劉文靜,劉超,劉延娜

(山東省醫(yī)藥工業(yè)設計院有限公司,山東 濟南 250000)

三種主要的管道伴熱方式被廣泛應用到化工工程項目中,分別為電伴熱、伴管伴熱、夾套管伴熱。其中,夾套伴熱的原理是根據其雙層管道的特性,外管輸送加熱媒介,通過對流傳熱的傳熱方式將熱量傳遞給內管被加熱介質。在夾套管的設計中,可以將蒸氣、冷卻劑和導熱油作為傳遞熱量的媒介。這種傳遞方式具有傳熱效率高的優(yōu)點,并且能夠滿足對內管輸送物料介質的溫度和工藝參數的嚴格控制。夾套管的設計除了要滿足工藝流程圖上的要求,還要考慮到夾套管的安裝空間和操作使用是否滿足要求。隨著近些年化工行業(yè)的迅速發(fā)展,對化工設計的精度要求也越來越高,為了提高工程設計質量、節(jié)省投資、縮短工程設計周期、為業(yè)主提供更直觀的三維模型乃至數字化交付。通過三維設計軟件進行管道建模已在化工項目中廣泛應用。由于夾套管特殊的雙層管道結構及現場施工提前預制等因素通過三維設計軟件熟練掌握的夾套管三維建模是必不可少的。

1 夾套管管件及閥門附件選擇原則

1.1 內管及外管

按照連接形式的不同,夾套管可以分為全夾套類型夾套管(內管焊縫隱蔽型)、半夾套類型夾套管(內管焊縫外露型)[1]。法蘭式夾套管用于全夾套,根據不同介質特性、設計溫度、設計壓力夾套法蘭可選用的連接形式一般有板式平焊(JPL)、帶頸平焊(JSO)、帶頸對焊(JWN),內管流體介質的凝固點≥100 ℃應選用全夾套夾套管。管帽式夾套管、端板式夾套管用于半夾套管,輸送有毒介質或者易凝介質的管道應選用端板式夾套管,端板式夾套管在化工項目中應用更為普遍。

夾套管在選擇管道材料的過程中,最好選擇平均熱膨脹系數相同的材料,以確保管道的可靠性。此外,在內外管屬于不同材質時,也必須考慮到溫度變化帶來的影響,因此,可以使用“π”形補償器來抵消熱應力帶來的影響。在進行夾套管的柔性計算時,必須遵守SH/T 3041—2012的標準。為了確保其能夠承受高溫,每節(jié)管道的長度通常都需要在6 m以內,而且必須滿足相關應力計算的要求。

在夾套管管徑的設計選型中,常規(guī)選用標準管徑,外層套管的規(guī)格一般比內管管徑大一個或兩個尺寸。采用蒸汽作為夾套管的加熱介質時,可適當縮小套管管徑一個尺寸規(guī)格,縮小后的夾套管除不影響正常使用外還可減少蒸汽消耗量以及材料的費用等。套管的內外管徑組合尺寸宜按表1進行。

表1 夾套管管徑組合尺寸 單位:mm

1.2 彎頭、三通、異徑管

1.2.1 彎頭

夾套管內的彎頭的曲率半徑小于等于1.5DN時,通常會使用標準彎頭。具體的選擇可以參考表2。

表2 內管、套管彎頭的曲率半徑 單位:mm

如果彎頭的曲率半徑超過3DN,則必須使用剖切型彎頭。此外,為了避免在裝置運行過程中熱膨脹引起的彎頭位移碰撞,彎頭曲率半徑的選型,彎頭曲率半徑的大小可以參考表3。

表3 內管、套管彎頭的曲率半徑 單位:mm

1.2.2 三通

三通可以分為等徑和異徑兩種,具體的選型應當根據不同的管道管徑來確定。此外,夾套管三通也可以分為橫剖型和縱剖型,一般采用剖切型。

1.2.3 異徑管

在設計中,盡量采用無縫的同心異徑管,兩個異徑管的大端要保持50 mm[2]的偏差,以確保正常安裝使用。

1.3 定位板

定位板通常被焊接在內管外壁上,材質與內管材質應相同。定位板的使用能夠有效地避免管子的偏轉,并保證管道在裝置運行中穩(wěn)定性。夾套管在運行過程中會產生一定的熱位移,其安裝位置不能影響管道的熱位移。定位板的安裝設計間距可參照下表4進行。

表4 直管段定位板最大間距

1.4 跨接管

在夾套管結構中,跨接管起到了將閥門、法蘭和端部相互聯結的作用。跨接管的安裝形式通常采用法蘭連接,這種設計方式在后續(xù)的運維檢修過程中便于拆卸?？缃庸艿脑O計必須符合蒸汽高進低出、冷凝水低進高出的原則,管道的安裝順序先進行夾套管主管的安裝,再進行跨接管的安裝,跨接管安裝時絕不能放置于管架或者管托的位置上,否則會影響管道的正常運行。蒸汽夾套管伴管的選型可以參考表5。

表5 套管伴熱長度

1.5 蒸汽、熱水分配站和疏水站

當夾套管外管用于加熱蒸汽或熱水時,如果在半徑3 m范圍內有超過3個伴熱點和回收點,就必須建立蒸汽或熱水分配站和疏水站,這些站點可以采用水平或垂直的方式安裝[3]。根據下列公式,首先計算出蒸汽分配站和疏水站的總根數“S”,然后根據表6～7,確定這兩個站點的管徑。

表6 蒸汽分配站、疏水站的管徑

表7 熱水分配站和回水站管徑

S=A+2B+3C

在這個公式中,S代表蒸汽分配站的伴管總數;A表示DN15 mm、φ12 mm、φ10 mm的伴管數;B則指的是DN20 mm的伴管數;C則指的是DN25 mm的伴管數。

2 夾套管數據庫、圖形庫的建立

北京中科輔龍計算機技術有限公司所研發(fā)的具有完全自主版權的計算機輔助工廠三維管道設計系統(tǒng)系列軟件PDsoft。其軟件的功能模塊主要包括:工程數據庫及管路等級生成、建模、碰撞、檢查ISO圖自動生成、材料統(tǒng)計表自動生成、平立剖面圖自動生成、圖形庫管理、渲染和消隱處理等模塊[4]。

建立項目庫、建立項目管道等級、建立項目管線號表、建立項目油漆庫及保溫庫是構建一個項目數據庫的基本四大組成部分。(1)建立項目庫是建立其他項目內容的基礎,首先在數據庫管理系統(tǒng)中添加要建立的新項目,并設定項目信息,其內容有項目語言種類、項目編號、名稱、責任人、制圖標準、單位制、最小管長、允許碰撞最小間距等。(2)根據管道等級表建立項目工程數據管道等級,管道等級表的編制是根據該項目的工藝管道流程圖、管道數據表中輸送物料的溫度、壓力等物性參數編制的。PDsoft軟件實際應用中除按照項目工藝文件逐個建立等級外,還可以導入其他類似項目的管道等級,在此基礎上修改,使其與本項目所用管道等級相同。夾套管與普通管道等級數據庫比較,主要有兩點不同之處,夾套管需建立內管管道和外管管道兩個等級,在實際項目應用中因介質不同可能存在多個夾套等級,數據庫中一個內管等級對應一個外管等級,一個外管等級與多個內管等級建立關聯;內外管等級建立完成后,在夾套管的外管等級中,根據項目管道等級表的要求建立夾套對照表、定位板間距表。(3)管線號表,根據項目管道數據表將管道物料代號、介質名稱、管道序號、公稱直徑、溫度、壓力設計參數、工作參數、試驗參數等數據輸入或通過Excel管線號模板導入項目庫管號表中。夾套管管道數據表內外管用同一管道號表示。(4)油漆、保溫庫,根據項目管道隔熱表及油漆使用說明建立油漆、保溫庫,其內容包括隔熱材料、保溫厚度、涂漆材料、涂覆厚度、層數等。PDsoft圖形庫提供了豐富的管件和設備圖形,軟件可以根據用戶的需求,通過調整設備參數,實現對設備的快速建模,從而大大提高了項目的效率。PDsoft可以幫助我們快速構建復雜的特殊設備的外觀輪廓,而且只需要根據設備廠家的信息精確定位接管位置即可。此外,我們還可以通過自定義圖形,將設備和元件的信息存儲在PDsoft的圖形庫中,以便將來的設計工作中使用。

項目數據庫的建立在整個三維建模中至關重要,數據庫的正確與否影響布管速度并對后續(xù)出圖統(tǒng)計材料的正確性起決定性作用。

3 夾套管三維模型的構建及檢查

夾套管三維模型的構建一般應遵循如下原則:(1)依據建設項目的設備布置圖或者建筑結構圖,建立構筑物及建筑物軸網或者采用外部參數功能導入平面布置作為參照,軸網的建立是為了快速、精確地定位構筑物及設備。(2)建立設備模型,插入設備、設備基礎、設備管嘴。設備分為定型設備和非定型設備,對于非定型設備的管嘴的設置要考慮設備間相對位置及布管走向;定型設備其管嘴相對位置要與設備廠家提供圖紙一致。(3)按照工藝流程圖進行布管,在PDsoft軟件中夾套管的布管和其他管道布管方式一致,不同的是,在選擇管道屬性時,將夾套管的保溫性質選擇為“J”夾套。(4)蒸汽夾套管的設置應在夾套管集中布管的區(qū)域設置蒸汽分配站和冷凝水集合管。(5)為了保證裝置的正常運行,布管時應該盡可能地減少U型彎曲和死角的產生,并且應該安裝低處的排水管和高處的放空管。保證夾套管內伴熱介質的流動暢通,減少氣液夾帶現象的出現。(6)運用PDsoft建立大型三維管道設計模型時,或由多人共同完成的,在共用同一項目數據庫情況下,可選擇模型切割、模型合并功能同步進行模型設計。

管道模型建立完成后,在生出圖紙之前要對模型進行模型檢查。模型檢查的內容主要包括模型碰撞檢查、模型設計檢查、模型數據檢查三部分[5]。

4 夾套管圖紙的生成及材料統(tǒng)計

PDsoft能自動生成管口方位圖、平臺爬梯、管道布置圖、管道剖面圖、管道軸側圖、綜合材料表等一系列管機工程圖表。(1)管口方位、平臺爬梯圖:對于非定型設備塔類、儲罐類,軟件內有此類設備的圖形庫,軟件可以自動生成不同高度及立面的設備管口方位圖、平臺爬梯,為現場制作提供準確設備管口;(2)管道布置圖、剖面圖:此類圖紙是體現裝置內所有管線、閥門,儀表和設備、建構筑物的相鄰布置情況的施工圖紙。管道布置圖為美觀、清晰、便于施工人員看圖施工,常用的圖紙比例為1∶50或1∶30,用PDsoft軟件生成管道布置圖的過程中,對于管廊或者集中布置的管道可以選擇創(chuàng)建管線表,通過PDsoft的自動標注功能實現圖中管道的管道號、流向、坡度、標高等內容的標注;(3)管道軸側圖:生成ISO圖,軟件可以選擇抽取所有管道模型的軸側圖,也可以選擇抽取單條或者特定管線的軸測圖。兩者都是先生成模型中間文件(*dat文件),選擇要生成的單根、部分或全部管線號生成ISO圖紙。而后定義軸測圖出圖模板,ISO圖紙模板有四部分構成:方向標、單線圖材料、管道圖、管道圖簽參數。圖簽參數內容一般包括項目號、項目名稱、管道號、管道等級、管道的設計溫度、設計壓力、工作溫度、工作壓力、泄露性試驗、水壓試驗等。在生成方式中可以對生成圖紙的文本、標注進行自定義,其自動生成的管道軸側圖可用于現場施工;(4)綜合材料表:在整個項目建模完成之后,選擇PDsoft自帶的BOMTABLE.dwg材料統(tǒng)計模板,可對整個模型的管道材料統(tǒng)計。

模型檢查完成后便可以生成管道軸側圖,夾套管管道軸測圖的生成與普通管道軸側相同,只是圖形和材料不同,普通管線是單線圖,夾套管線是三線圖,顯示了外管與內管;除此之外,ISO圖中的材料統(tǒng)計與普通單線圖比較多了外管材料,其中包括外管管道、管件、定位板、端板等。

5 結論

在PDsoft實際項目應用中仍然存在一些不足之處,模型中跨接管的內容未能體現,在抽取材料的時端板以異徑管的形式統(tǒng)計出來。使用三維軟件PDsoft進行夾套管建模,不僅能夠大大提升設計效率,更能夠精確地統(tǒng)計材料,減輕設計人員的負擔,還能夠有效地防止設計、安裝等過程中的失誤。為現場順利安裝提供切實保障。