MDI裝置夾套管壁厚選型案例論述

蘇國東，翟俊紅，郭曉瑩，王曉寧，張 洋

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 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計，夾套管設計雖然常用于工程設計中，但是在計算管道工程壁厚的時候，一般只是分別計算夾套內(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，詳細介紹夾套管壁厚選擇的主要過程。

1 操作條件

表1為聚氨酯設計項目中，MDI物料具體設計工況，以內(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 物料設計工況

2 常規(guī)壁厚選擇

一般慣例，根據(jù)收到的管道物料設計工況條件，管道材料壁厚的設計主要是參考和套用的模式：一是根據(jù)管道壓力等級翻查相應設計手冊[2]，按照壓力選取對應管道的壁厚；二是參考相同類型的項目，按照過去的經(jīng)驗做法選取類似工況下的同樣材質(zhì)的管道壁厚作為現(xiàn)行項目的管道壁厚。

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

tsd=ts+C

C=C1+C2

式中：ts—直管計算厚度(mm)；

P—設計壓力(MPa)；

D0—管子外徑(mm)；

Ej—焊接接頭系數(shù)；

[σ]t—在設計溫度下材料的許用應力(MPa)；

tsd—直管設計厚度(mm)；

C—厚度附加量之和(mm)；

C1—厚度減薄附加量，包括加工、開槽和螺紋深度及材料厚度負偏差(mm)；

C2—腐蝕或磨蝕附加量(mm)；

Y—系數(shù)。

按照項目采用標準HG/T 20553-2011 (Ia)[4]《化工配管用無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的情況下，需要重新核算夾套內(nèi)管壁厚并對其實際承壓能力進行核算。因為常用計算公式對于管道外壓沒有考慮，無法用常規(guī)公式進行計算。因此，需要選擇其他公式進行計算。

參照規(guī)范GB 150.3-2011[6]《壓力容器 第3部分：設計》中的計算公式，其中對于直管的外壓設計公式和符號含義如下：

式中：[p]—許用外應力(MPa)；

B—外壓應力系數(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備外壓圓筒的計算公式，用在管道外壓核算上，需設定管道長度不限長為核算的前提條件。

具體過程如下:

3.1 D0/δe≥20的直管段

3.1.1 確定外壓應變系數(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 確定外壓應力系數(shù)B

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

b)若A值超出設計溫度曲線的最大值，則取對應溫度曲線右端點的縱坐標值為B值；

c)若A值小于設計溫度曲線的最小值，則按式(1)計算B值。

(1)

3.1.3 確定許用外壓

根據(jù)B值，按式(2)計算許用外壓力[p]：

(2)

計算得到的[p]應大于或等于pc，否則須調(diào)整設計參數(shù)，重復上述計算，直到滿足設計要求。

3.2 D0/δe<20的直管段

3.2.1 確定外壓應變系數(shù)A

a)對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D0/δe<4.0的圓筒，按式(3)計算系數(shù)A值。

(3)

系數(shù)A>0.1時，取A=0.1。

3.2.2 確定外壓應力系數(shù)B

步驟同上。

3.2.3 確定許用外壓

按式(4)計算許用外壓力[p]值：

(4)

式中：σ0應力，取以下兩值中的較小值；

σ0=2[σ]t

計算得到的[p]應大于或等于pc，否則須調(diào)整設計參數(shù)，重復上述計算，直到滿足設計要求。

經(jīng)過計算，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，對于本項目來說，公稱通徑為DN150的夾套內(nèi)管，經(jīng)計算可承受的許用外壓為2.81MPa，因為承受外管的設計壓力和外管的水壓試驗[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，證明計算結(jié)果可以選用。

4 結(jié)論

本項目通過考慮夾套管內(nèi)管所承受的外壓情況，參照規(guī)范《壓力容器 第3部分：設計》GB 150.3-2011中的核算設備外壓圓筒的計算公式，設定管道長度不限長為核算的前提條件，得出了一系列承受外壓的管道壁厚及許用外壓值，經(jīng)過舉例驗證，證實計算結(jié)果可用。并且計算結(jié)果作為今后管材核算夾套內(nèi)管承外壓的專用模板繼續(xù)使用，今后將繼續(xù)應用于我公司承擔的后續(xù)幾個項目設計工作中，為提高項目工程設計質(zhì)量的安全性和經(jīng)濟性做出貢獻。

[1]中國石化集團公司工程建設管理部.SH/T3040-2002石油化工管道伴管和夾套管設計規(guī)范[S].北京:中國石化出版社，2002.

[2]徐寶東.化工管路設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2011.

[3]中華人民共和國原化學工業(yè)部.GB 50316-2000 工業(yè)金屬管道設計規(guī)范(2008版)[S].北京:中國計劃出版社,2008.

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

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

[6]全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.GB 150.3-2011 壓力容器 第3部分：設計[S].北京:中國標準出版社,2012.

[7]中國工程建設標準化協(xié)會化工分會.GB 50184-2011 工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2010.