低温管道的保冷设计

低温管道的保冷设计2009-07-03李珏(南京扬子石油化工设计工程有限责任公司南京2lO048)摘要：结合工程实例，介绍了双层异材保冷结构的设计、安装及施工过程中的注意事项。指出保冷材料的性能及保冷层的厚度关系到低温管道的保冷效果，选择保冷材料时应着重考虑材料导热系数及材料密度。关键词：低温管道双层异材保冷结构低温贮运装置在化工生产中，对低温管道进行保冷设计的主要目的是减少管道及其组成件在输送过程中的冷量损失，以降低能耗；减少输送过程中介质温升，以利于系统的良好运行；改善劳动条件，防止操作人员冻伤。目前，国内的石化装置低温管道通常使用泡沫玻璃和硬质聚氨酯泡沫塑料(简称聚氨酯)双层异材保冷结构。泡沫玻璃机械强度高，易于加工，有良好的耐低温性(可用于-196℃的低温环境)；聚氨酯导热系数小，有较好的防潮性和阻燃性并且价格低于泡沫玻璃。内层采用泡沫玻璃、外层采用聚氨酯的双层异材保冷结构综合了两种材料的优势，具有保证低温贮运装置安全运行及节约投资的特点。本工作介绍了双层异材保冷结构的设计及在低温乙烯贮存装置及配套工程中的应用情况。1低温管道的保冷结构低温管道的保冷结构由内至外依次为防锈层、保冷层、防潮层和保护层。1.1防锈层采用碳钢、铸铁、铁素体合金钢等材质的管道，清除其表面的铁锈、油脂及污垢后，需涂刷两道冷底子油。低温乙烯贮存装置中，输送乙烯的管道材质为奥氏体不锈钢，因此不需涂刷防锈漆，但要求与管道接触的耐磨材料和泡沫玻璃中Cl-含量不能超过国家相关标准规范的要求，以免不锈钢管道腐蚀。1.2保冷层根据保冷层结构形式和安装方法的不同，常用的保冷层结构有以下几种：(1)胶泥涂抹结构一般用于小型设备、外形复杂的构件或临时性保冷，现已较少使用。(2)包扎结构利用毡、席、带等的半成品绝热材料，在现场剪成所需要的尺寸，然后包扎在管道上。常用的材料包括矿渣棉毡、玻璃棉毡、超细玻璃棉以及石棉布。(3)复合结构里层材料耐较低低温，外层材料耐较高低温，既满足保冷要求，又可以减轻保冷层的重量，适用于较低温度(-50℃以下)的管道保冷。(4)浇灌式结构将发泡材料灌入现场预制的模壳中，发泡后成为保冷层。低温乙烯贮存装置低温阀门、法兰的保冷采用了聚氨酯现场发泡技术。(5)预制管壳结构按照设计要求，将保冷材料预制成硬质的定型制品，施工时直接将定型制品用不锈钢带捆扎在管道上。该方法便于施工，同时可以保证施工质量。低温乙烯贮存装置低温管道采用的是复合结构与预制管壳结构相结合的保冷设计方案。由于该装置的保冷层采用了预制管壳结构，因此当单层保冷层厚度超过100mm时，必须分为两层或多层捆扎，分层后的保冷材料的厚度要基本一致。计算内、外保冷层厚度时，既要满足保冷要求，又要使泡沫玻璃和聚氨酯界面处的温度不超过聚氨酯安全使用温度的0.9倍。保冷层的捆扎均为分层捆扎，内层采用不锈钢带捆扎，最外层采用镀锌钢带，捆扎带间距为300mm左右。为了避免雨水沿拼缝进入保冷层影响保冷效果，安装保冷材料时上块和下块的接缝，内层和外层的接缝都必须错开。其中内、外层的按缝应错开100～150mm，拼缝间距不得超过2mm(超过时需填塞保冷材料并用胶密封)，而且水平管的最外层拼缝不能垂直向上。由于管道和保冷材料的线涨系数不同，为避免在低温运行时两者摩擦而破坏保冷结构，要求每层保冷材料每隔4m左右设置伸缩缝，各层的伸缩缝需错开，错缝间距不大于100mm，而且最外层的伸缩缝外需再做一层保冷层。1.3防潮层防潮层的主要作用是防止雨水、空气中的水气进入保冷层。雨水、空气中的水气会导致保冷层的导热系数急剧增加，使保冷材料变软、腐烂，破坏绝热结构的完整性，增加冷量损失。因此，防潮层不得采用铁丝、钢带等硬质捆扎件。低温乙烯贮存装置的防潮层采用石油沥青玛碲脂加玻璃布的结构，在聚氨酯外表面涂抹一层3mm厚的玛碲脂，玻璃布搭接缠绕，玻璃布外层再涂抹3mm厚的玛碲脂。1.4保护层保护层是保冷结构的最外一层，它起到保护保冷层及防潮层的作用，以阻挡环境和外力对保冷层的影响，延长隔热材料的寿命。因为该装置的保冷层采用厂预制管壳结构，所以用0.5mm的铝板做保护层。软质的绝热结构，一般宜采用镀锌钢板做保护层。为了避免破坏防潮层，现场施工时保护层的接缝采用了咬合结构，而不是常见的自攻螺丝固定形式。2低温管道保冷层厚度的计算2.1计算方法保冷层的厚度直接影响管道的保冷效果乃至装置的平稳运行，需根据保冷目的和限制条件选择合适的计算方法。保冷层厚度的计算方法有表面温度法、最大允许冷损法和经济厚度法。经济厚度计算法受多方面因素的影响，因此使用有一定的局限性。管道直径小于或等于1000mm时，保冷层的厚度按圆筒面计算；大于1000mm时，保冷层的厚度按平面计算。在石油化工装置中，管道保冷层厚度最常用的计算方法是圆筒面表面温度法。2.2保冷材料的选择为达到保冷目的，必须选择合适的保冷厚度及保冷材料。选择保冷材料有2个重要的技术指标：一是导热系数，因为导热系数与管道的热损失成正比，当有多种保冷材料可以选择时，材料的导热系数与其单位体积价格的乘积越小则越经济；二是密度，通常材料密度越小，其导热系数越小。此外，材料的机械强度、适用温度、阻燃性等也是正确选择保冷材料需要考虑的因素。采用泡沫玻璃和聚氨酯双层异材保冷结构时，需注意以下问题：(l)保冷材料的最小厚度。对泡沫玻璃而言，最小厚度一般为60mm，否则机械强度难以保证。(2)双层异材隔热层界面处的温度应高于外层隔热材料安全使用温度的O.9倍，否则需重新调整内外层厚度。当外层为聚氨酯时，界面处温度应不低于-58.5℃。(3)冷损量不超过标准允许的最大值。当环境温度与当地气象条件下最热月露点温度之差小于或等于4.5℃时，保冷层外表面单位面积最大的允许冷损量为23.6W/m2。(4)保冷层的外表面温度应超过当地露点温度至少1～3℃。2.3计算示例以管道外表面温度为-104℃的低温乙烯管道(DN≤250)为例，计算复合隔热层总厚度(σ)及内隔热层厚度(σ1)，保冷层厚度以10mm为单位进行圆整σ计算公式如下：式中，D2为聚氨酯管壳外径，m；D0为管道外径,0.273m；α为表面放热系数，8.141W/(m2·℃)；λ1为泡沬玻璃导热系数，0.052W/(m·℃)；λ2为聚氨酯导热系数，0.0275W/(m·℃)；tl为隔热层夹层温度，需大于-58.5℃；t0为管道外表面温度，取介质操作温度-104℃；td为当地气象条件下最热月露点温度，浙江嘉兴为30.9℃；ta为环境温度(夏季空调室外计算干球温度)，33.8℃；ts为隔热层的外表面温度，需大于31.9℃；D1为泡沫玻璃的管壳外径，m；σ、σ1的单位均为mm。已知D0等于0.273m，根据上述公式求出D2为O.68l6m，D1为0.4276m。将D1、D2代入公式(2)和(4)，求出σ等于204.3mm(圆整至210mm)，σ1等于77.3mm(圆整至80mm)。将上述结果分别带入管道外表面冷损失量(Q)，ts及t1计算公式：求出|Q|等于15.106W/m2，ts等于31.94℃，t1等于-57.57℃。依此类推，计算出不同直径的低温乙烯管道的保冷层厚度(见表1)。表1低溫乙烯管道的保冷层厚度2.4计算结果分析由表1可知：(1)序号1～5的计算结果，虽然理论上可以通过减少内层泡沫玻璃厚度、增加外层聚氨酯厚度的方法达到保冷效果并降低投资额，但是当泡沫玻璃的厚度小于60mm时，其脆性较大，不利于材料的制作及施工。所以，在计算保冷层厚度时，首先应取内层泡沫玻璃的最小厚度为60mm，然后再计算外层聚氨酯的厚度。(2)分析序号6，7的计算结果，发现随着管道外径的增加，泡沫玻璃与聚氨酯之间的温度不断降低，当该夹层的温度低于-58.5℃时，就要通过增加内层泡沫玻璃的厚度来提高两种保冷材料间的温度，否则在长时间低温下，外层聚氨酯易发生冷脆现象，破坏保冷层，影响保冷效果。(3)采用双层异材保冷结构的低温乙烯管道(DN≤250)的保冷层总厚度为210mm，而单独采用泡沫玻璃作为保冷材料时，管道的保冷厚度需270mm才能满足设计要求，不仅增加了投资，也使管道间距和装置占地受到影响。3结语采用双层异材保冷结构设计时，应根据管径及保冷层厚度的不同，分类统计出泡沫玻璃及聚氨酯的长度，这样便于采购管壳形式的泡沫玻璃及聚氨酯，以缩短施工时间、降低造价并便于检查、维修。施工过程中，各保冷层的连接、伸缩缝及管托的设置应严格执行设计文件的规定。低温乙烯贮罐及配套工程投入运行后，保冷管道运行正常，各项指标均满足设计要求。