道內(nèi)的介質(zhì)需采取補(bǔ)償介質(zhì)熱損失的方法來(lái)保持介質(zhì)溫度[8]。

夾套管輸送石油化工企業(yè)的介質(zhì)，有效降低了管道介質(zhì)的熱損失，讓管道能維持介質(zhì)的溫度。在伴熱系統(tǒng)的應(yīng)用中，夾套管伴熱方法是現(xiàn)如今比較常見(jiàn)的，這種方法為管道介質(zhì)提供了熱載體，對(duì)內(nèi)外管有加熱、保溫的作用。夾套管內(nèi)較小直徑的內(nèi)管，負(fù)責(zé)輸送石油化工介質(zhì)。夾套管伴熱可以滿足范圍、溫度的基本需求。

夾套管在石油化工裝置中得到了充分的應(yīng)用，同時(shí)提高了伴熱效率，實(shí)現(xiàn)了管道輸送熱均勻，也保障了管道內(nèi)部介質(zhì)的有效流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外管道熱膨脹的應(yīng)力均勻，避免發(fā)生運(yùn)輸問(wèn)題。

5 石油化工裝置夾套管設(shè)計(jì)的不足之處

石油化工裝置夾套管設(shè)計(jì)中也存在一些技術(shù)上的不足之處，這些是未來(lái)夾套管設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要改進(jìn)對(duì)象。分析石油化工裝置夾套管設(shè)計(jì)的不足之處，具體如下：

5.1 類型選擇不合適

石油化工生產(chǎn)中的產(chǎn)品不同，夾套管設(shè)計(jì)時(shí)選擇的類型也不同。現(xiàn)如今很多石油化工企業(yè)從成本角度上考慮偏向于選擇低成本的夾套管類型，這類夾套管在使用時(shí)，無(wú)法滿足實(shí)際的需求，比如會(huì)出現(xiàn)熱力不均衡、供熱不及時(shí)的問(wèn)題，無(wú)法讓石油化工裝置在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱量平衡的狀態(tài)。本文以甲醛的生產(chǎn)為例，分析夾套管設(shè)計(jì)中類型選擇不合適所產(chǎn)生的問(wèn)題。我國(guó)以往生產(chǎn)甲醛時(shí)采用的是天然氣，生產(chǎn)裝置的夾套管都是按照天然氣的要求選擇好的類型，實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)樘烊粴鈨?chǔ)存量少，無(wú)法滿足甲醛生產(chǎn)的需求，導(dǎo)致甲醛生產(chǎn)成本較高，所以生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)了甲醛合成技術(shù)，改用煤炭來(lái)支持甲醛的生產(chǎn)，煤化工藝中涉及到焦?fàn)t氣脫硫、精脫硫等技術(shù)，利用空氣完成上述工藝中的轉(zhuǎn)化、合成以及壓縮，完成甲醛的合成過(guò)程。生產(chǎn)企業(yè)考慮到市場(chǎng)對(duì)甲醛的需求量不大，在工藝轉(zhuǎn)換的過(guò)程中并沒(méi)有選擇匹配的夾套管類型，一方面制約了新技術(shù)的發(fā)展，另一方面不利于甲醛的生產(chǎn)及制造。

5.2 長(zhǎng)度選擇不合格

夾套管長(zhǎng)度選擇不合格，是其在設(shè)計(jì)中另一不足之處。石油化工裝置在夾套管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)方面有著較為嚴(yán)格的要求，目的是為了防止配管與夾套管不匹配。夾套管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)及選擇時(shí)要從多個(gè)方面考慮，比如液體容量，這樣才能保證長(zhǎng)度選擇符合標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際夾套管長(zhǎng)度選擇的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員會(huì)忽視一些因素，不能保證配管長(zhǎng)度的規(guī)范性。

5.3 熱力判斷不準(zhǔn)確

夾套管在石油化工裝置中起到熱力平衡、熱力補(bǔ)充的作用，夾套管設(shè)計(jì)中內(nèi)管和外管在熱介質(zhì)的條件下出現(xiàn)了熱力差，而在夾套管配管設(shè)計(jì)中熱力判斷是非常重要的。熱力差值判斷過(guò)大，內(nèi)外夾套管會(huì)在過(guò)度受熱的狀態(tài)下出現(xiàn)膨脹損壞，致使夾套管在使用中面臨著爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。夾套管內(nèi)管與外管的材質(zhì)不同，其在發(fā)生熱膨脹時(shí)也明顯不同，這時(shí)兩者之間就會(huì)出現(xiàn)較大的溫度差，影響著熱力值的判斷，因此需分別計(jì)算出內(nèi)管與外管的熱力值，當(dāng)內(nèi)管有熱膨脹時(shí)可以提供補(bǔ)償，比如自然補(bǔ)償。

6 石油化工裝置夾套管配管設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

石油化工裝置夾套管配管設(shè)計(jì)中要特別注意管架的設(shè)計(jì)，管架對(duì)配管在夾套管中的應(yīng)用有著非常明顯的影響，管架設(shè)計(jì)規(guī)范、合理，才能滿足夾套管的使用需求，以免影響夾套管在石油化工裝置中的應(yīng)用。夾套管配管設(shè)計(jì)中應(yīng)注意收集管道到支架的信息，有效利用這些有用的信息，在此基礎(chǔ)上規(guī)劃管道支架的設(shè)計(jì)，這樣可以排除管道支架對(duì)配管設(shè)計(jì)的影響，準(zhǔn)確發(fā)揮出夾套管的作用，推進(jìn)石油化工企業(yè)的發(fā)展。

7 石油化工裝置夾套管配管設(shè)計(jì)的強(qiáng)化措施

7.1 組織合理的配管設(shè)計(jì)

石油化工企業(yè)非常重視夾套管配管的設(shè)計(jì)工作，為了提高夾套管配管的質(zhì)量就要組織合理的配管設(shè)計(jì)。夾套管配管設(shè)計(jì)要符合石油化工裝置的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)工作中積極地引入先進(jìn)的技術(shù)，所有的設(shè)計(jì)人員、操作人員都要具備相應(yīng)的資質(zhì)，檢查參與人員的資質(zhì)，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)還要提供可靠的材料，全面落實(shí)好配管的設(shè)計(jì)工作。石油化工企業(yè)應(yīng)該為夾套管配管設(shè)計(jì)提供優(yōu)質(zhì)的條件，尤其是人力、資金等條件，具備這些條件以后，才能保證配管設(shè)計(jì)的規(guī)范性。配管設(shè)計(jì)中需嚴(yán)格遵循安全原則，提高配管設(shè)計(jì)的可操作能力。

7.2 全面控制設(shè)計(jì)的成本

夾套管設(shè)計(jì)中有很多復(fù)雜的工藝，增加了設(shè)計(jì)成本的投入量，而且設(shè)計(jì)期間的影響因素非常多，較容易引起成本失控。成本控制是夾套管設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)核心措施，在保證配管安全、合理設(shè)計(jì)的條件下，應(yīng)最大程度地控制設(shè)計(jì)成本，樹(shù)立節(jié)約型的設(shè)計(jì)思想，以免出現(xiàn)資源浪費(fèi)的問(wèn)題。

7.3 定期組織人才的培訓(xùn)

石油化工行業(yè)內(nèi)定期組織人才培訓(xùn)，人才能夠提高夾套管設(shè)計(jì)的規(guī)范性及專業(yè)性。石油化工企業(yè)中為了強(qiáng)化夾套管設(shè)計(jì)，定期組織人才培訓(xùn)，優(yōu)質(zhì)的人才能夠抓住配管設(shè)計(jì)中的機(jī)遇。目前，夾套管設(shè)計(jì)中引入了大量的新材料、新設(shè)備，只有經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的人才才能準(zhǔn)確分析新材料、新設(shè)備的應(yīng)用，滿足石油化工行業(yè)夾套管配管設(shè)計(jì)的需求。

8 結(jié)語(yǔ)

夾套管在石油化工裝置中有著重要的作用，而配管是夾套管的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容。夾套管設(shè)計(jì)與石油化工裝置的安全性、可靠性存在直接的聯(lián)系。夾套管具有專業(yè)的設(shè)計(jì)要求，配管的設(shè)計(jì)應(yīng)該不斷地改進(jìn)、優(yōu)化，由此才能保證其能滿足夾套管的需求。本文中規(guī)劃了石油化工裝置夾套管配管設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，注重夾套管的性能，以此來(lái)提高配管應(yīng)用的廣泛性，同時(shí)保證配管設(shè)計(jì)可以滿足石油化工裝置夾套管的需求。