夹套管热效率的分析与提高

张秀莲

德希尼布工程咨询（上海）有限公司 （上海 200031）

工作研究

夹套管热效率的分析与提高

张秀莲

德希尼布工程咨询（上海）有限公司 （上海 200031）

夹套管运行中热媒的热效率非常关键，它直接影响着工艺物料的顺利传输。简单地说，热效率的问题就是热媒的储热均匀性和传热均匀性问题。主要列举了夹套管运行中经常出现的问题以及这些问题给夹套管带来的弊端；分析了造成这些问题的原因；重点提出了提高热效率所采取的有效措施。

夹套管 热效率 热媒 折流板 定位板

夹套管是一种具有内外同心双层管道组成的特殊结构管道系统，内管用于输送工艺介质，套管内流动着起保温或加热作用的热媒，热媒承载着足够的热能以补充内管工艺介质在输送或停输期间的热损失，工艺介质和热媒靠对流完成热交换，保证了工艺介质的温度，从而达到工艺物料所需的工况，简单地说，热媒的作用体现在以下几点：（1）保持高黏度产品的流动性；（2）避免工艺物料在低温时产生分解；（3）防止工艺物料产生固化；（4）防止腐蚀性冷凝液的形成；（5）避免工艺流体由于温度降低而堵塞管路等。

夹套管是石油化工生产中常用的保温管道类型之一，夹套具有传热效率高、伴热均匀、温度调节迅速、可控性良好等优势，因而在工程设计和生产中得到了广泛的应用，下面对工程设计中遇到的一些夹套管热效率问题进行技术剖析。

1 夹套管运行中常出现的问题

（1）内管受热不均匀。主要表现在内管的上半部分和下半部分接收的热量不一样。

（2）热媒行程太长，热负荷补偿不足。主要表现在夹套的热媒热负荷消耗大，剩余的热负荷不足以满足内管的热负荷需求，所以需要补充新的热量。

（3）有死角存在，造成内管工艺物料堵塞。死角多产生在夹套的盲端和三通、分支部位，例如绝缘法兰端部压力计、温度计、取样等部位。绝缘法兰端部一般是靠近热媒的进出口位置，对于连续流动的工艺物料不会产生太大的影响，如果工艺物料是间歇性的，处于夹套盲端位置的工艺物料就得不到充分的热量，从而导致温度下降。对于上述情况，热媒会流通不畅，严重时热媒还会处于静止状态。

（4）热介质为导热油的夹套会产生气体蒸发现象，在夹套管内部形成气袋，热媒形成断路。热媒的不流畅，会导致供热的不稳定，造成工艺管线某些部位受热多，温度高；某些部位受热少，温度低。

（5）夹套检修泄压后，热媒无法泄放。热媒的残留不但会对管道的机械强度造成危害，还会降低热媒系统重新运行后的热效率。因为冷媒、热媒混合后，会大大降低热媒的潜热。

2 问题产生的主要原因分析

出现以上问题，分析认为主要有以下几个方面的原因：

（1）没有正确选择热媒与夹套类型，且热媒在夹套管上进出口的位置不正确。

（2）热负荷损失计算不准确，热负荷补偿计算模糊，保温厚度计算偏差过大。

（3）折流、均流措施不正确，盲端管段、盲端阀门出现夹套盲区和死区。

（4）热媒为导热油的夹套管道系统没有形成步步高走向，管线走向中出现了倒U型气袋。水平布置的管线未设置坡度，在热油分配站上未设放气阀。

（5）热水、蒸汽、导热油夹套均在管道系统的最低点未设置放净。

3 改进措施

针对以上存在的各种问题，在设计中应实行以下相对应的改进措施。

3.1 正确选择热媒和夹套类型

夹套中常选用的热媒有导热油、蒸汽、热水、脱盐水（软化水）等。一般比较常用的导热油有联苯、联苯醚类、氢化三联苯、苄基甲苯和二苄基甲苯等。导热油具有热稳定性好、凝固点较低、沸点较高等特点，使用温度范围十分宽（-39～400℃），并且蒸汽压不高，蒸发损失少，所以对加热具有较高和较低温度要求的工艺物料特别有优势，对于温度精度要求极高（±1℃）的工艺介质应使用导热油夹套。蒸汽分为饱和蒸汽和过热蒸汽，夹套使用的是饱和蒸汽，蒸汽的热稳定较差、冷却速度大，易于突然降温，所以不适用于热敏感的工艺介质，并且蒸汽使用温度范围有一定的局限性。热水和脱盐水可以作为热媒也可以作为冷媒，但使用的温度范围很窄，对黏稠和热敏感的工艺介质可以选用热水夹套。热媒的选择既取决于热媒本身的储热能力和水平，也取决于工艺物料的要求。夹套从结构形式上分为内管焊缝隐蔽型（全夹套）和内管焊缝外露型（半夹套）两种。全夹套非常有利于热传导，因为内管加热没有空缺，所以从传热的角度来讲，在管道的夹套系统中，阀门、过滤器等管道器材尽量多选用夹套型的，整个管道系统优先选用全夹套型。但以下情况应优先选用半夹套型：（1）内管输送的工艺介质具有毒性，为了便于检查有毒工艺介质的泄漏，一般采用半夹套型。（2）内管输送的是食品、医药等，为了保证内管物料的卫生和洁净纯度要求、防止热媒渗入内管，一般也选用半夹套型。

3.2 保证充足的热能

要保证夹套的良好传热，就必须保证热媒有充足的热能储蓄。所以工艺计算准确性十分重要。根据规范规定的相关公式计算出热媒的热负荷损失、夹套管热负荷消耗量、保温层厚度等，才能确定夹套管外管的公称直径和热媒许可行程。表1是以蒸汽为热媒的经验数据。

表1 以蒸汽为热媒的经验数据数据

3.3 正确实施均流措施，提高传热的均匀性

实现均流的方法主要有以下几种：

（1）加设折流板

折流板是用来改变热媒流向的板，其作用是增加湍流、减少死区、加长流程，以此来提高换热效果。折流板一般用在热媒进出口处，距离进出口管外壁大约12.7 cm的位置，如图1所示。

折流板的规格、尺寸见表2。

图1 折流板图示

图1适用于热媒是热水、导热油、脱盐水的夹套，图中热媒从水平管线底部进入，从顶部泄放出去。图中箭头方向标示出了热媒流动的轨迹，刻意改变了热媒自然流动的轨迹和状态，消除了套管的盲端，有效保证了法兰端夹套换热的效果。折流板焊接在内管外壁上，材料与内管相同。

表2 折流板/三通隔板的规格尺寸

（2）加设三通隔板

三通隔板是焊接在内管外壁三通底部的一块隔板，适用于较短的分支管段，如温度表、压力计、放空、放净等部位，一般在M1值不超过200 mm的情况下适用该方法。在三通隔板的底部有一个R=5 mm的小圆孔，该小孔可以保证内管底部夹套热媒介质的连续流动，消除底部盲区，以此保证内管底部工艺物料的充分热交换，同时也保证分支管道的热交换和夹套管内的热媒均流匀热的良好工况。见图2。隔板材质与内管材质相同，隔板焊接在内管的外壁，其规格尺寸见表2。

图2 三通隔板图示

（3）加设限流隔板

限流隔板形状类似于圆环，焊接在分支管附近内管外壁上。主要适用于较长的分支管段，与三通隔板一样会出现在温度表、压力计、放空、放净等部位，一般在M1值大于200 mm而不大于800 mm的情况下适用该方法。在隔板的底部有一个高度等于隔板宽度一半的缺口，该缺口可以保证内管底部夹套介质的连续流动，以保证内管底部工艺物料的充分热交换，实现热媒均流匀热的良好工况。隔板材质与内管材质相同，作用与三通隔板相似，只是安装位置与三通隔板不同。图3是各种热媒夹套隔板的安装图例，由此可看出，加设限流隔板时为了消除死角，分支管下游要设置跨线。

图3 限流隔板图示

（4）加设定位板

定位板的作用是保证内管与套管的最小距离。定位板与套管内壁间隙约为1～1.5 mm，其长度为40 mm，定位板的安装保证了套管腔体截面均匀分布，保证内管所有区域热负荷均匀平衡。定位板的材质和内管材质相同，其安装方位不应影响内管热位移。图4是水平管线与竖直管线定位板的安装图例。定位板间距、大小见表3。

图4 定位板图示

表3 定位板间距

（5）毛细伴管的应用

当夹套管道系统没有夹套阀门可供选用，不得不使用普通阀门与夹套管道连接时，为了消除因流体温度下降造成的后果，普通阀门要采取毛细管伴热措施，为了伴热均匀，毛细伴管要盘绕在阀门的两侧，以此来保证阀门内流体的温度。当热媒为热水、脱盐水或0.4 MPa及以下的低压蒸汽时，毛细伴管的规格宜采用DN20；当热媒是热油和1.6 MPa及以上压力的蒸汽时，毛细伴管宜采用DN15。

3.4 热媒为导热油的夹套管布置

夹套管道系统尽量保证步步高走向，不能出现倒U型气袋，防止热油蒸发形成气体积聚进而使热媒断路。当热媒是蒸汽时，如果内管有坡度要求，则套管内蒸汽的流向须与坡度一致。当热媒是热水、脱盐水或热油时，如果内管有坡度要求，则套管内热媒的介质流向须与坡度相反，在管道系统的最低部位加放净管，放净管管嘴加配内螺纹管帽。

3.5 正确设置夹套跨线，保证热媒的泄压放净及低点放净

图5 热媒为热水或脱盐水时夹角套跨线形式

图6 热媒为蒸汽时夹角套跨线形式

当热媒是热水或脱盐水时，其跨线形式见图5；当热媒是蒸汽时，其跨线形式见图6；当热媒是热油且其内管管径DN≤50时，其跨线形式如图7所示；当热媒是热油且其内管管径DN＞50时，其跨线形式如图8所示。

图7 热媒为热油且内管管径DN≤50时夹角套跨线形式

图8 热媒为热油且内管管径DN＞50时夹角套跨线形式

本文阐述了石油化工夹套管提高热效率的几种措施，这些措施都是在夹套管设计中必不可少的环节，它直接影响到化工装置的顺利进行，对设计人员来说非常重要，因此设计时要遵循设计原则，要全面考虑，多听取业主提出的合理建议，使我们的设计水平能满足各种项目、各种产品、各种工况条件、不同区域工厂等需求。

Analysis and Enhancement of Thermal Efficiency of Jacketed Piping

Zhang Xiulian

The thermal efficiency of heat medium is the key factor during jacketed piping's running.It directly affects the normal transport of process materials.Simply speaking,the key issue of the thermal efficiency is the uniformity of heat accumulation and transfer.Mainly lists the general problems during jacketed piping's running and the negative effects,analyzes the reasons and puts forward effective measures to improve the thermal efficiency seriously.

Jacketed piping;Thermal efficiency;Heat medium;Baffle plate;Locating plate

（略）

TQ055.8+1

2014年8月

张秀莲女1971年生本科工程师1996年毕业于郑州工业大学目前主要从事石油化工管理设计工作