化工装置中夹套管管道的配管设计

王欢欢

(中国昆仑工程有限公司，北京 100037)

0 引言

夹套管的适用范围较广，并且温度可以快速调节，因此其使用效果是一般伴热管所无法达到的。夹套管自身还带有独特的防水管构造，可通过大直径管道内安装小口径管道的设计起到对管道中的凝固性流体、黏性流体以及高熔点流体加温和隔热保温的功效，而且还能够填补连接管在停输或运输阶段的热损耗，有效保证加工工艺稳定开展。夹套管的管路设计不但要考虑到每一条管道的长度，更需要保障内外管膨胀幅度一致，这样才能确保加温介质的有效流通，另外，还需要注意里外管原材料的衔接以及夹套管的倾斜度等相关问题。

1 化工装置中夹套管管道高速发展的简述

夹套管在化工制造行业中的广泛使用，归功于夹套管自身强大的优点。在石油运输过程中，一般的管道无法满足石油运输的前提条件，也会因为管道品质不高而引起一系列的问题，而夹套管在石油运输过程中可以发挥其优势。夹套管是采用2个不同口径的管道所组成的，因为其半径不同，可以把2个管道嵌套在一起组合使用，这样不仅解决了化学物质运输过程中的泄漏问题，还起到了隔热保温的作用。

2 化工装置夹套管的管路设计

2.1 夹套管的长度

在夹套管的设计过程中，为了避免出现热胀冷缩带来的不良影响，就需要重视夹套管的长度设计。夹套管的长度以及标准是夹套管设计的关键，因为其长度会直接影响管内的液体流动，随着夹套管长度的不断增加，液体流动的阻力也会逐渐变大，导致管内液体流动速度下降，内外管层的热传导效果也随之下降，因此夹套管的长度应由保持热媒在最低温度下具有的最必须流量所决定。依据经验，一般蒸气夹套管的长度可以按15 m左右进行设计。

2.2 夹套管的种类

夹套管依据热媒体类型可分为热油夹套、热水夹套和蒸汽夹套等，其设计原理基本一致，不同类别的夹套管分别适用于不同的化工厂原材料。按照结构形式区分，夹套管可分为内管焊接露出型和内管焊接隐秘型，一般也称作不完全夹套管和完全夹套管，区别在于管路的结构类型以及防水套管与内管的连接方式，不完全夹套管仅适用于直管接管管道。

2.3 夹套管的材料选择

通常情况下，主要依据管中工艺介质的压力和温度选择最适宜的内外管管道材料类型，此外还要考虑不同类型的介质对管路的腐蚀作用以及壁厚厚度所能接受的最大工作压力，再经过具体分析选择适合的材料。另外，夹套管的管道元件一般采用对接焊的形式。

3 石油化工设备夹套管的配管设计方案

3.1 材料和级别分界的合理性设计方案

近年来，随着社会经济的发展，石油化工领域也在不断发展，并且对石油化工装置的有关设施也越来越重视。尤其是在夹套管的配管设计时，需要对管道材质与级别分界的合理性设计方案展开分析，主要考虑高压系统和低压系统间的边界全过程在压力和温度上的改变。一般依据P&ID对界线进行划分，但如果配套设施定制状况较为特别，就需要结合实际情况更改设计方案。比较常见的现象有三种：第一，设计压力相同但管道材质不同，这种情况下管道材质里的地脚螺栓和闸阀需要尽可能选择高质量材质，法兰片和密封垫则可以选择相对适度的材质；第二，设计压力不同但管道材质相同，针对这种现象，法兰密封垫、地脚螺栓和阀门需要选择相同的高质量材料；第三，压力等级和管道材料均不同，这时法兰和垫片选择高压等级材质，螺栓和阀门选择B级材质。

3.2 管线的设计

夹套管管线要依据管道仪表流程图进行合理规划布置。同时，由于夹套管的内外管温差较大、材质不同等原因，夹套管应进行科学的应力校核，如有需要，宜优先考虑自然补偿。夹套管的结构形式要根据内管输送的工艺介质的凝固点进行合理选择，凝固点高于100 ℃时，宜选择“内管焊缝隐蔽型”夹套管。另外当输送的工艺介质有毒时，要选择“内管焊缝外露型”夹套管。

3.3 管架的设计

管架的设计是化工装置夹套管配管设计过程中的关键部分，在一定程度上影响着夹套管的配管设计效果，若没有进行合理的管架设计，会在实际化工生产操作中产生相应的问题，从而影响正常化工生产的进行，也会对装置运行产生一定的安全隐患，很可能出现相应的安全问题，造成财产损失和人身损害。所以需要特别关注管道与支架间的相关因素，例如在蒸汽管道中，通常会存在排水小管，要减少小管与主管弹簧支架间的相对位移，来避免小管因刚性较大而阻碍弹簧运动。

4 夹套管的设计内容

4.1 夹套管设计要素

夹套管长度设计方案是通过管道布局来确定的，在设计过程中要充分考虑内外管的温度差和热变形差对管道的限制，重视热胀冷缩所导致的偏移问题。一般来说，每一段夹套管应将长度控制在6 m以内，当存在弯头时，应控制在12 m以内。夹套管的内管弯头设计选用曲率半径相当于1.5倍管道公称直径的标准长半径弯头，外管弯头设计选用曲率半径相当于1倍管道公称直径的标准短半径弯头，以便于夹套管的安装及施工。

夹套管内管和外管的原材料应根据管道级别、设计压力、设计温度和物质性能进行合理选择，并考虑运输物质对管道的腐蚀及其管道厚度所能承受的最大压力。同时，选择相同的外管材料与内管材料，可以确保内外管的热变形一致，减少问题的出现。另外夹套管的内管需要设置定位板，一般是用电焊焊接在夹套管内管的外壁上，其材质与内管材质相同，并和外管内腔保持一定距离。在配管设计中，夹套管的布置应尽量避免出现死角或者U型弯，当U型弯因实际情况无法避免时，可在最低点设置低点排放管线并设置切断阀门。另外，每一组夹套管的冷热交替媒介的进出口都需要设置紧急切断阀门，在冷热交替媒介为间断性使用或管线含有检修拆装件时，该部分冷热交替媒介的停止使用不会影响管线其他部分冷热交替媒介的运转[1]。

4.2 流体为蒸汽的夹套管的独特设计原则

蒸汽进口位于垂直夹套管的较高处或水平夹套管的上方，蒸汽流入应与工艺流体流向相反。蒸汽出口位于垂直夹套管的较中低端或水平夹套管的下方。其中水平管道里的跨接口需向下布局，并组装无阀出液口，若有2个跨接管，则需一根向上并在末端加出气口，一根向下并在末端加排液口；而垂直管道里的跨接管需两边更替布局，以防止流体偏重于一侧流动。另外碳素钢夹套管管道的蒸汽入口，需设置加强板[2]。

夹套管的每个出口冷凝排出管需有独立的疏水器，每一个蒸汽疏水器在维修更换新构件时，应做到可直接拆装，不能危害蒸汽及冷凝液系统的操作。为了保障维修和校准，回水冷凝管上游的疏水器与集合管的间隔需超过2 m。另外夹套管管道和与夹套管相连的设备连接口应选用垫板式法兰。当水平敷设的夹套管有倾斜度要求时，防水套管内介质流向应与倾斜度一致。

5 套管管件的选择原则

5.1 三通

一般情况下，三通的选择是根据支管的管径来确定的，夹套管的三通通常采用剖切的方法，包括纵剖和横剖，所以在开展具体作业时，可根据遇到的情况进行对应选择。

5.2 弯头

一般夹套管内弯头的曲率半径等于或者小于1.5 DN时，可以采用标准弯头，当内管和内管弯头的曲率半径等于或大于3 DN时，夹套管弯管可以采用剖切型。此外内管弯头和外管弯头之间需要留出一定间隙，要结合热应力分析计算出的数据进行设计，这样可以更好地满足设计需求[3]。

5.3 异径管

一般非熔体管道的夹套管内管异径管以及作为正常变径使用的外管异径管都要采用符合GB/T 12459—2017要求的异径管，并且需要选择标准的焊接模式，不同的是，内管提出了内壁粗糙度的附加要求。此外还需要对外管的异径管和内管的接头部位进行合理安排，避免内管与外管之间的互相影响，一般情况下需要在接头部位至少错开50 mm。

5.4 定位板

夹套管内管外壁上焊接的定位板位置，通常与直管段长度和管架位置有关，定位板的间距设置也需要根据不同项目的实际情况进行合理选取。通常情况下直管道根据最大间距设计定位板时，夹套管的阀门、仪表件都应视为定位板。此外，定位板的厚度、长度等规格参数与夹套管的管径、材质、热载体压力及温度有关，在具体施工中要严格按照设计要求执行。

5.5 外管半壳管

当夹套管内管有焊缝检验要求时，一般需要在对应内管焊缝处设计相对应的外管半壳管，安装时外管上直管及弯头先套在内管上，留有半壳管的位置，然后通过直管和弯头沿着内管轴向错动来让开内管焊缝，最后将外管半壳管焊上。通常外管半壳管长度按150～200 mm设计，也可根据实际情况调整，尽量不低于75 mm。

6 提升石油化工设备夹套管配管设计的有效措施

6.1 加强资源投入

石油化工企业需要加强对石油化工设备夹套管配管设计的人力、物力和资金的投入，促进各类工程项目在满足设计规定的前提下高效率地达到目标。同时要积极引进先进的技术，为夹套管配管设计提供优质环境，提升夹套管配管设计的规范性、安全性以及可操作性。

6.2 做好专业技术培训

根据实际工作需要，定期做好专业人员的学习培训工作，加强技术人员对石油化工装置夹套管配管设计重要性的理解，并积极开展多种形式的学习培训活动，必要时外聘相关专家对相关技术人员进行专题讲座知识培训，培养选拔具有高水平、技术精湛的工程技术人员参与到具体的项目设计、施工和实际操作中。

6.3 关注设计成本

受管路设计多元性和夹套管工艺复杂性等因素的影响，夹套管的配管设计所需要的成本费用较高，主要表现在工艺设计过程中对材料的选择。因此在满足设计规范要求、综合考虑工艺特性和项目环境等因素、保证管路安全合理的前提下，需要强化成本控制思维，最大程度降低资源浪费。

7 结语

综上所述，化工装置中夹套管配管设计的深入研究，对其广泛应用于石油化工行业具有十分重要的意义。但是在实际的应用生产中，仍然存在一定问题，影响化工装置的有效运行，因此在夹套管配管设计运用环节中，应当提升对夹套设计环节与要素的重视程度，提高工程技术人员的专业素质，并做好监督管理工作，以便更好地检验技术措施和专业方法的合理性。