雙材質夾套管熱膨脹應力研究及消除

陳宜東 張海洋 陳繼偉

摘 要：夾套管在石油化工、煉焦化工、精細化工等裝置中應用較為廣泛，化工裝置中常常使用其加熱或冷卻物料，也有用作生產物料的熱能回收利用。它由內管（主管）和外管組成，一般采用碳鋼或不銹鋼材質，也有出于工藝和經濟考慮選用兩種材質加工制造，即雙材質夾套管，雙材質加套管因膨脹系數差異而產生的破壞力容易使夾套管開裂發生介質泄露。文章主要通過對內外管采用兩種材質的加套管在運行中的熱應力研究分析，找出破壞力產生的原因，并針對性的提出防范措施，以提高其在生產過程中的可靠運行。

關鍵詞：雙材質夾套管;膨脹差值;熱應力;破壞力;消除

夾套管的內管輸送的介質為工藝物料，外管的介質為蒸汽、熱水、導熱油、冷媒或聯苯熱載體等。在實際應用過程中，由于其使用的工藝環境較為復雜，使用的介質具有一定的壓力、高溫、毒性、甚至易燃易爆，一擔泄露，極有可能發生中毒、火災、爆炸、甚至傷人事故，特別是雙材質夾套管因膨脹系數不一致，更易出現開裂泄露問題。

去年，我單位使用的雙材質夾套管，在升溫至工作溫度（約300℃）準備投料過程中，因夾套管裂紋引起介質（洗油）泄露發生了著火事故，經現場查看和分析，在夾套管設計制造過程中，未充分考慮內外管的膨脹系數不一致的問題，內外套管膨脹量不一致產生應力造成焊口開裂、泄漏引發了火災事故。

因此如何解決雙材質加套管在生產應用過程中出現的問題，減少和杜絕事故的發生，不得不引起我們的重視。

1 雙材質膨脹量分析

以我單位再用夾套設備為例，內管為304不銹鋼（0Cr18Ni9）材質，外管為碳鋼（45）材質，管段長度為4000mm，室溫20℃，生產過程中介質溫度300℃建立分析模型。

1.1 膨脹系數

經網上檢索“不同溫度下金屬材料的線性膨脹系數一覽表”，其線性兩種材質膨脹系數如表一：

1.2 膨脹差值計算

經計算，在300℃時該管段兩種材質膨脹量相差5.163mm，內外管在升溫過程中膨脹量不一致，使焊口處產生一定應力，具有極大的破壞性，導致焊口開裂發生事故。

2 熱膨脹應力的消除

雙材質夾套管的膨脹量與夾套管的長度成正比，尺寸較短的雙材質夾套管的內外膨脹差較小，隨著雙材質夾套管的長度增加，內外管膨脹差值越來越大，產生的應力也就隨之增加，其變形量不足于被管段吸收（雙材質夾套管的膨脹應力大于其可承受的應力范圍），以至于達到破壞焊口或其他薄弱點的應力，造成設備開裂發生泄露事故。

為避免事故的發生的發生，必須消除膨脹應力，即補償雙材質夾套管的膨脹差值。

2.1 補償器的選擇及安裝

通過以上分析研究，采用波紋補償器補償內外管的膨脹差值，是解決上述難題的有效途徑。

波紋補償器也稱伸縮節、膨脹節、補償器，俗稱波紋管，波紋補償器是利用波紋管的彈性元件的有效伸縮變形來吸收管線、導管或容器由熱脹冷縮等原因而產生的尺寸變化的一種補償裝置，屬于一種熱補償元件。

波紋補償器，其體積小，重量輕，占地面積和占用空間小，易于布置，安裝方便。波紋管補償器具有良好的密封性能，不需要進行維修，承壓能力和工作溫度較高，直接焊接在需補償的管段上即可。

在外管加裝波紋管比較方便可行，本案例內管膨脹大于外管，因此，在外管加裝預緊力波紋管即可，如下圖一：

2.2 運行效果

根據計算的內外管膨脹差值，匹配了合適的波紋管補償器，經過升溫實驗后投入運行，到目前已達一年之久，運行穩定可靠，其補償器有效吸收了雙材質夾套管軸向熱變形量，保障了雙材質夾套管的安全運行。

2.3 補償器安裝注意事項

補償器的安裝是有一定技術要求的，因補償器未按要求安裝，也可能起不到補償的作用，甚至發生事故。因此，其下幾點應引起重視。

①加裝補償器一定要嚴格計算補償量，根據補償量選擇合適的補償器;②補償器在安裝前應先檢查其型號、規格及管道配置情況，必須符合要求;③需要進行“冷緊”的補償器，預變形所用的輔助構件應在管路安裝完畢后方可拆除;④管系安裝完畢后應盡快拆除金屬波紋補償器上輔助定位構件及緊固件，并按設計要求調到規定位置，使管系在環境條件下有充分的補償能力;⑤補償器所有活動元件不得被外部構件卡死或限制其活動范圍，應保證各活動部位的正常動作。

3 其他需要說明的問題

①在設計雙材質夾套管時，不是萬不得已的情況下，套管管段不宜設計的過長;②充分考慮雙材質夾套管的整體膨脹量，以便對其整體膨脹量進行補償;③整體管段安裝時，要合理地選擇固定支點和滑動支點的位置，以達到消除膨脹量（膨脹應力）的目的;④夾套管整體管段的保溫效果也影響內外管的溫差變化，因此，應做好外殼保溫以減少其對膨脹量的影響。

4 結束語

夾套管作為熱交換設備，因其結構簡單的，在化工生產過程中，應用及其廣泛。其結構雖然簡單，但其由于受溫度變化、介質壓力、介質性質以及材質的影響，存在一定的安全隱患，易造成泄漏事故，甚至事故擴大。因此，在設計、制造、安裝過程中應充分考慮相關因素，特別是雙材質夾套管溫度變化引起的膨脹量的消除應引起我們的高度重視，以保證其在生產運行中的安全。

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