低溫管道的保冷設(shè)計

發(fā)布于：02-11

李?玨



(南京揚子石油化工設(shè)計工程有限責(zé)任公司?南京?2lO048)



摘?要：結(jié)合工程實例，介紹了雙層異材保冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計、安裝及施工過程中的注意事項。指出保冷材料的性能及保冷層的厚度關(guān)系到低溫管道的保冷效果，選擇保冷材料時應(yīng)著重考慮材料導(dǎo)熱系數(shù)及材料密度。



關(guān)鍵詞：低溫管道?雙層異材保冷結(jié)構(gòu)?低溫貯運裝置



在化工生產(chǎn)中，對低溫管道進(jìn)行保冷設(shè)計的主要目的是減少管道及其組成件在輸送過程中的冷量損失，以降低能耗；減少輸送過程中介質(zhì)溫升，以利于系統(tǒng)的良好運行；改善勞動條件，防止操作人員凍傷。目前，國內(nèi)的石化裝置低溫管道通常使用泡沫玻璃和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(簡稱聚氨酯)雙層異材保冷結(jié)構(gòu)。泡沫玻璃機械強度高，易于加工，有良好的耐低溫性(可用于-196℃的低溫環(huán)境)；聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)小，有較好的防潮性和阻燃性并且價格低于泡沫玻璃。內(nèi)層采用泡沫玻璃、外層采用聚氨酯的雙層異材保冷結(jié)構(gòu)綜合了兩種材料的優(yōu)勢，具有保證低溫貯運裝置安全運行及節(jié)約投資的特點。



本工作介紹了雙層異材保冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計及在低溫乙烯貯存裝置及配套工程中的應(yīng)用情況。



1?低溫管道的保冷結(jié)構(gòu)



低溫管道的保冷結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外依次為防銹層、保冷層、防潮層和保護(hù)層。



1.1?防銹層



采用碳鋼、鑄鐵、鐵素體合金鋼等材質(zhì)的管道，清除其表面的鐵銹、油脂及污垢后，需涂刷兩道冷底子油。低溫乙烯貯存裝置中，輸送乙烯的管道材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，因此不需涂刷防銹漆，但要求與管道接觸的耐磨材料和泡沫玻璃中Cl^-含量不能超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，以免不銹鋼管道腐蝕。



1.2?保冷層



根據(jù)保冷層結(jié)構(gòu)形式和安裝方法的不同，常用的保冷層結(jié)構(gòu)有以下幾種：



(1)膠泥涂抹結(jié)構(gòu)



?一般用于小型設(shè)備、外形復(fù)雜的構(gòu)件或臨時性保冷，現(xiàn)已較少使用。



(2)包扎結(jié)構(gòu)



利用氈、席、帶等的半成品絕熱材料，在現(xiàn)場剪成所需要的尺寸，然后包扎在管道上。



常用的材料包括礦渣棉氈、玻璃棉氈、超細(xì)玻璃棉以及石棉布。



(3)復(fù)合結(jié)構(gòu)



里層材料耐較低低溫，外層材料耐較高低溫，既滿足保冷要求，又可以減輕保冷層的重量，適用于較低溫度(-50℃以下)的管道保冷。



(4)澆灌式結(jié)構(gòu)



將發(fā)泡材料灌入現(xiàn)場預(yù)制的模殼中，發(fā)泡后成為保冷層。低溫乙烯貯存裝置低溫閥門、法蘭的保冷采用了聚氨酯現(xiàn)場發(fā)泡技術(shù)。



(5)預(yù)制管殼結(jié)構(gòu)



按照設(shè)計要求，將保冷材料預(yù)制成硬質(zhì)的定型制品，施工時直接將定型制品用不銹鋼帶捆扎在管道上。該方法便于施工，同時可以保證施工質(zhì)量。低溫乙烯貯存裝置低溫管道采用的是復(fù)合結(jié)構(gòu)與預(yù)制管殼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的保冷設(shè)計方案。



由于該裝置的保冷層采用了預(yù)制管殼結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)單層保冷層厚度超過100mm時，必須分為兩層或多層捆扎，分層后的保冷材料的厚度要基本一致。計算內(nèi)、外保冷層厚度時，既要滿足保冷要求，又要使泡沫玻璃和聚氨酯界面處的溫度不超過聚氨酯安全使用溫度的0.9倍。保冷層的捆扎均為分層捆扎，內(nèi)層采用不銹鋼帶捆扎，最外層采用鍍鋅鋼帶，捆扎帶間距為300mm左右。



為了避免雨水沿拼縫進(jìn)入保冷層影響保冷效果，安裝保冷材料時上塊和下塊的接縫，內(nèi)層和外層的接縫都必須錯開。其中內(nèi)、外層的按縫應(yīng)錯開100～150mm，拼縫間距不得超過2mm(超過時需填塞保冷材料并用膠密封)，而且水平管的最外層拼縫不能垂直向上。



由于管道和保冷材料的線漲系數(shù)不同，為避免在低溫運行時兩者摩擦而破壞保冷結(jié)構(gòu)，要求每層保冷材料每隔4m左右設(shè)置伸縮縫，各層的伸縮縫需錯開，錯縫間距不大于100mm，而且最外層的伸縮縫外需再做一層保冷層。



1.3?防潮層



防潮層的主要作用是防止雨水、空氣中的水氣進(jìn)入保冷層。雨水、空氣中的水氣會導(dǎo)致保冷層的導(dǎo)熱系數(shù)急劇增加，使保冷材料變軟、腐爛，破壞絕熱結(jié)構(gòu)的完整性，增加冷量損失。因此，防潮層不得采用鐵絲、鋼帶等硬質(zhì)捆扎件。



低溫乙烯貯存裝置的防潮層采用石油瀝青瑪碲脂加玻璃布的結(jié)構(gòu)，在聚氨酯外表面涂抹一層3mm厚的瑪碲脂，玻璃布搭接纏繞，玻璃布外層再涂抹3mm厚的瑪碲脂。



1.4?保護(hù)層



保護(hù)層是保冷結(jié)構(gòu)的最外一層，它起到保護(hù)保冷層及防潮層的作用，以阻擋環(huán)境和外力對保冷層的影響，延長隔熱材料的壽命。因為該裝置的保冷層采用廠預(yù)制管殼結(jié)構(gòu)，所以用0.5mm的鋁板做保護(hù)層。軟質(zhì)的絕熱結(jié)構(gòu)，一般宜采用鍍鋅鋼板做保護(hù)層。為了避免破壞防潮層，現(xiàn)場施工時保護(hù)層的接縫采用了咬合結(jié)構(gòu)，而不是常見的自攻螺絲固定形式。



2?低溫管道保冷層厚度的計算



2.1?計算方法



保冷層的厚度直接影響管道的保冷效果乃至裝置的平穩(wěn)運行，需根據(jù)保冷目的和限制條件選擇合適的計算方法。保冷層厚度的計算方法有表面溫度法、最大允許冷損法和經(jīng)濟厚度法。經(jīng)濟厚度計算法受多方面因素的影響，因此使用有一定的局限性。



管道直徑小于或等于1000mm時，保冷層的厚度按圓筒面計算；大于1000mm時，保冷層的



厚度按平面計算。在石油化工裝置中，管道保冷層厚度最常用的計算方法是圓筒面表面溫度法。



2.2?保冷材料的選擇



為達(dá)到保冷目的，必須選擇合適的保冷厚度及保冷材料。選擇保冷材料有2個重要的技術(shù)指標(biāo)：一是導(dǎo)熱系數(shù)，因為導(dǎo)熱系數(shù)與管道的熱損失成正比，當(dāng)有多種保冷材料可以選擇時，材料的導(dǎo)熱系數(shù)與其單位體積價格的乘積越小則越經(jīng)濟；二是密度，通常材料密度越小，其導(dǎo)熱系數(shù)越小。此外，材料的機械強度、適用溫度、阻燃性等也是正確選擇保冷材料需要考慮的因素。



采用泡沫玻璃和聚氨酯雙層異材保冷結(jié)構(gòu)時，需注意以下問題：



(l)保冷材料的最小厚度。對泡沫玻璃而言，最小厚度一般為60mm，否則機械強度難以保證。



(2)雙層異材隔熱層界面處的溫度應(yīng)高于外層隔熱材料安全使用溫度的O.9倍，否則需重新調(diào)整內(nèi)外層厚度。當(dāng)外層為聚氨酯時，界面處溫度應(yīng)不低于-58.5℃。



(3)冷損量不超過標(biāo)準(zhǔn)允許的最大值。當(dāng)環(huán)境溫度與當(dāng)?shù)貧庀髼l件下最熱月露點溫度之差小于或等于4.5℃時，保冷層外表面單位面積最大的允許冷損量為23.6W/m²。



(4)保冷層的外表面溫度應(yīng)超過當(dāng)?shù)芈饵c溫度至少1～3℃。



2.3?計算示例



以管道外表面溫度為-104℃的低溫乙烯管道(DN≤250)為例，計算復(fù)合隔熱層總厚度(σ)及內(nèi)隔熱層厚度(σ₁)，保冷層厚度以10mm為單位進(jìn)行圓整σ計算公式如下：







式中，D₂為聚氨酯管殼外徑，m；D₀為管道外徑,0.273m；α為表面放熱系數(shù)，8.141W/(m²·℃)；λ₁為泡沬玻璃導(dǎo)熱系數(shù)，0.052W/(m·℃)；λ₂為聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)，0.0275W/(m·℃)；t_l為隔熱層夾層溫度，需大于-58.5℃；t₀為管道外表面溫度，取介質(zhì)操作溫度-104℃；t_d為當(dāng)?shù)貧庀髼l件下最熱月露點溫度，浙江嘉興為30.9℃；t_a為環(huán)境溫度(夏季空調(diào)室外計算干球溫度)，33.8℃；t_s為隔熱層的外表面溫度，需大于31.9℃；D₁為泡沫玻璃的管殼外徑，m；σ、σ₁的單位均為mm。



已知D₀等于0.273m，根據(jù)上述公式求出D₂為O.68l6m，D₁為0.4276m。將D₁、D₂代入公式(2)和(4)，求出σ等于204.3mm(圓整至210mm)，σ₁等于77.3mm(圓整至80mm)。



將上述結(jié)果分別帶入管道外表面冷損失量(Q)，t_s及t₁計算公式：



?



求出|Q?|等于15.106W/m²，t_s等于31.94℃，t₁等于-57.57℃。依此類推，計算出不同直徑的低溫乙烯管道的保冷層厚度(見表1)。



表1?低溫乙烯管道的保冷層厚度







2.4?計算結(jié)果分析



由表1可知：



(1)序號1～5的計算結(jié)果，雖然理論上可以通過減少內(nèi)層泡沫玻璃厚度、增加外層聚氨酯厚度的方法達(dá)到保冷效果并降低投資額，但是當(dāng)泡沫玻璃的厚度小于60mm時，其脆性較大，不利于材料的制作及施工。所以，在計算保冷層厚度時，首先應(yīng)取內(nèi)層泡沫玻璃的最小厚度為60mm，然后再計算外層聚氨酯的厚度。



(2)分析序號6，7的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著管道外徑的增加，泡沫玻璃與聚氨酯之間的溫度不斷降低，當(dāng)該夾層的溫度低于-58.5℃時，就要通過增加內(nèi)層泡沫玻璃的厚度來提高兩種保冷材料間的溫度，否則在長時間低溫下，外層聚氨酯易發(fā)生冷脆現(xiàn)象，破壞保冷層，影響保冷效果。



(3)采用雙層異材保冷結(jié)構(gòu)的低溫乙烯管道(DN≤250)的保冷層總厚度為210mm，而單獨采用泡沫玻璃作為保冷材料時，管道的保冷厚度需270mm才能滿足設(shè)計要求，不僅增加了投資，也使管道間距和裝置占地受到影響。



3?結(jié)語



采用雙層異材保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)管徑及保冷層厚度的不同，分類統(tǒng)計出泡沫玻璃及聚氨酯的長度，這樣便于采購管殼形式的泡沫玻璃及聚氨酯，以縮短施工時間、降低造價并便于檢查、維修。施工過程中，各保冷層的連接、伸縮縫及管托的設(shè)置應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計文件的規(guī)定。低溫乙烯貯罐及配套工程投入運行后，保冷管道運行正常，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。