馬霏，王克亮，楊雪 (山東東岳高分子材料有限公司，山東 淄博 256400)

0 引言

在氟化工工程裝備中，套管時常用于管路真空絕熱、冷卻、加熱等工況，在特定環(huán)境下也可用于檢漏。在氟化工生產(chǎn)中，因為八氟異丁烯屬于劇毒介質(zhì)，其流體輸送管路也需要使用套管檢漏。在實際開展工作時，相關(guān)人員會向套管內(nèi)輸入低于主管壓力的氣體，在此情況下若是出現(xiàn)套管泄漏問題，套管內(nèi)將擁有越來越低的壓力。反之，若是主管存在泄漏問題，套管壓力也會逐漸升高，以套管壓力變化情況作為判斷依據(jù)，可幫助相關(guān)人員及時了解泄漏問題。

1 設(shè)計套管

主管使用S30408材料，套管選用20#鋼材料，主管為0.2 MPa工作壓力，套管存在0.1 MPa氮氣壓力，主管內(nèi)為20 ℃空氣環(huán)境溫度和45 ℃內(nèi)部物料溫度。主管為φ57 mm×3 mm尺寸，套管為φ89 mm×3 mm尺寸，套管45°錐殼收口為半錐角并焊接在主管上[1]。在兩端設(shè)備管口法蘭上連接和固定套管兩端。法蘭公稱為PN16壓力，屬于帶頸平焊法蘭，使用不銹鋼聚四氟乙烯纏繞墊及凹凸密封面。廠區(qū)抗震等級需要達到6級抗震烈度，及水平地震擁有0.05 g基本加速度。

2 計算管道應(yīng)力

2.1 有限元計算模型

建立管道有限元計算模型，如圖1所示，使用主管壁兩倍厚的短管取代閥門和過濾器，利用殼單元Shell 181開展網(wǎng)格劃分，可劃分出單元84 120個。

圖1 管道有限元計算模型

管端可對環(huán)向和軸向位移發(fā)揮約束作用，將0.1 MPa壓力荷載施加在套管氮氣接觸表面，將0.2 MPa壓力荷載施加在主管內(nèi)表面。同時，主管完成45 ℃溫度荷載施加，套管完成25 ℃溫度荷載施加[2]。

在計算過程中分成5種工況，分別為受y方向地震加速度作用、受x方向地震加速度作用、同時受壓力與溫度荷載作用、僅受壓力荷載作用、僅受溫度荷載作用。

2.2 計算與分析結(jié)果

2.2.1 僅受壓力荷載作用

當只存在壓力荷載作用時，主管內(nèi)旁路導淋閥外側(cè)三通位置內(nèi)表面會發(fā)生最大應(yīng)力強度，其可達到3.965 MPa。當只存在壓力荷載作用時，套管內(nèi)旁路導淋閥內(nèi)側(cè)三通位置內(nèi)表面擁有最大應(yīng)力強度，可達到3.111 MPa。

2.2.2 僅受溫度荷載作用

當只存在溫度荷載作用時，主管中旁路導淋閥殘液槽一側(cè)三通位置內(nèi)表面出現(xiàn)了最大的應(yīng)力強度，其達到了220.972 MPa應(yīng)力強度值。當只存在溫度荷載作用時，套管中導淋閥2后套管連接主管收口的位置擁有最大應(yīng)力強度，為100.968 MPa。

2.2.3 同時受壓力和溫度荷載作用

當同時受到壓力與溫度荷載作用時，主管內(nèi)旁路導淋閥外側(cè)三通位置內(nèi)表面出現(xiàn)最大應(yīng)力強度，可達到220.993 MPa。當同時受到壓力與溫度荷載作用時，導淋閥2后套管連接主管收口位置外表面具備最大應(yīng)力強度，為102.238 MPa。

2.2.4 受X向地震加速度作用

在X向地震加速度的影響下，在主管與精餾塔固定端可達到9.411 38 MPa結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度，同時該值也是最大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度[3]。

2.2.5 受Y向地震加速度作用

在Y向地震加速度的影響下，同樣是在主管與精餾塔固定端存在最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度，其值可達到19.145 6 MPa。

2.2.6 分析討論

(1)強度分析。在受到壓力荷載影響后，在套管以及主管中均擁有較低的應(yīng)力強度值。在水平地震荷載作用下，在套管和主管中同樣存在較低應(yīng)力強度值。當僅受溫度荷載影響時主管會在旁路導淋閥外側(cè)三通位置內(nèi)表面出現(xiàn)最大應(yīng)力強度，可達到220.972 MPa應(yīng)力強度值，套管會在導淋閥2后連接主管收口與套管位置的外表面產(chǎn)生最大應(yīng)力強度，其可達到102.238 MPa應(yīng)力強度值。通過分析受力情況可知，此兩個部位在主管及套管也是經(jīng)常爆發(fā)泄漏問題的地點。從強度視角分析，因溫度荷載產(chǎn)生的熱應(yīng)力為二次應(yīng)力，與許用應(yīng)力相比具備3倍的應(yīng)力強度許用值，主管最大應(yīng)力強度與許用值擁有0.54的比值，套管最大應(yīng)力強度值與許用值為0.223比值，兩者均能使強度要求得到滿足。

因為碳鋼套管在連接不銹鋼主管部位的工作應(yīng)力較大，再加上氟化工廠區(qū)大氣環(huán)境存在顯著的腐蝕性，由此可以斷定導淋閥2后主管收口連接套管的焊縫部位有較大幾率出現(xiàn)泄漏風險，盡管套管內(nèi)以氮氣為介質(zhì)，即使泄漏也不會引發(fā)嚴重危害，但是會對泄漏套管檢漏功能產(chǎn)生不良影響。所以，應(yīng)將檢漏儀器設(shè)置在該位置，一是可明確是否存在氮氣泄漏；二是可以在主管高應(yīng)力泄漏情況下詳細了解八氟異丁烯泄漏情況，保證氟化工生產(chǎn)安全。

(2)溫度荷載影響法蘭密封性能的情況。溫度荷載影響下，計算管端X坐標方向支反力在精餾塔主管端部分布情況。在充分考慮各節(jié)點支反力及其所處坐標的基礎(chǔ)上，最終可得到Y(jié)向和X向彎矩分別為150 77 N·mm與44 037 N·mm，擁有46 547 N·mm合成彎矩。經(jīng)計算可知，僅存在3.33 N支反力合力，能夠直接忽略。

利用帶頸對焊法蘭完成主管與殘液槽及精餾塔管口連接，法蘭為PN16公稱壓力，DN50公稱直徑，密封面選用凹凸面，結(jié)合實際情況選用不銹鋼聚四氟乙烯材質(zhì)纏繞墊，最終可計算出墊片壓緊中心圓為78 mm直徑。在計算工作中，相關(guān)人員可以使用以下公式計算法蘭當量計算壓力：

式中：Pc為設(shè)備設(shè)計壓力，取值為0.2 MPa，最終計算得出法蘭當量計算壓力0.7 MPa。在45℃環(huán)境中PN16的S30408不銹鋼帶頸平焊法蘭擁有1.43 MPa最大允許工作壓力，法蘭連接可滿足相應(yīng)密封要求。

(3) Y向水平地震荷載與溫度荷載共同作用影響法蘭密封性能情況。同時受到Y(jié)向水平地震荷載與溫度荷載作用時，殘液槽端支反力會受到較大彎矩，在充分考慮殘液槽端各節(jié)點支反力及其所處坐標的前提下，可計算得出其Y向和X向分別存在23 647 N·mm和57 017 N·mm彎矩，可達到61 727 N·mm合成彎矩。另外，僅存在3.33 N支反力合力，可以直接忽略。

根據(jù)上文所述法蘭當量計算壓力公式，以0.2 MPa作為Pc取值，最終計算Pe為0.8 MPa。在45 ℃環(huán)境中PN16的S30408不銹鋼帶頸平焊法蘭擁有1.43 MPa最大允許工作壓力，法蘭連接可達到相關(guān)密封要求。

(4)其他暴露泄漏源問題。想要使套管擁有更大的覆蓋范圍，相關(guān)人員可以在法蘭、閥門等構(gòu)件上直接焊接套管，可在一定程度上避免暴露泄漏源出現(xiàn)。同時，應(yīng)將收集泄漏氣體的裝置設(shè)置在法蘭連接部位。

3 各種套管檢漏可靠性

3.1 定性分析

在套管檢漏過程中，不但可以使主管比套管擁有更高的壓力，還可以將套管內(nèi)抽真空或者讓主管壓力低于套管內(nèi)壓力，也就是真空檢漏和高壓檢漏，在運用此兩種方式時均可發(fā)揮保護外泄漏的作用。在實施套管高壓檢漏過程中，即使泄漏類型為主管泄漏，也只會向主管內(nèi)泄漏套管內(nèi)高壓介質(zhì)；在實施套管真空檢漏過程中，若泄漏類型為主管泄漏，真空系統(tǒng)能夠吸入泄漏介質(zhì)。通過深入分析以上3種套管檢漏邏輯可知，若是在判斷過程中僅以套管壓力作為依據(jù)，僅有套管低壓檢測可準確判斷主管泄漏問題，只有在滿足套管不漏的基礎(chǔ)上套管真空檢漏和套管高壓檢漏才可根據(jù)套管真空度和壓力降低情況準確判斷主管泄漏，但是根據(jù)理論分析可知，低壓檢漏有一定幾率會出現(xiàn)漏檢主管泄漏的情況。與之相比，套管真空檢漏和套管高壓檢漏雖然在判定泄漏時需要更多條件，但是借助套管真空度或壓力降低，同樣能完成套管檢漏，并且可以明確泄漏處于套管哪一側(cè)，及時發(fā)現(xiàn)檢漏套管工作以上，提醒相關(guān)人員進行處理，以此有效預防主管泄漏問題。

3.2 定量分析

當主管為0.1 mg/s泄漏流量、套管不漏情況下，因為套管并不具備絕熱性能，因此僅會出現(xiàn)較為輕微的能量變化情況，在此情況下可按照理想氣體平衡方式計算三種檢漏方式導致的壓力變化率。

分別設(shè)置真空檢漏、高壓檢漏、低壓檢漏三個流程并對管內(nèi)泄漏情況開展分析，套管擁有0.07 m3體積空間，低壓檢漏中套管內(nèi)為0.1 MPa表壓強；高壓檢漏中套管內(nèi)分別取0.7、0.6、0.5、0.4、0.3 MPa表壓強；真空檢漏中套管內(nèi)分別取-0.09、-0.08、-0.07、-0.06、-0.05 MPa表壓強。假設(shè)三種檢漏方式下均存在0.1 mg/s泄漏流量。

借助道爾頓氣體分壓定律可知，混合氣體中各組分氣體分壓之和為混合氣體總壓，某組分氣體的分壓大小則等于其單獨占有與氣體混合物相同體積時所產(chǎn)生的壓強，最終壓力變化率和套管表壓力隨著泄漏時間變化情況如表1所示。

表1 泄漏壓力計算結(jié)果

通過相關(guān)市場調(diào)研可知，壓強傳感器最為符合精度和量程方面要求，其精度高且量程范圍選擇多。結(jié)合三種檢漏方式工況，最終確定壓力變送器類型為PTL703W型膜片型，能達到0.25% FS精度，合理連接壓力記錄儀與變送器，就可實現(xiàn)監(jiān)測管內(nèi)壓力的目標。在充分了解壓力傳感器可選量程和壓力變化范圍的基礎(chǔ)上，低壓檢漏所用傳感器需選擇0～0.6 MPa量程，精度為1 500 Pa，通過分析壓力變化率可以發(fā)現(xiàn)，只有持續(xù)23 h后才會出現(xiàn)超出誤差值的壓力變化；高壓檢漏傳感器量程為0～1 MPa，精度為2 500 Pa，在5.5 h左右會出現(xiàn)超出誤差值的壓力變化；真空檢漏傳感器選擇-0.1～0 MPa量程，精度為250 Pa，在4 h左右會產(chǎn)生超過誤差值的壓力變化。

準確對比各種檢漏方式的優(yōu)缺點和以上數(shù)據(jù)，低壓檢漏在運用過程中可能存在漏檢主管泄漏的情況，而且在泄漏持續(xù)23 h左右才能夠存在比壓力傳感器誤差值更高的壓力變化，也就是說需要較長時間才能夠發(fā)現(xiàn)泄漏問題。相較于其他兩種檢漏方式，真空檢漏只需要較短時間就可判定套管泄漏側(cè)，并及時提醒相關(guān)人員，可以防止主管泄漏問題，所以相關(guān)人員應(yīng)盡量使用真空檢漏的方式。

4 結(jié)語

綜合以上分析，筆者得出以下結(jié)論：(1)在法蘭連接主管與設(shè)備的位置，因為溫度荷載在一定程度上提高了法蘭當量計算壓力，想要滿足密封要求需使用PN16法蘭；(2)想要使套管擁有更大的覆蓋范圍，相關(guān)人員可以在法蘭、閥門等構(gòu)件上直接焊接套管，可在一定程度上避免暴露泄漏源出現(xiàn)。同時，應(yīng)將收集泄漏氣體的裝置設(shè)置在法蘭連接部位；(3)在符合相關(guān)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量選擇真空檢漏的方式。