MDI裝置夾套管壁厚選型案例論述

蘇國(guó)東，翟俊紅，郭曉瑩，王曉寧，張 洋

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250010)

MDI(二苯基甲烷二異氰酸酯)因物料和工藝要求需要選用夾套管設(shè)計(jì)，夾套管設(shè)計(jì)雖然常用于工程設(shè)計(jì)中，但是在計(jì)算管道工程壁厚的時(shí)候，一般只是分別計(jì)算夾套內(nèi)管和夾套外管的內(nèi)壓，常常忽略了夾套內(nèi)管還需承受夾套外管內(nèi)流體壓力的情況，而且MDI是高度危害流體，如果管道泄漏，一是造成經(jīng)濟(jì)損失，二是引發(fā)工程事故。

本文結(jié)合某公司的MDI裝置，詳細(xì)介紹夾套管壁厚選擇的主要過(guò)程。

1 操作條件

表1為聚氨酯設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，MDI物料具體設(shè)計(jì)工況，以?xún)?nèi)管管徑為DN150的管道為例，夾套外管的管徑為DN200[1]，其中管道材料夾套內(nèi)管為06Cr19Ni10不銹鋼，夾套外管為20碳鋼。

表1 物料設(shè)計(jì)工況

2 常規(guī)壁厚選擇

一般慣例，根據(jù)收到的管道物料設(shè)計(jì)工況條件，管道材料壁厚的設(shè)計(jì)主要是參考和套用的模式：一是根據(jù)管道壓力等級(jí)翻查相應(yīng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]，按照壓力選取對(duì)應(yīng)管道的壁厚；二是參考相同類(lèi)型的項(xiàng)目，按照過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)做法選取類(lèi)似工況下的同樣材質(zhì)的管道壁厚作為現(xiàn)行項(xiàng)目的管道壁厚。

本裝置中，由于內(nèi)管材質(zhì)為不銹鋼，因此，根據(jù)設(shè)計(jì)工況，按照壁厚計(jì)算公式[3]：

tsd=ts+C

C=C1+C2

式中：ts—直管計(jì)算厚度(mm)；

P—設(shè)計(jì)壓力(MPa)；

D0—管子外徑(mm)；

Ej—焊接接頭系數(shù)；

[σ]t—在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力(MPa)；

tsd—直管設(shè)計(jì)厚度(mm)；

C—厚度附加量之和(mm)；

C1—厚度減薄附加量，包括加工、開(kāi)槽和螺紋深度及材料厚度負(fù)偏差(mm)；

C2—腐蝕或磨蝕附加量(mm)；

Y—系數(shù)。

按照項(xiàng)目采用標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20553-2011 (Ia)[4]《化工配管用無(wú)縫及焊接鋼管尺寸選用系列》以及《ASME_B36.19M-2004不銹鋼鋼管》[5]進(jìn)行選用，因此得出，DN150的管道的壁厚為3.4 mm。將結(jié)果圓整后得出壁厚選型為3.5 mm。但是這樣計(jì)算出的管道壁厚，僅僅是承受內(nèi)壓管道的正常壁厚，忽略了夾套內(nèi)管所承受的外壓的情況。

3 夾套內(nèi)管壁厚選型優(yōu)化

如果考慮夾套外管和水壓試驗(yàn)的情況下，需要重新核算夾套內(nèi)管壁厚并對(duì)其實(shí)際承壓能力進(jìn)行核算。因?yàn)槌Ｓ糜?jì)算公式對(duì)于管道外壓沒(méi)有考慮，無(wú)法用常規(guī)公式進(jìn)行計(jì)算。因此，需要選擇其他公式進(jìn)行計(jì)算。

參照規(guī)范GB 150.3-2011[6]《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》中的計(jì)算公式，其中對(duì)于直管的外壓設(shè)計(jì)公式和符號(hào)含義如下：

式中：[p]—許用外應(yīng)力(MPa)；

B—外壓應(yīng)力系數(shù)；

D0—圓筒外直徑(D0=Di+2δn)；

δe—圓筒或球殼的有效厚度(mm)；

δn—圓筒或球殼的名義厚度(mm)。

此公式主要是核算設(shè)備外壓圓筒的計(jì)算公式，用在管道外壓核算上，需設(shè)定管道長(zhǎng)度不限長(zhǎng)為核算的前提條件。

具體過(guò)程如下:

3.1 D0/δe≥20的直管段

3.1.1 確定外壓應(yīng)變系數(shù)A

a)根據(jù)L/D0和D0/δe由圖4-2[6]或表4-2[6]查取外壓應(yīng)變系數(shù)A值(遇中間值用內(nèi)插法)；

b)若L/D0值大于50，則用L/D0=50查圖；若L/D0值小于0.05，則用L/D0=0.05查圖。

3.1.2 確定外壓應(yīng)力系數(shù)B

a)按所用材料，查表4-1[6]確定對(duì)應(yīng)的外壓應(yīng)力系數(shù)B曲線圖，由A值查取B值(遇中間值用內(nèi)插法)；

b)若A值超出設(shè)計(jì)溫度曲線的最大值，則取對(duì)應(yīng)溫度曲線右端點(diǎn)的縱坐標(biāo)值為B值；

c)若A值小于設(shè)計(jì)溫度曲線的最小值，則按式(1)計(jì)算B值。

(1)

3.1.3 確定許用外壓

根據(jù)B值，按式(2)計(jì)算許用外壓力[p]：

(2)

計(jì)算得到的[p]應(yīng)大于或等于pc，否則須調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，重復(fù)上述計(jì)算，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 D0/δe<20的直管段

3.2.1 確定外壓應(yīng)變系數(shù)A

a)對(duì)D0/δe≥4.0的圓筒，用與1.1相同的步驟得到系數(shù)A值；

b)對(duì)D0/δe<4.0的圓筒，按式(3)計(jì)算系數(shù)A值。

(3)

系數(shù)A>0.1時(shí)，取A=0.1。

3.2.2 確定外壓應(yīng)力系數(shù)B

步驟同上。

3.2.3 確定許用外壓

按式(4)計(jì)算許用外壓力[p]值：

(4)

式中：σ0應(yīng)力，取以下兩值中的較小值；

σ0=2[σ]t

計(jì)算得到的[p]應(yīng)大于或等于pc，否則須調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，重復(fù)上述計(jì)算，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出一系列承受外壓的管道壁厚及許用外壓值。

表2 管道壁厚及許用外壓值

由表2可以看出，對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，公稱(chēng)通徑為DN150的夾套內(nèi)管，經(jīng)計(jì)算可承受的許用外壓為2.81MPa，因?yàn)槌惺芡夤艿脑O(shè)計(jì)壓力和外管的水壓試驗(yàn)[7]分別為0.6MPa和1.0MPa，因此選取的內(nèi)管的壁厚7.1 mm完全可以承受外壓的要求，證明計(jì)算結(jié)果可以選用。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目通過(guò)考慮夾套管內(nèi)管所承受的外壓情況，參照規(guī)范《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》GB 150.3-2011中的核算設(shè)備外壓圓筒的計(jì)算公式，設(shè)定管道長(zhǎng)度不限長(zhǎng)為核算的前提條件，得出了一系列承受外壓的管道壁厚及許用外壓值，經(jīng)過(guò)舉例驗(yàn)證，證實(shí)計(jì)算結(jié)果可用。并且計(jì)算結(jié)果作為今后管材核算夾套內(nèi)管承外壓的專(zhuān)用模板繼續(xù)使用，今后將繼續(xù)應(yīng)用于我公司承擔(dān)的后續(xù)幾個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作中，為提高項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)質(zhì)量的安全性和經(jīng)濟(jì)性做出貢獻(xiàn)。

[1]中國(guó)石化集團(tuán)公司工程建設(shè)管理部.SH/T3040-2002石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)石化出版社，2002.

[2]徐寶東.化工管路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[3]中華人民共和國(guó)原化學(xué)工業(yè)部.GB 50316-2000 工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范(2008版)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2008.

[4]中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì).HG/T 20553-2011 化工配管用無(wú)縫及焊接鋼管尺寸選用系列[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2011.

[5]ASME.B36.19M-2004 不銹鋼鋼管[S]. ASME,2004.

[6]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 150.3-2011 壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[7]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)化工分會(huì).GB 50184-2011 工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2010.