双材质夹套管热膨胀应力研究及消除

陈宜东 张海洋 陈继伟

摘 要：夹套管在石油化工、炼焦化工、精细化工等装置中应用较为广泛，化工装置中常常使用其加热或冷却物料，也有用作生产物料的热能回收利用。它由内管（主管）和外管组成，一般采用碳钢或不锈钢材质，也有出于工艺和经济考虑选用两种材质加工制造，即双材质夹套管，双材质加套管因膨胀系数差异而产生的破坏力容易使夹套管开裂发生介质泄露。文章主要通过对内外管采用两种材质的加套管在运行中的热应力研究分析，找出破坏力产生的原因，并针对性的提出防范措施，以提高其在生产过程中的可靠运行。

关键词：双材质夹套管;膨胀差值;热应力;破坏力;消除

夾套管的内管输送的介质为工艺物料，外管的介质为蒸汽、热水、导热油、冷媒或联苯热载体等。在实际应用过程中，由于其使用的工艺环境较为复杂，使用的介质具有一定的压力、高温、毒性、甚至易燃易爆，一担泄露，极有可能发生中毒、火灾、爆炸、甚至伤人事故，特别是双材质夹套管因膨胀系数不一致，更易出现开裂泄露问题。

去年，我单位使用的双材质夹套管，在升温至工作温度（约300℃）准备投料过程中，因夹套管裂纹引起介质（洗油）泄露发生了着火事故，经现场查看和分析，在夹套管设计制造过程中，未充分考虑内外管的膨胀系数不一致的问题，内外套管膨胀量不一致产生应力造成焊口开裂、泄漏引发了火灾事故。

因此如何解决双材质加套管在生产应用过程中出现的问题，减少和杜绝事故的发生，不得不引起我们的重视。

1 双材质膨胀量分析

以我单位再用夹套设备为例，内管为304不锈钢（0Cr18Ni9）材质，外管为碳钢（45）材质，管段长度为4000mm，室温20℃，生产过程中介质温度300℃建立分析模型。

1.1 膨胀系数

经网上检索“不同温度下金属材料的线性膨胀系数一览表”，其线性两种材质膨胀系数如表一：

1.2 膨胀差值计算

经计算，在300℃时该管段两种材质膨胀量相差5.163mm，内外管在升温过程中膨胀量不一致，使焊口处产生一定应力，具有极大的破坏性，导致焊口开裂发生事故。

2 热膨胀应力的消除

双材质夹套管的膨胀量与夹套管的长度成正比，尺寸较短的双材质夹套管的内外膨胀差较小，随着双材质夹套管的长度增加，内外管膨胀差值越来越大，产生的应力也就随之增加，其变形量不足于被管段吸收（双材质夹套管的膨胀应力大于其可承受的应力范围），以至于达到破坏焊口或其他薄弱点的应力，造成设备开裂发生泄露事故。

为避免事故的发生的发生，必须消除膨胀应力，即补偿双材质夹套管的膨胀差值。

2.1 补偿器的选择及安装

通过以上分析研究，采用波纹补偿器补偿内外管的膨胀差值，是解决上述难题的有效途径。

波纹补偿器也称伸缩节、膨胀节、补偿器，俗称波纹管，波纹补偿器是利用波纹管的弹性元件的有效伸缩变形来吸收管线、导管或容器由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化的一种补偿装置，属于一种热补偿元件。

波纹补偿器，其体积小，重量轻，占地面积和占用空间小，易于布置，安装方便。波纹管补偿器具有良好的密封性能，不需要进行维修，承压能力和工作温度较高，直接焊接在需补偿的管段上即可。

在外管加装波纹管比较方便可行，本案例内管膨胀大于外管，因此，在外管加装预紧力波纹管即可，如下图一：

2.2 运行效果

根据计算的内外管膨胀差值，匹配了合适的波纹管补偿器，经过升温实验后投入运行，到目前已达一年之久，运行稳定可靠，其补偿器有效吸收了双材质夹套管轴向热变形量，保障了双材质夹套管的安全运行。

2.3 补偿器安装注意事项

补偿器的安装是有一定技术要求的，因补偿器未按要求安装，也可能起不到补偿的作用，甚至发生事故。因此，其下几点应引起重视。

①加装补偿器一定要严格计算补偿量，根据补偿量选择合适的补偿器;②补偿器在安装前应先检查其型号、规格及管道配置情况，必须符合要求;③需要进行“冷紧”的补偿器，预变形所用的辅助构件应在管路安装完毕后方可拆除;④管系安装完毕后应尽快拆除金属波纹补偿器上辅助定位构件及紧固件，并按设计要求调到规定位置，使管系在环境条件下有充分的补偿能力;⑤补偿器所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围，应保证各活动部位的正常动作。

3 其他需要说明的问题

①在设计双材质夹套管时，不是万不得已的情况下，套管管段不宜设计的过长;②充分考虑双材质夹套管的整体膨胀量，以便对其整体膨胀量进行补偿;③整体管段安装时，要合理地选择固定支点和滑动支点的位置，以达到消除膨胀量（膨胀应力）的目的;④夹套管整体管段的保温效果也影响内外管的温差变化，因此，应做好外壳保温以减少其对膨胀量的影响。

4 结束语

夹套管作为热交换设备，因其结构简单的，在化工生产过程中，应用及其广泛。其结构虽然简单，但其由于受温度变化、介质压力、介质性质以及材质的影响，存在一定的安全隐患，易造成泄漏事故，甚至事故扩大。因此，在设计、制造、安装过程中应充分考虑相关因素，特别是双材质夹套管温度变化引起的膨胀量的消除应引起我们的高度重视，以保证其在生产运行中的安全。

参考文献：

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