MDI装置夹套管壁厚选型案例论述

苏国东，翟俊红，郭晓莹，王晓宁，张 洋

(中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250010)

MDI(二苯基甲烷二异氰酸酯)因物料和工艺要求需要选用夹套管设计，夹套管设计虽然常用于工程设计中，但是在计算管道工程壁厚的时候，一般只是分别计算夹套内管和夹套外管的内压，常常忽略了夹套内管还需承受夹套外管内流体压力的情况，而且MDI是高度危害流体，如果管道泄漏，一是造成经济损失，二是引发工程事故。

本文结合某公司的MDI装置，详细介绍夹套管壁厚选择的主要过程。

1 操作条件

表1为聚氨酯设计项目中，MDI物料具体设计工况，以内管管径为DN150的管道为例，夹套外管的管径为DN200[1]，其中管道材料夹套内管为06Cr19Ni10不锈钢，夹套外管为20碳钢。

表1 物料设计工况

2 常规壁厚选择

一般惯例，根据收到的管道物料设计工况条件，管道材料壁厚的设计主要是参考和套用的模式：一是根据管道压力等级翻查相应设计手册[2]，按照压力选取对应管道的壁厚；二是参考相同类型的项目，按照过去的经验做法选取类似工况下的同样材质的管道壁厚作为现行项目的管道壁厚。

本装置中，由于内管材质为不锈钢，因此，根据设计工况，按照壁厚计算公式[3]：

tsd=ts+C

C=C1+C2

式中：ts—直管计算厚度(mm)；

P—设计压力(MPa)；

D0—管子外径(mm)；

Ej—焊接接头系数；

[σ]t—在设计温度下材料的许用应力(MPa)；

tsd—直管设计厚度(mm)；

C—厚度附加量之和(mm)；

C1—厚度减薄附加量，包括加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏差(mm)；

C2—腐蚀或磨蚀附加量(mm)；

Y—系数。

按照项目采用标准HG/T 20553-2011 (Ia)[4]《化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列》以及《ASME_B36.19M-2004不锈钢钢管》[5]进行选用，因此得出，DN150的管道的壁厚为3.4 mm。将结果圆整后得出壁厚选型为3.5 mm。但是这样计算出的管道壁厚，仅仅是承受内压管道的正常壁厚，忽略了夹套内管所承受的外压的情况。

3 夹套内管壁厚选型优化

如果考虑夹套外管和水压试验的情况下，需要重新核算夹套内管壁厚并对其实际承压能力进行核算。因为常用计算公式对于管道外压没有考虑，无法用常规公式进行计算。因此，需要选择其他公式进行计算。

参照规范GB 150.3-2011[6]《压力容器 第3部分：设计》中的计算公式，其中对于直管的外压设计公式和符号含义如下：

式中：[p]—许用外应力(MPa)；

B—外压应力系数；

D0—圆筒外直径(D0=Di+2δn)；

δe—圆筒或球壳的有效厚度(mm)；

δn—圆筒或球壳的名义厚度(mm)。

此公式主要是核算设备外压圆筒的计算公式，用在管道外压核算上，需设定管道长度不限长为核算的前提条件。

具体过程如下:

3.1 D0/δe≥20的直管段

3.1.1 确定外压应变系数A

a)根据L/D0和D0/δe由图4-2[6]或表4-2[6]查取外压应变系数A值(遇中间值用内插法)；

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

3.1.2 确定外压应力系数B

a)按所用材料，查表4-1[6]确定对应的外压应力系数B曲线图，由A值查取B值(遇中间值用内插法)；

b)若A值超出设计温度曲线的最大值，则取对应温度曲线右端点的纵坐标值为B值；

c)若A值小于设计温度曲线的最小值，则按式(1)计算B值。

(1)

3.1.3 确定许用外压

根据B值，按式(2)计算许用外压力[p]：

(2)

计算得到的[p]应大于或等于pc，否则须调整设计参数，重复上述计算，直到满足设计要求。

3.2 D0/δe<20的直管段

3.2.1 确定外压应变系数A

a)对D0/δe≥4.0的圆筒，用与1.1相同的步骤得到系数A值；

b)对D0/δe<4.0的圆筒，按式(3)计算系数A值。

(3)

系数A>0.1时，取A=0.1。

3.2.2 确定外压应力系数B

步骤同上。

3.2.3 确定许用外压

按式(4)计算许用外压力[p]值：

(4)

式中：σ0应力，取以下两值中的较小值；

σ0=2[σ]t

计算得到的[p]应大于或等于pc，否则须调整设计参数，重复上述计算，直到满足设计要求。

经过计算，得出一系列承受外压的管道壁厚及许用外压值。

表2 管道壁厚及许用外压值

由表2可以看出，对于本项目来说，公称通径为DN150的夹套内管，经计算可承受的许用外压为2.81MPa，因为承受外管的设计压力和外管的水压试验[7]分别为0.6MPa和1.0MPa，因此选取的内管的壁厚7.1 mm完全可以承受外压的要求，证明计算结果可以选用。

4 结论

本项目通过考虑夹套管内管所承受的外压情况，参照规范《压力容器 第3部分：设计》GB 150.3-2011中的核算设备外压圆筒的计算公式，设定管道长度不限长为核算的前提条件，得出了一系列承受外压的管道壁厚及许用外压值，经过举例验证，证实计算结果可用。并且计算结果作为今后管材核算夹套内管承外压的专用模板继续使用，今后将继续应用于我公司承担的后续几个项目设计工作中，为提高项目工程设计质量的安全性和经济性做出贡献。

[1]中国石化集团公司工程建设管理部.SH/T3040-2002石油化工管道伴管和夹套管设计规范[S].北京:中国石化出版社，2002.

[2]徐宝东.化工管路设计手册[M].北京:化学工业出版社,2011.

[3]中华人民共和国原化学工业部.GB 50316-2000 工业金属管道设计规范(2008版)[S].北京:中国计划出版社,2008.

[4]中国石油和化学工业联合会.HG/T 20553-2011 化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列[S].北京：中国计划出版社,2011.

[5]ASME.B36.19M-2004 不锈钢钢管[S]. ASME,2004.

[6]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB 150.3-2011 压力容器 第3部分：设计[S].北京:中国标准出版社,2012.

[7]中国工程建设标准化协会化工分会.GB 50184-2011 工业金属管道工程施工质量验收规范[S].北京:中国计划出版社,2010.