劉玉劍，丁春丹(林德亞太工程有限公司，浙江 杭州 310023)

0 引言

在石油化工裝置中，常見的伴熱形式有蒸汽伴熱、熱水伴熱、夾套管伴熱、電伴熱四種。各種伴熱形式均有其不同的優(yōu)缺點，其中蒸汽和熱水伴熱的投資較少，但維持溫度的效果相對差，電伴熱和夾套管伴熱前期投資較高，但維持溫度效果好。因此在被伴熱介質溫度要求較高的場所，一般選用夾套管或電伴熱形式。

1 石油化工裝置夾套管的定義

在石油化工裝置中，工藝介質凝固點高于50 ℃時，一般選用夾套管伴熱。夾套管是指具有雙層套管結構的管道，分為內管和夾套外管。內管用于輸送工藝物料，夾套外管與內管同心，用于輸送熱媒介質，如蒸汽、熱水、導熱油等，通過夾套外管內伴熱介質的流動，將熱媒介質的熱量傳遞至內管的工藝物料，以維持內管工藝物料的溫度，防止工藝物料在輸送過程中凝固。這種伴熱形式適用于一些比較黏稠和對局部過熱比較敏感的流體[1]。夾套管伴熱優(yōu)勢顯著，且效果優(yōu)于其他伴熱形式，因此被廣泛應用在石化裝置中。

2 石油化工裝置夾套管的優(yōu)勢

2.1 快速調節(jié)介質的溫度

夾套管在石油化工產品中起到快速調節(jié)介質溫度的作用，同時夾套管充分利用了夾套管內管與外管的夾層，夾層位置充入可流動介質后能夠為管道提供足夠的熱量，并及時補充管道熱量，防止管道內發(fā)生熱量損失。石油化工傳統(tǒng)裝置采用的是熱爐涂保溫層的方法，這種方法調節(jié)溫度的效率很低，夾套管調節(jié)介質溫度的優(yōu)勢明顯高于傳統(tǒng)裝置[2]。

2.2 保證產品的質量

石油化工產品在生產、儲存、運輸的過程中，最重要的就是要保證產品質量，因此必須做好預防產品固化、預防形成腐蝕性冷凝液，以及預防低溫分離等工作，以此防止石油化工產品發(fā)生離析、固化的問題。同時石油化工產品也要維持原有的流動性和黏性，這樣才能保證石油化工產品的品質[3]。而夾套管伴熱就是為了實現這些功能，讓產品在石油化工裝置內可以保持高黏度的流動性，防止其受低溫影響而堵塞管道。夾套管在石油化工生產中有較為明顯的優(yōu)勢如可以為石油化工行業(yè)中的特定產品提供恒定的溫度環(huán)境。同時，夾套管在石油化工產品的生產過程中采用管道伴熱設計方法，可以保證生產操作的有序進行。

夾套管可以把石油化工裝置中的溫度維持到特定的范圍中，屬于熱補充方法中最為常見的一類。石油化工裝置管道內的溫度下降以后，夾套管局部壓力降低，這時熱介質就會迅速地補充到低溫區(qū)域，與此同時氣相熱載體冷凝過程中也會放出熱能。夾套管溫度調節(jié)能力強，適應石油化工生產這類高溫作業(yè)環(huán)境。但是夾套管內管發(fā)生泄漏檢修比較困難，也比較難發(fā)現，制造要求也較高。所以設計時夾套管內管必須進行100%無損檢測，以避免生產過程中發(fā)生泄漏。由于夾套管的特殊結構形式，在進行相關的配管設計時需要提前規(guī)劃管道走向，考慮管道元件連接的要求，以及相關的管道施工質量規(guī)范[4]。

3 石油化工裝置夾套管的設計要點

石油化工裝置夾套管設計直接關系到其在石油化工企業(yè)中的應用，本文中例舉夾套管設計的要點內容[5]。

3.1 類型設計

夾套管按結構形式可分為內管焊縫隱蔽型和內管焊縫外露型，這兩種形式又稱為全夾套和半夾套。當介質凝固點為50～100 ℃時，宜選用內管焊縫外露型夾套管(半夾套)伴熱；當介質凝固點高于100 ℃時，宜選用內管焊縫隱蔽型夾套管(全夾套)伴熱；當輸送有毒介質時，應選用內管焊縫外露型夾套管，同時管道上的閥門、法蘭等應選用夾套型。按熱媒介質的種類，夾套管一般分為熱水夾套、導熱油夾套和蒸汽夾套，其分別適用于不同類別的工藝物料。導熱油具有比熱大、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點，屬于較好的熱載體，但是前期投資較大，需要另設導熱油爐、循環(huán)泵及溫度控制系統(tǒng)等設施，才能提供一定的溫度；蒸汽和熱水取用方便，但是能維持的工作溫度較低。一般情況下，不完全夾套管只適合使用在直管的管段區(qū)域。

3.2 溫度壓力設計

夾套管內管的外壓應為外管內的伴熱介質的壓力，外管(包括端板)的內壓應為伴熱介質的設計壓力。夾套管的設計溫度應取內管的工藝物料或外管內熱媒介質的設計溫度較高者，且熱媒介質的溫度高于工藝物料的溫度，但溫差不宜高于50 ℃。

3.3 組合尺寸設計

夾套管的組合尺寸一般按如表1所示的規(guī)定選取。

表1 夾套套管組合尺寸

3.4 長度設計

進行夾套管的長度設計時應該考慮內部液體的體積和質量，這樣就可以規(guī)劃好長度設計。在計算石油化工裝置中液體容量的過程中，需要比較最高溫度、最低溫度兩種狀態(tài)下的液體容積，且必須以容量最大值為參考設計夾套管的長度。夾套管直徑設計時要以液體流動速度為參考，避免影響配管長度設計的規(guī)范性。

3.5 內外管熱應力設計

石油化工裝置夾套管配管設計中，因為外管與內管的介質有差異，所以會出現介質溫度差異的問題，這時就會引發(fā)熱膨脹應力差異，配套設計中要分別計算出外管的熱應力與內管的熱應力。當內外管道應力存在差異時，夾套管配管設計就要注意膨脹節(jié)設計，膨脹節(jié)能夠讓夾套管發(fā)生膨脹時有位移的空間。夾套管彎頭位置也要確保內外管道發(fā)生膨脹以后有容納位移的空間，適當地調整外管的直徑，來縮短內外管之間的膨脹差。在內外管含有膨脹差的條件下，導向板才能最大化地吸收膨脹差，完善配管設計。

3.6 焊接及選材設計

夾套管內管、外管的焊接及選材都有明確的要求，內外管焊接、選材時需充分考慮內部流體的壓力、溫度等指標，還要考慮流體介質是否會對內外管道產生腐蝕。內外管道焊接時經常會選擇對焊的方法，內外管道的管壁厚度在使用中可以承受的最大壓力，也是焊接及選材設計中的要點內容[6]。

3.7 跨接管及坡度設計

跨接管和坡度設計是夾套管配管設計的兩個主要內容。夾套管敷設的過程中難免會遇到坡度，套管內介質流動的方向要和坡度保持相同，當選用蒸汽夾套時，單獨一套夾套伴熱系統(tǒng)內，需設計獨立的疏水閥。夾套管設計中的蒸汽類型夾套管，其在使用時產生的凝結水會從套管的下側外排，蒸汽會從上側進入，因此排凝管、供汽管上應該設計切斷閥。套管、內管膨脹差限制了夾套管的長度設計，因此按照長度規(guī)劃好配管的布置方式，要求每段夾套管的長度盡量控制在6 m以內。夾套管閥門設計時，采用跨接管串接的方法，選用法蘭連接即可。相鄰夾套管的蒸汽管之間采用跨接串聯(lián)的方法進行設計。夾套管內的水平配管，水平管道的最底端需設計跨接管，順著切線的方向設計跨接管[7]。

3.8 定距板設計

夾套管的定距板位于內管和外管之間，具有定位、支撐的作用。內管的外側焊接好定距板，此時定距板要和外管的內表面有合適的距離。設計時把控好定距板到彎頭的尺寸，以免定距板影響管內液體價值。

3.9 規(guī)范安裝操作

石油化工裝置夾套管安裝操作時需提出規(guī)范性的要求，嚴格遵循技術原則，分析管道內的液體介質以及溫度，按照實際情況組織配管安裝，防止夾套管使用期間出現技術問題。夾套管安裝時必須由專業(yè)人員操作，保證配套安裝的規(guī)范性。

3.10 其他設計

夾套管配管設計時禁止在主管上設置分支管，目的是最大程度地預防液體滯留，以免形成液體流動的死角，同時也要排除夾套管內出現“氣袋”“水袋”。

4 夾套管在石油化工裝置中的應用

夾套管在石油化工裝置中的應用和套管式換熱器非常相似，夾套管中很多工藝物料都具有高熔點、高黏度的特性，因此其非常適合應用到石油化工裝置內。石油化工企業(yè)內，輸送介質在輸送期間受到系統(tǒng)阻力而增高熱損失黏度，輸送量有明顯下降的情況時，就要選擇使用夾套管。除此以外，石油化工裝置中還有很多情況需要使用夾套管配管，常見的情況有：(1)輸送介質在管道中運輸時，發(fā)生熱損失以后會有結晶附著到管道上；(2)管道內輸送介質突遇暫?；蛘哂星袚Q操作時，管道介質的溫度會突然下降，介質凝固依附到管道上；(3)管道內的介質存在自冷的特征，這項特征也會引起管道堵塞；(4)管道內的介質需采取補償介質熱損失的方法來保持介質溫度[8]。

夾套管輸送石油化工企業(yè)的介質，有效降低了管道介質的熱損失，讓管道能維持介質的溫度。在伴熱系統(tǒng)的應用中，夾套管伴熱方法是現如今比較常見的，這種方法為管道介質提供了熱載體，對內外管有加熱、保溫的作用。夾套管內較小直徑的內管，負責輸送石油化工介質。夾套管伴熱可以滿足范圍、溫度的基本需求。

夾套管在石油化工裝置中得到了充分的應用，同時提高了伴熱效率，實現了管道輸送熱均勻，也保障了管道內部介質的有效流動，實現內外管道熱膨脹的應力均勻，避免發(fā)生運輸問題。

5 石油化工裝置夾套管設計的不足之處

石油化工裝置夾套管設計中也存在一些技術上的不足之處，這些是未來夾套管設計過程中的主要改進對象。分析石油化工裝置夾套管設計的不足之處，具體如下：

5.1 類型選擇不合適

石油化工生產中的產品不同，夾套管設計時選擇的類型也不同。現如今很多石油化工企業(yè)從成本角度上考慮偏向于選擇低成本的夾套管類型，這類夾套管在使用時，無法滿足實際的需求，比如會出現熱力不均衡、供熱不及時的問題，無法讓石油化工裝置在短時間內達到熱量平衡的狀態(tài)。本文以甲醛的生產為例，分析夾套管設計中類型選擇不合適所產生的問題。我國以往生產甲醛時采用的是天然氣，生產裝置的夾套管都是按照天然氣的要求選擇好的類型，實際生產中，因為天然氣儲存量少，無法滿足甲醛生產的需求，導致甲醛生產成本較高，所以生產企業(yè)引進了甲醛合成技術，改用煤炭來支持甲醛的生產，煤化工藝中涉及到焦爐氣脫硫、精脫硫等技術，利用空氣完成上述工藝中的轉化、合成以及壓縮，完成甲醛的合成過程。生產企業(yè)考慮到市場對甲醛的需求量不大，在工藝轉換的過程中并沒有選擇匹配的夾套管類型，一方面制約了新技術的發(fā)展，另一方面不利于甲醛的生產及制造。

5.2 長度選擇不合格

夾套管長度選擇不合格，是其在設計中另一不足之處。石油化工裝置在夾套管長度設計方面有著較為嚴格的要求，目的是為了防止配管與夾套管不匹配。夾套管長度設計及選擇時要從多個方面考慮，比如液體容量，這樣才能保證長度選擇符合標準，實際夾套管長度選擇的過程中，設計人員會忽視一些因素，不能保證配管長度的規(guī)范性。

5.3 熱力判斷不準確

夾套管在石油化工裝置中起到熱力平衡、熱力補充的作用，夾套管設計中內管和外管在熱介質的條件下出現了熱力差，而在夾套管配管設計中熱力判斷是非常重要的。熱力差值判斷過大，內外夾套管會在過度受熱的狀態(tài)下出現膨脹損壞，致使夾套管在使用中面臨著爆炸的風險。夾套管內管與外管的材質不同，其在發(fā)生熱膨脹時也明顯不同，這時兩者之間就會出現較大的溫度差，影響著熱力值的判斷，因此需分別計算出內管與外管的熱力值，當內管有熱膨脹時可以提供補償，比如自然補償。

6 石油化工裝置夾套管配管設計的注意事項

石油化工裝置夾套管配管設計中要特別注意管架的設計，管架對配管在夾套管中的應用有著非常明顯的影響，管架設計規(guī)范、合理，才能滿足夾套管的使用需求，以免影響夾套管在石油化工裝置中的應用。夾套管配管設計中應注意收集管道到支架的信息，有效利用這些有用的信息，在此基礎上規(guī)劃管道支架的設計，這樣可以排除管道支架對配管設計的影響，準確發(fā)揮出夾套管的作用，推進石油化工企業(yè)的發(fā)展。

7 石油化工裝置夾套管配管設計的強化措施

7.1 組織合理的配管設計

石油化工企業(yè)非常重視夾套管配管的設計工作，為了提高夾套管配管的質量就要組織合理的配管設計。夾套管配管設計要符合石油化工裝置的實際需求，設計工作中積極地引入先進的技術，所有的設計人員、操作人員都要具備相應的資質，檢查參與人員的資質，設計現場還要提供可靠的材料，全面落實好配管的設計工作。石油化工企業(yè)應該為夾套管配管設計提供優(yōu)質的條件，尤其是人力、資金等條件，具備這些條件以后，才能保證配管設計的規(guī)范性。配管設計中需嚴格遵循安全原則，提高配管設計的可操作能力。

7.2 全面控制設計的成本

夾套管設計中有很多復雜的工藝，增加了設計成本的投入量，而且設計期間的影響因素非常多，較容易引起成本失控。成本控制是夾套管設計中的一項核心措施，在保證配管安全、合理設計的條件下，應最大程度地控制設計成本，樹立節(jié)約型的設計思想，以免出現資源浪費的問題。

7.3 定期組織人才的培訓

石油化工行業(yè)內定期組織人才培訓，人才能夠提高夾套管設計的規(guī)范性及專業(yè)性。石油化工企業(yè)中為了強化夾套管設計，定期組織人才培訓，優(yōu)質的人才能夠抓住配管設計中的機遇。目前，夾套管設計中引入了大量的新材料、新設備，只有經過專業(yè)培訓的人才才能準確分析新材料、新設備的應用，滿足石油化工行業(yè)夾套管配管設計的需求。

8 結語

夾套管在石油化工裝置中有著重要的作用，而配管是夾套管的主要設計內容。夾套管設計與石油化工裝置的安全性、可靠性存在直接的聯(lián)系。夾套管具有專業(yè)的設計要求，配管的設計應該不斷地改進、優(yōu)化，由此才能保證其能滿足夾套管的需求。本文中規(guī)劃了石油化工裝置夾套管配管設計的要點，注重夾套管的性能，以此來提高配管應用的廣泛性，同時保證配管設計可以滿足石油化工裝置夾套管的需求。