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发表于 2025-12-17 16:01:38
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好的，这个问题很典型，是夹套管设计中的一个关键点。我来给你拆解一下。
首先，我们要明确一个核心概念：**夹套内管（通常称为内管或工艺管）的壁厚设计，必须同时考虑两种工况下的压力载荷**。它不仅要承受内管自身介质的内压，还要承受夹套介质的外压。设计时需要取两者计算出的壁厚中的较大值。
下面我们分步来计算。
### 第一步：明确设计条件与选用标准
1. **设计标准**：国内通常遵循GB/T 150《压力容器》或HG/T 20582《钢制化工容器强度计算规定》中的相关章节。对于管道，ASME B31.3《工艺管道》也是常用标准。我们这里按GB/T 150的思路来讲解，原理是通用的。
2. **材料选择**：这是计算的前提。你需要根据介质腐蚀性、温度（取两者中更高者，即250℃）和压力来初步选定材料。例如，常用材料有20#钢、304不锈钢等。假设我们初步选用20#钢管（GB/T 9948）。
3. **获取材料参数**：根据设计温度250℃（保守起见，按更高温度选材许用应力），查GB/T 150.2或材料标准，得到：
* 许用应力 `[σ]^t`：例如20#钢在250℃下的许用应力约为101MPa（具体数值需查最新标准）。
* 焊接接头系数 `φ`：根据焊缝检测等级确定，对于无缝钢管或100%探伤，可取1.0；有缝钢管则小于1.0。这里假设为无缝管，取1.0。
* 腐蚀裕量 `C2`：根据介质对材料的腐蚀速率和设计寿命确定。假设为1.5mm。
* 负偏差 `C1`：钢管壁厚的负公差，查钢管标准。例如，假设为壁厚的10%，但计算初期可先估算，最后校核。
### 第二步：按内压工况计算内管所需壁厚
这是常规的管道壁厚计算。
1. **计算公式**（GB/T 150.3 圆筒公式）：
`δ = (P * D_i) / (2 * [σ]^t * φ - P) + C`
其中：
* `δ`：计算壁厚 (mm)
* `P`：**内管设计压力**，0.35MPaG（表压），计算时需换算为绝对压力或直接使用表压值，公式通用。这里P=0.35 MPa。
* `D_i`：**内管的内直径** (mm)。这是你需要自己定的一个关键尺寸，比如假设为DN100的管，内径`D_i`=100mm。
* `[σ]^t`：在设计温度（**160℃**）下的许用应力。注意，**此处温度应取内管自身的设计温度160℃**。查得20#钢在160℃下许用应力约为108MPa。
* `φ`：焊接接头系数，取1.0。
* `C`：壁厚附加量，`C = C1 + C2`。C1负偏差待定，C2腐蚀裕量=1.5mm。
2. **试算过程**：
* 先忽略C1，将C2代入进行初步计算：`δ = (0.35 * 100) / (2 * 108 * 1.0 - 0.35) + 1.5 ≈ (35) / (216 - 0.35) + 1.5 ≈ 0.162 + 1.5 ≈ 1.66 mm`。
* 这个计算值很小，主要被腐蚀裕量占据。但根据工程经验，考虑到制造、刚性等要求，管道会有最小壁厚要求。对于DN100的碳钢管，SCH10S（约2.8mm）或SCH40（约4.0mm）可能是更实际的选择。我们初步假设选择壁厚为4.0mm的管子。
* **校核**：此时管子外径`D_o` = 100 + 4*2 = 108mm（假设为SCH40，实际外径114.3mm，壁厚4.5mm左右，这里仅为示例）。名义壁厚`δ_n`=4.0mm。查标准得负偏差C1（比如为0.4mm）。则有效壁厚`δ_e = δ_n - C1 - C2 = 4.0 - 0.4 - 1.5 = 2.1 mm`。用有效壁厚2.1mm反算其能承受的内压，远高于0.35MPa，**因此内压工况不是控制工况**。
### 第三步：按外压工况计算内管所需壁厚
这是夹套内管设计的重点。此时，内管承受的是**夹套的设计压力作为外压**。
1. **设计条件**：外压 `P_o = 1.0 MPa`，设计温度取**250℃**（夹套温度）。
2. **计算原理**：外压容器的计算主要是防止失稳（压瘪），而不是强度破坏。需要计算管子在1.0MPa外压下是否稳定。
3. **计算步骤**（简化版，详细需按GB/T 150.3外压图表法）：
* 假设一个内管壁厚`δ_n`，例如我们上面假设的4.0mm。
* 计算管子的`D_o / δ_e`比值（`D_o`为外径，`δ_e`为有效壁厚）。假设`D_o`=108mm，`δ_e`=2.1mm，则`D_o/δ_e = 108 / 2.1 ≈ 51.4`。
* 根据材料在250℃下的弹性模量`E`、`D_o/δ_e`值和外压`P_o`，查外压计算图表或采用公式计算许用外压`[P]`。
* **判定准则**：计算得到的许用外压`[P]`必须大于等于设计外压`P_o`（1.0MPa）。即 `[P] >= 1.0 MPa`。
4. **关键点**：对于`D_o/δ_e`较大的薄壁管，在1.0MPa的外压下很容易失稳。以上述参数（`D_o/δ_e=51.4`）进行粗略估算，其许用外压`[P]`很可能远低于1.0MPa。这意味着**4.0mm的壁厚很可能不够**。
5. **迭代设计**：你需要增加壁厚，重新计算`D_o`和`δ_e`，直到`[P]`大于等于1.0MPa。这个过程通常需要借助软件或查表完成。根据经验，对于DN100的管子承受1.0MPa外压，可能需要SCH80（约6.0mm）甚至更厚的管子。
### 第四步：确定最终壁厚
1. 比较第二步（内压计算）和第三步（外压计算）得到的要求壁厚。
2. 在这个案例中，**外压工况（1.0MPa）无疑是控制工况**。内压0.35MPa要求很低。
3. 因此，你需要根据外压计算的结果，选取一个标准管规（如SCH40, SCH80, SCH160），确保其有效壁厚`δ_e`能满足1.0MPa外压下的稳定性要求。
4. 最终，夹套内管的壁厚将由**外压稳定计算**决定，并向上圆整到最接近的标准管壁厚。
### 总结与建议
1. **设计流程**：确定材料及参数 → **按内压初算壁厚**（通常很小）→ **按外压校核/计算壁厚**（控制工况）→ 选择不小于计算厚度的标准管材。
2. **你的情况**：夹套压力（1.0MPa）远高于内管压力（0.35MPa），所以**必须重点进行外压稳定性校核**。你假设的管子壁厚很可能需要加厚。
3. **工具**：手动查图表计算外压比较繁琐，建议使用PV Elite、COMPRESS等压力容器计算软件，或至少使用有外压计算功能的Excel表格工具，进行快速迭代。
4. **其他考虑**：
* 夹套与内管的间隙：这会影响外压计算中的计算长度`L`。通常取夹套环向接头之间的间距或加强圈间距。
* 如果单靠增加壁厚不经济，可以考虑在夹套段的内管外部设置**加强圈**，这能显著提高其抗外压失稳的能力，是降低壁厚的有效手段。
* 别忘了最终对选定的管子，按内压公式复核其最大允许工作压力是否满足要求，这只是例行检查。
希望这个详细的拆解能帮助你完成设计。实际操作中，务必以最新标准的具体数值和公式为准。
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