化工装置夹套管概述及壁厚计算探讨 化工装置中常使用夹套管伴热系，是石油化工实际生产中运用的保温管道类型的一种， 夹套管的特点在于它能保持管内输送流体的流动性和温度， 能有效的防止流体在输送过程中凝结， 夹套管的特殊设计让它在石油化工实际生产中有广泛的应用 本文简单介绍了化工装置夹套管的特点， 同时结合工程案例给出了化工装置夹套管内管壁厚计算及选用的思路及做法， 为今后工程设计提供了参考的实例 标签： 夹套管;内管;水压试验;壁厚 Overview of Jacketed Piping in Chemical Plant and Calculation of Wall Thickness Zhang Zhixiang ， Guo Tong， Geng Jinwei CNPC Northeast Refining & Petrochemical Engineering Co.Ltd Jilin Design Institute Jilin 132002 【Abstract】 Jacketed heating system is often used in chemical plants and it is one type of pipe insulation in petrochemical actual production. Its features included keeping liquidity and temperature of the fluid pipelines. It can effectively prevent fluid from congealing in the process of fluid transport， so jacketed piping is widely used in chemical industry production. The characteristics of jacketed piping are introduced briefly in this paper， and this paper proposes some basic thinking and practice for calculation of jacketed piping wall thickness involving the experience of project case. It provides a project example for stability calculation in a similar project. 【Key Words】 jacketed piping; internal line; hydrostatic testing; wall thickness 蒸汽夾套管是石油化工实际生产中广泛应用的保温管道类型之一，套管间的空隙供热流体循环以提升和维持内管中流动介质的温度，这种管路适用于非常粘稠和一些对局部过热比较敏感的流体。
夹套管具有适应广泛、温度调节迅速、伴热均匀、伴热效高的优势，它的使用效果是一般普通伴热管所达不到的效果，因此在实际生产中大量被采用夹套管是一种具有两层套管结构的管道，大直径管套内有同心的小直径管道的特殊设计，能为管道内流动的凝固性流体、粘性流体和高熔点流体起到加热或保温的作用，套管内流动着起加热或保温作用的热载体来补充内管在停输或输送期间的热损失，内管用于输送工艺介质，靠对流完成热交换，来保持恒定的工艺稳定本文概述了夹套管的优势及用途，总结了夹套管的类型及选用原则，最后，结合实际工程设计案例，给出了夹套管内管壁厚计算和选用的思路及具体方法， 为解决这一夹套管设计常见难题提供了新思路和参考实例 1 夹套管介绍 在石油化工生产中，为了防止腐蚀性冷凝液的形成、防止产品固化、避免产品在低温时产生成分的分离， 保持高粘度产品的流动性， 避免工艺流体由于低温时产生堵塞，使特定的产品的温度保持恒定，在生产工艺上，常常采取对工艺管道伴热的方式设计， 以保障生产操作的正常进行， 维持管内介质的温度在一个适当的范围为了减少管内热损失，可以采取补充热量的方式，夹套管的方式就是补充热量的一种方式如 ABS 装置经常采用蒸汽及导热油夹套管，丙烯酸及酯装置为了保证热熔盐温度不低于 200℃以防止其凝固[1]， 同时为方便及时检修热熔盐管线采用了夹套半管伴热。
夹套管伴热具有突出的特点就是伴热均匀、伴热效率高，当管道内某一区域温度降低时，该区域的局部压力就会下降，热的介质就会补充过去，同时气相热载体冷凝就会释放大量的潜能，因而夹套管伴热适用范围较广温度调节也比较迅速，适合用于工艺要求比较高的场合，尤其是高温场合但是夹套管也存在一定的缺点， 夹套管的内管一旦发生泄漏， 检修存在一定的困难， 而且不易被发现，制造要求也相对较高其加热、保温作用的热载体一般是热媒、蒸汽两种介质，热媒具有比热大、热稳定性质好的优点属于非常好的热载体，在高温下对应的压力较低，但是投资较大，需要另设温控系统、循环泵、热媒加热炉等设备，才能提供一定流量和温度的热媒 2 夹套管设计及选用依据原则 2.1 夹套管的组合尺寸按表 2.1 选用 表 2.1 夹套管的组合尺寸 2.2 夹套管类型及连接形式的选择 2.2.1 夹套管类型 夹套管按照热媒体的种类可以分为： 热油夹套、 热水夹套和蒸汽夹套等类型，但它们的设计原则几乎是一样的，这些类型的夹套管分别适用于相应的化工物料， 内管焊缝外露型和内管焊缝隐蔽性的形式取决于管道的结构形式和套管和内管的连接形式， 这两种形式一般被统称为不完全夹套管和完全夹套管， 不完全夹套管仅适合在直管管段上使用。
内管与套管连接形式有法兰式、 管帽式、 端板式，其中法兰式夹套管用于内管焊缝隐蔽型， 其常见连接型式见图2.1 至图 2.2;图 2.1 平面衬垫承插式法兰连接 图 2.2 平面对焊式法兰连接 2.2.2内管与套管连接形式的选择 a）法兰式夹套管 法兰式夹套管用于内管焊缝隐蔽型，其连接型式有：平面对焊式法兰连接、 平面承插式法兰连接、平面衬垫承插式法兰连接、平面式法兰连接、钻孔平面式法兰连接、榫槽承插式法兰连接根据输送介质的物性、工况和蒸汽品质以及安装条件的不同， 选择不同的连接方式 但这种连接方式始终存在温度保温的死角常用于要求管道可拆卸， 管道不宜动火焊接的情况下 安装管道时需注意以下几点： a.在保证法兰螺栓拆卸空间够用的前提下，尽量缩小拆卸空间; b.蒸汽跨越管安装在管道的上部，排凝管安装在管道的下部 b）管帽式夹套管（见图 2.3） 管帽式夹套管用于内管焊缝外露型或内管焊缝隐蔽型 此种连接型式由于不用法兰连接，减少了泄露点，并且施工过程方便，加之管道与管道之间的连接处可进行保温处理， 从而避免了管道敷设过程中的死角问题 建议在管道不拆卸且输送介质无毒、不可燃的情况下，尽量采取此种连接。
另外，需注意的是：焊缝连接处焊接应力较大，同时，由于管道焊接后距离越长，热膨胀量增大，相应的管道热应力增大，在设计过程中需注意管道的热补偿问题，降低管道的热应力[2]管帽式夹套管的跨越管安装和法兰式夹套管跨越管安装方法相同 c）端板式夹套管（见图 2.4） 端板式夹套管也用于内管焊缝外露型或隐蔽型 基本结构型式和管帽式夹套管相似，但其施工较管帽式夹套管更加方便，尤其是端板内管焊缝外露型端板式夹套管其它性质和管帽式夹套管相同 图 2.3 管帽式夹管 图 2.4 端板式夹套管 3 夹套管内管壁厚计算实例 3.1 计算依据 我们知道，对于夹套内管而言，由于夹套管两层结构的特殊性，夹套内管往往需要进行外压失稳的核算，而直管的外压设计应按 GB150 等有关标准，并按p≤[p]的准则确定计算厚度[3]，此处[p]为许用外压力，计算得到的[p]应大于或等于 pc[4]， 这里如何确定夹套内管的计算压力 pc 是问题的关键 夹套容器的内筒，其设计压力根据化工生产工艺要求可能是正压， 也可能是负压， 然而当夹套中用蒸汽加热时， 内筒的计算压力应该按生产中可能出现的最大压差来确定， 而且往往是要进行稳定计算[5]，同时夹套管的内管应按内外部较高一侧的试验压力进行内压试验，但设计者还应校核外压试验压力下内管的稳定性 [6]。
丁烯氧化制丁二烯项目夹套管道所在工况较苛刻， 承受外压的壁厚计算没有 经验，如果根据 GB150.3-2011 第 4 章外压圆筒计算壁厚，管道壁厚增加很多，根据其他现场经验，所选夹套内管壁厚不满足 GB150.3-2011 第 4 章的要求，但实际装置同样运行良好，所以在此种工况下，如何根据标准规范经济的选用管道壁厚，成为了难题夹套管线 HTS-10001-80/125、HTS-10002-150/200，内管设计压力均为 1.0MPaG， 设计温度均为 420℃， 管道材质为 GB9948-2006， 15CrMo;外管设计压力均为 2.2MPa，设计温度均为 420℃，管道材质为 GB9948-2006，15CrMo接下来，我们选取 HTS-10002-150/200 这根管线，分别按三种情况分别计算内管壁厚，以方便比较（计算结果采用 SW6v7.0 软件输出） a.只考虑内压 b.考虑内管外压为 2.2MPa c.考虑 20℃水压试验压力为 4.78MPa 与 5.58MPa （两个标准中给出的许用应力不同，换算后形成两个水压试验压力） 3.2 计算结果 a）.只考虑内压情况下，计算壁厚为 0.86mm; b）.外压为 2.2MPa 下，通过迭代得到计算壁厚为 5.35mm，如图 3.2 c）.20℃水压试验压力为 4.78MPa 下，通过迭代得到计算壁厚为5.15mm;5.58MPa 下，通过迭代得到计算壁厚为 5.72mm（鉴于篇幅，此处计算书略去） 。
3.3 计算结果分析及选取 通过上述结果， 我们可以看到， 按设计条件下可能出现的最大压差选取的计算壁厚 5.15mm 是相对合理的，只考虑内压或水压试验下，要么无法保证外压失稳的安全（0.86mm） ，要么造成材料的较大浪费（5.72mm） 图 3.2 2.2MPa 下外压计算书 4 总结与建议 4.1 本文总结 综上所述，化工装置中夹套管的使用广泛，这也要求设计人员能够根据实际情况合理地选取夹套管类型，夹套管的设计、施工都是比较复杂的，在建设过程中若要对夹套管做某些改动，会造成很大的经济损失，要求设计者只有遵循设计原则进行设计，才能实现安全平稳运行，达到最佳的伴热效果，实现工艺目的 4.2 对今后设计工作的建议 通过上文夹套管壁厚计算实例， 我们可以得出结论，在工程设计中遇到问题时，要认真研究标准规范，依据理论计算并合理判断得出科学的方案，切不可盲目照搬现成经验同时，在今后的设计工作中，可以利用不同方案的比较分析得出最合理的结论，希望在此抛砖引玉，能给读者带来些许参考 参考文献： [1]陆洋，丁旭，李晓亮.熔盐夹套管伴热的半管设计[J].化工设计，2012，22（1） ：16. [2]马骏，唐文麒.蒸汽夹套管设计中需注意的几个问题[J].化工设计通讯，2003，29（4） ：30. [3] GB/T 20801.3-2006，压力管道规范 工业管道第 3 部分：设计和计算[S]. [4] GB 150.3-2011，压力容器 第 3 部分：设计[S]. [5]董大勤.化工设备机械基础[M].北京：化学工业出版社，2002：166. [6] GB 50316-2000，工業金属管道设计规范[S]. 作者简介：张志祥（1988-） ，男，助理工程师，毕业于浙江大学材料与科学专业，现从事化工管道材料的设计工作。