石油化工装置夹套管的配管设计

刘玉剑，丁春丹(林德亚太工程有限公司，浙江 杭州 310023)

0 引言

在石油化工装置中，常见的伴热形式有蒸汽伴热、热水伴热、夹套管伴热、电伴热四种。各种伴热形式均有其不同的优缺点，其中蒸汽和热水伴热的投资较少，但维持温度的效果相对差，电伴热和夹套管伴热前期投资较高，但维持温度效果好。因此在被伴热介质温度要求较高的场所，一般选用夹套管或电伴热形式。

1 石油化工装置夹套管的定义

在石油化工装置中，工艺介质凝固点高于50 ℃时，一般选用夹套管伴热。夹套管是指具有双层套管结构的管道，分为内管和夹套外管。内管用于输送工艺物料，夹套外管与内管同心，用于输送热媒介质，如蒸汽、热水、导热油等，通过夹套外管内伴热介质的流动，将热媒介质的热量传递至内管的工艺物料，以维持内管工艺物料的温度，防止工艺物料在输送过程中凝固。这种伴热形式适用于一些比较黏稠和对局部过热比较敏感的流体[1]。夹套管伴热优势显著，且效果优于其他伴热形式，因此被广泛应用在石化装置中。

2 石油化工装置夹套管的优势

2.1 快速调节介质的温度

夹套管在石油化工产品中起到快速调节介质温度的作用，同时夹套管充分利用了夹套管内管与外管的夹层，夹层位置充入可流动介质后能够为管道提供足够的热量，并及时补充管道热量，防止管道内发生热量损失。石油化工传统装置采用的是热炉涂保温层的方法，这种方法调节温度的效率很低，夹套管调节介质温度的优势明显高于传统装置[2]。

2.2 保证产品的质量

石油化工产品在生产、储存、运输的过程中，最重要的就是要保证产品质量，因此必须做好预防产品固化、预防形成腐蚀性冷凝液，以及预防低温分离等工作，以此防止石油化工产品发生离析、固化的问题。同时石油化工产品也要维持原有的流动性和黏性，这样才能保证石油化工产品的品质[3]。而夹套管伴热就是为了实现这些功能，让产品在石油化工装置内可以保持高黏度的流动性，防止其受低温影响而堵塞管道。夹套管在石油化工生产中有较为明显的优势如可以为石油化工行业中的特定产品提供恒定的温度环境。同时，夹套管在石油化工产品的生产过程中采用管道伴热设计方法，可以保证生产操作的有序进行。

夹套管可以把石油化工装置中的温度维持到特定的范围中，属于热补充方法中最为常见的一类。石油化工装置管道内的温度下降以后，夹套管局部压力降低，这时热介质就会迅速地补充到低温区域，与此同时气相热载体冷凝过程中也会放出热能。夹套管温度调节能力强，适应石油化工生产这类高温作业环境。但是夹套管内管发生泄漏检修比较困难，也比较难发现，制造要求也较高。所以设计时夹套管内管必须进行100%无损检测，以避免生产过程中发生泄漏。由于夹套管的特殊结构形式，在进行相关的配管设计时需要提前规划管道走向，考虑管道元件连接的要求，以及相关的管道施工质量规范[4]。

3 石油化工装置夹套管的设计要点

石油化工装置夹套管设计直接关系到其在石油化工企业中的应用，本文中例举夹套管设计的要点内容[5]。

3.1 类型设计

夹套管按结构形式可分为内管焊缝隐蔽型和内管焊缝外露型，这两种形式又称为全夹套和半夹套。当介质凝固点为50～100 ℃时，宜选用内管焊缝外露型夹套管(半夹套)伴热；当介质凝固点高于100 ℃时，宜选用内管焊缝隐蔽型夹套管(全夹套)伴热；当输送有毒介质时，应选用内管焊缝外露型夹套管，同时管道上的阀门、法兰等应选用夹套型。按热媒介质的种类，夹套管一般分为热水夹套、导热油夹套和蒸汽夹套，其分别适用于不同类别的工艺物料。导热油具有比热大、热稳定性好的优点，属于较好的热载体，但是前期投资较大，需要另设导热油炉、循环泵及温度控制系统等设施，才能提供一定的温度；蒸汽和热水取用方便，但是能维持的工作温度较低。一般情况下，不完全夹套管只适合使用在直管的管段区域。

3.2 温度压力设计

夹套管内管的外压应为外管内的伴热介质的压力，外管(包括端板)的内压应为伴热介质的设计压力。夹套管的设计温度应取内管的工艺物料或外管内热媒介质的设计温度较高者，且热媒介质的温度高于工艺物料的温度，但温差不宜高于50 ℃。

3.3 组合尺寸设计

夹套管的组合尺寸一般按如表1所示的规定选取。

表1 夹套套管组合尺寸

3.4 长度设计

进行夹套管的长度设计时应该考虑内部液体的体积和质量，这样就可以规划好长度设计。在计算石油化工装置中液体容量的过程中，需要比较最高温度、最低温度两种状态下的液体容积，且必须以容量最大值为参考设计夹套管的长度。夹套管直径设计时要以液体流动速度为参考，避免影响配管长度设计的规范性。

3.5 内外管热应力设计

石油化工装置夹套管配管设计中，因为外管与内管的介质有差异，所以会出现介质温度差异的问题，这时就会引发热膨胀应力差异，配套设计中要分别计算出外管的热应力与内管的热应力。当内外管道应力存在差异时，夹套管配管设计就要注意膨胀节设计，膨胀节能够让夹套管发生膨胀时有位移的空间。夹套管弯头位置也要确保内外管道发生膨胀以后有容纳位移的空间，适当地调整外管的直径，来缩短内外管之间的膨胀差。在内外管含有膨胀差的条件下，导向板才能最大化地吸收膨胀差，完善配管设计。

3.6 焊接及选材设计

夹套管内管、外管的焊接及选材都有明确的要求，内外管焊接、选材时需充分考虑内部流体的压力、温度等指标，还要考虑流体介质是否会对内外管道产生腐蚀。内外管道焊接时经常会选择对焊的方法，内外管道的管壁厚度在使用中可以承受的最大压力，也是焊接及选材设计中的要点内容[6]。

3.7 跨接管及坡度设计

跨接管和坡度设计是夹套管配管设计的两个主要内容。夹套管敷设的过程中难免会遇到坡度，套管内介质流动的方向要和坡度保持相同，当选用蒸汽夹套时，单独一套夹套伴热系统内，需设计独立的疏水阀。夹套管设计中的蒸汽类型夹套管，其在使用时产生的凝结水会从套管的下侧外排，蒸汽会从上侧进入，因此排凝管、供汽管上应该设计切断阀。套管、内管膨胀差限制了夹套管的长度设计，因此按照长度规划好配管的布置方式，要求每段夹套管的长度尽量控制在6 m以内。夹套管阀门设计时，采用跨接管串接的方法，选用法兰连接即可。相邻夹套管的蒸汽管之间采用跨接串联的方法进行设计。夹套管内的水平配管，水平管道的最底端需设计跨接管，顺着切线的方向设计跨接管[7]。

3.8 定距板设计

夹套管的定距板位于内管和外管之间，具有定位、支撑的作用。内管的外侧焊接好定距板，此时定距板要和外管的内表面有合适的距离。设计时把控好定距板到弯头的尺寸，以免定距板影响管内液体价值。

3.9 规范安装操作

石油化工装置夹套管安装操作时需提出规范性的要求，严格遵循技术原则，分析管道内的液体介质以及温度，按照实际情况组织配管安装，防止夹套管使用期间出现技术问题。夹套管安装时必须由专业人员操作，保证配套安装的规范性。

3.10 其他设计

夹套管配管设计时禁止在主管上设置分支管，目的是最大程度地预防液体滞留，以免形成液体流动的死角，同时也要排除夹套管内出现“气袋”“水袋”。

4 夹套管在石油化工装置中的应用

夹套管在石油化工装置中的应用和套管式换热器非常相似，夹套管中很多工艺物料都具有高熔点、高黏度的特性，因此其非常适合应用到石油化工装置内。石油化工企业内，输送介质在输送期间受到系统阻力而增高热损失黏度，输送量有明显下降的情况时，就要选择使用夹套管。除此以外，石油化工装置中还有很多情况需要使用夹套管配管，常见的情况有：(1)输送介质在管道中运输时，发生热损失以后会有结晶附着到管道上；(2)管道内输送介质突遇暂停或者有切换操作时，管道介质的温度会突然下降，介质凝固依附到管道上；(3)管道内的介质存在自冷的特征，这项特征也会引起管道堵塞；(4)管道内的介质需采取补偿介质热损失的方法来保持介质温度[8]。

夹套管输送石油化工企业的介质，有效降低了管道介质的热损失，让管道能维持介质的温度。在伴热系统的应用中，夹套管伴热方法是现如今比较常见的，这种方法为管道介质提供了热载体，对内外管有加热、保温的作用。夹套管内较小直径的内管，负责输送石油化工介质。夹套管伴热可以满足范围、温度的基本需求。

夹套管在石油化工装置中得到了充分的应用，同时提高了伴热效率，实现了管道输送热均匀，也保障了管道内部介质的有效流动，实现内外管道热膨胀的应力均匀，避免发生运输问题。

5 石油化工装置夹套管设计的不足之处

石油化工装置夹套管设计中也存在一些技术上的不足之处，这些是未来夹套管设计过程中的主要改进对象。分析石油化工装置夹套管设计的不足之处，具体如下：

5.1 类型选择不合适

石油化工生产中的产品不同，夹套管设计时选择的类型也不同。现如今很多石油化工企业从成本角度上考虑偏向于选择低成本的夹套管类型，这类夹套管在使用时，无法满足实际的需求，比如会出现热力不均衡、供热不及时的问题，无法让石油化工装置在短时间内达到热量平衡的状态。本文以甲醛的生产为例，分析夹套管设计中类型选择不合适所产生的问题。我国以往生产甲醛时采用的是天然气，生产装置的夹套管都是按照天然气的要求选择好的类型，实际生产中，因为天然气储存量少，无法满足甲醛生产的需求，导致甲醛生产成本较高，所以生产企业引进了甲醛合成技术，改用煤炭来支持甲醛的生产，煤化工艺中涉及到焦炉气脱硫、精脱硫等技术，利用空气完成上述工艺中的转化、合成以及压缩，完成甲醛的合成过程。生产企业考虑到市场对甲醛的需求量不大，在工艺转换的过程中并没有选择匹配的夹套管类型，一方面制约了新技术的发展，另一方面不利于甲醛的生产及制造。

5.2 长度选择不合格

夹套管长度选择不合格，是其在设计中另一不足之处。石油化工装置在夹套管长度设计方面有着较为严格的要求，目的是为了防止配管与夹套管不匹配。夹套管长度设计及选择时要从多个方面考虑，比如液体容量，这样才能保证长度选择符合标准，实际夹套管长度选择的过程中，设计人员会忽视一些因素，不能保证配管长度的规范性。

5.3 热力判断不准确

夹套管在石油化工装置中起到热力平衡、热力补充的作用，夹套管设计中内管和外管在热介质的条件下出现了热力差，而在夹套管配管设计中热力判断是非常重要的。热力差值判断过大，内外夹套管会在过度受热的状态下出现膨胀损坏，致使夹套管在使用中面临着爆炸的风险。夹套管内管与外管的材质不同，其在发生热膨胀时也明显不同，这时两者之间就会出现较大的温度差，影响着热力值的判断，因此需分别计算出内管与外管的热力值，当内管有热膨胀时可以提供补偿，比如自然补偿。

6 石油化工装置夹套管配管设计的注意事项

石油化工装置夹套管配管设计中要特别注意管架的设计，管架对配管在夹套管中的应用有着非常明显的影响，管架设计规范、合理，才能满足夹套管的使用需求，以免影响夹套管在石油化工装置中的应用。夹套管配管设计中应注意收集管道到支架的信息，有效利用这些有用的信息，在此基础上规划管道支架的设计，这样可以排除管道支架对配管设计的影响，准确发挥出夹套管的作用，推进石油化工企业的发展。

7 石油化工装置夹套管配管设计的强化措施

7.1 组织合理的配管设计

石油化工企业非常重视夹套管配管的设计工作，为了提高夹套管配管的质量就要组织合理的配管设计。夹套管配管设计要符合石油化工装置的实际需求，设计工作中积极地引入先进的技术，所有的设计人员、操作人员都要具备相应的资质，检查参与人员的资质，设计现场还要提供可靠的材料，全面落实好配管的设计工作。石油化工企业应该为夹套管配管设计提供优质的条件，尤其是人力、资金等条件，具备这些条件以后，才能保证配管设计的规范性。配管设计中需严格遵循安全原则，提高配管设计的可操作能力。

7.2 全面控制设计的成本

夹套管设计中有很多复杂的工艺，增加了设计成本的投入量，而且设计期间的影响因素非常多，较容易引起成本失控。成本控制是夹套管设计中的一项核心措施，在保证配管安全、合理设计的条件下，应最大程度地控制设计成本，树立节约型的设计思想，以免出现资源浪费的问题。

7.3 定期组织人才的培训

石油化工行业内定期组织人才培训，人才能够提高夹套管设计的规范性及专业性。石油化工企业中为了强化夹套管设计，定期组织人才培训，优质的人才能够抓住配管设计中的机遇。目前，夹套管设计中引入了大量的新材料、新设备，只有经过专业培训的人才才能准确分析新材料、新设备的应用，满足石油化工行业夹套管配管设计的需求。

8 结语

夹套管在石油化工装置中有着重要的作用，而配管是夹套管的主要设计内容。夹套管设计与石油化工装置的安全性、可靠性存在直接的联系。夹套管具有专业的设计要求，配管的设计应该不断地改进、优化，由此才能保证其能满足夹套管的需求。本文中规划了石油化工装置夹套管配管设计的要点，注重夹套管的性能，以此来提高配管应用的广泛性，同时保证配管设计可以满足石油化工装置夹套管的需求。