低温管道的保冷设计_李珏

(1) 复合隔热层总厚度σ: D2 l n ( D2 / D1 ) = 2 [λ1 ( t1 - t0 ) +λ2 ( td - t1 ) ]/
α( ta - ts )
σ= 1/ 2 ( D2 - D0 ) (2) 内隔热层厚度σ1 : D2 ln ( D2 / D1 ) = 2λ1 ( t1 - t0 ) / [α( ta - ts ) ]
图 1 直管保冷结构 1 - 耐磨涂料 ;2 - 泡沫玻璃管壳 ;3 - 不锈钢带 ; 4 - 发泡性粘结剂 ;5 - 镀锌钢带 ; 6 - 聚氨酯泡沫 塑料管壳 ;7 - 石油沥青玛碲脂 3mm ;8 - 防潮玻璃布 ;
9 - 镀锌铁皮或薄铝板
2 保冷厚度的设计计算 2. 1 保冷计算方法
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 ,需针对不同的目的和条件选择 合适的保冷计算方法温管道 ; 双层异材保冷结构 ; 常压低温储运技术
在化工生产中 ,操作温度低于环境温度的管 道 ,需在管道外部覆盖保冷材料 ,以减少外部热量 向内部传入 ,且使外保护层的表面温度保持在露 点以上 ,不使其表面结露而采取的措施叫保冷 。
对低温运行管道进行保冷设计的主要目的 : (1) 减少管道及其组成件在输送过程中的冷 量损失 (每 m 裸管的散热损失与保冷管道的散热 损失相比相差几倍乃至几十倍) ,以降低能耗 (一 般冷价是热价的 6 倍) ; (2) 减少输送过程中介质温升 ,以利于系统的 良好运行 ; (3) 改善劳动条件 ,防止操作人员冻伤 ; (4) 防止管道及其组成件表面结露 。 为达到管道保冷目的 ,必须选择合适的保冷 材料及保冷厚度 。选择经济保冷材料有最重要的 两个技术指标 :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 。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 (以下简 称聚氨酯) 双层异材保冷结构 。泡沫玻璃具有容 重低 、不透湿 、不吸水 、不燃烧 、不霉变 、不受鼠啮 , 机械强度高且易于加工 ,有良好的耐低温性 (可用 于 - 196 ℃的低温环境) 等优点 ;聚氨酯 (使用温度 在 - 65 ℃以上) 具有容重低 、导热系数小 、有较好 的防潮性和阻燃性等优点 ,并且聚氨酯的材料价
安装保冷材料时 ,上块和下块的接缝 ,内层接 缝和外层接缝都必须错开 ,其中内 、外层的接缝错 开 100～150 mm ,水平管的最外层拼缝不能垂直 向上 ,这样既可避免雨水沿拼缝进入保冷层 ,又可 避免发生冷桥现象 ,有利于管道保冷 。拼缝间距 不超过 2 mm ,超过时需填塞保冷材料 ,并用胶密 封。
(3) 冷损量不超过规范允许的最大值 。当 ta - td ≤4. 5 时 ,保冷层外表面单位面积最大的允许 冷损失量[ Q ] = - ( ta - td ) ·α= 23. 6 ;
(4) 保冷层外表面温度需超过当地露点温度 至少 1～3 ℃。 2. 3 计算示例
以管道外表面温度为 - 104 ℃,管道公称直径 小于等于 250 的低温乙烯管道为例 ,说明双层异 材保冷结构厚度的计算中应注意的几点问题[4] 。
σ1 = 1/ 2 ( D1 - D0 ) (3) 外隔热层厚度σ2 : D2 ln ( D2 / D1 ) = 2λ2 ( td - t1 ) / [α( ta - ts ) ]
σ2 = 1/ 2 ( Dm0 - D0 ) (4) 管道外表面冷损失量计算公式 : Q = ( t0 - ta ) / [ D2 ln ( D1 / D0 ) / (2λ1 ) +
D2 l n ( D2 / D1 ) / (2λ2 ) + 1/α] (5) 隔热层外表面温度计算公式 :
ts = ta + q/α (6) 隔热层界面温度计算公式 : t1 = [λ1 t0 l n ( D2 / D1 ) +λ2 t2 l n ( D1 / D0 ) ]/
[λ1 l n ( D2 / D1 ) +λ2 l n ( D1 / D0 ) ] (1) ～ (5) 式中 :
保冷层的捆扎均为分层捆扎 。由于低温管道 的特殊性 ,内层的捆扎带采用不锈钢带 ,最外层采 用镀锌钢带 。捆扎带间距约 300 mm 。
由于管道和保冷材料的线涨系数不一 ,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 4 m 左右设置伸缩缝 ,各层的伸 缩缝需错开 ,错缝间距不大于 100 mm ,而且最外 层的伸缩缝外需再做一层保冷层 。 1. 3 防潮层
(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 。
本工程管道的保冷设计方案选用复合结构与 预制管壳结构相结合的方式 :泡沫玻璃内层 、聚氨 酯外层的双层异材保冷结构 ,泡沫玻璃及聚氨酯 均为预制管壳 。由于保冷材料是预制管壳 ,当单层 保冷层厚度超过 100mm 时 ,必须分为两层或多层 捆扎 ,而且被分层后的保冷材料的厚度要求基本 一致 。内 、外层的厚度值需经计算确定 ,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 。
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石油化工设计
第 26 卷
最大允许冷损量来计算保冷层厚度 。计算出的保 冷层厚度还需用表面温度法进行核算 ,以保证外 保护层的温度高于露点 。 2. 1. 3 经济厚度计算法
为减少冷损并获得最经济效果 ,采用经济厚 度计算法 ,但是由于不同地区 、不同企业的具体情 况 ,燃料价格 、电价乃至工程费用的贷款利率等均 会对冷能价格造成影响 ,不利于设计人员计算管 道的保冷厚度 ,因此该计算方法的使用有一定局 限性 。
格要低于泡沫玻璃 。综合二者特点 ,使用双层异 材保冷结构 , 内层采用泡沫玻璃 , 利用其耐低温 性 、外层采用聚氨酯 ,利用其导热系数低和成本低 的特点 ,可以节约投资 。本文结合 2005 年 12 月 投产 、运行良好的浙江嘉兴三江化工有限公司低 温乙烯贮罐及配套工程实例 ,探讨采用这种保冷 结构的设计 、施工的注意事项 。
管道直径小于等于 1 000 mm 时 ,管道保冷计 算按圆筒面计算 ;而对于管道直径大于 1 000 mm 的管道 ,保冷计算时按平面计算[2] 。
在石油化工装置中 ,管道保冷最常用的计算 方法是圆筒面表面温度计算法 。 2. 2 保冷材料的选择
采用泡沫玻璃和聚氨酯双层异材保冷结构 , 要求设计人员熟悉相关标准规范及这两种材料的 技术指标 ,在满足工艺运行的前提下 ,正确地计算 出每层保冷材料的厚度 。对于双层异材保冷结构 需注意以下几方面 :
防潮层的主要作用是防止雨水 、空气中的水 气进入保冷层 ,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 , 同时也增加了冷量损失 。和保温层不同的是 ,保 冷层外的防潮层 ,不得采用铁丝 、钢带等硬质捆扎 件 ,以免刺破防潮层 。本装置采用了石油沥青玛碲
脂加玻璃布的结构 ,在聚氨酯外表面涂抹一层 3 mm 厚的玛碲脂 ,玻璃布搭接缠绕 ,玻璃布外层再 涂抹 3 mm 厚的玛碲脂 。 1. 4 保护层
·℃) ; λ2 ———聚 氨 酯 导 热 系 数 , 0. 0275 W/ ( m
·℃) ; D0 ———管道外径 ,m ; D1 ———泡沫玻璃管壳外径 ,m ,由计算得出 ; D2 ———聚氨酯管壳外径 ,m ,由计算得出 。 注 :保冷材料的导热系数选用规范推荐数值 , 并考虑低温运行时温度对导热系数的影响 ,气象 条件采用当地的气象参数 。 以 DN250 (<273mm) 的液相乙烯管道为例 ,讨
ts ———聚氨酯外 表面 温 度 , 需 > 30. 9 + 1 = 311 9 ℃;
t1 ———泡沫玻璃外表面温度 , 需 > 0. 9 ×( 65) = - 581 5 ℃;
α———表面放热系数 ,8. 141 W/ ( m2 ·℃) ; λ1 ———泡 沫 玻 璃 导 热 系 数 , 0. 052 W/ ( m
1 保冷结构的选择 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 、保护层 。 1. 1 防锈层
对碳钢 、铸铁 、铁素体合金钢等材质的管道 , 需清除其表面的铁锈 、油脂及污垢后 ,涂刷两道冷 底子油 。本工程中 ,输送液相低温乙烯的管道材 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 20μg/ g 的要求 ,以免不锈钢管道腐蚀 。 1. 2 保冷层
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 ,延长隔热结构的寿命 。因为本工程 的保冷层是硬质管壳结构 ,所以用 0. 5mm 的铝板 做保护层 。现场施工时 , 铝板质地较软 , 便于弯 曲 ,适用于本工程采用的双层异材保冷结构的防 护层 。软质的绝热结构一般宜采用镀锌钢板做保 护层 。为避免破坏里面的防潮层 ,本装置的保护层 接缝施工采用了咬合结构 ,而不是常见的自攻螺 丝固定形式 。双层保冷的直管结构见图 1 。
(1) 保冷材料的最小厚度 ,对泡沫玻璃而言 , 受其加工工艺的限制 ,最小厚度一般为 60 mm ,若 小于 60 mm ,其机械强度难以保证 ;
(2) 双层异材隔热层界面处的温度需高于外 层隔热材料的安全使用温度的 0. 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 度不低于 0. 9 ×( - 65) ℃= - 58. 5 ℃[3] ;
Q ———以每平方米绝热层外表面积表示的冷 损失量 ,W/ m2 ,由计算得出 ;
t0 ———管道外表面温度 , 低温乙烯管道无衬 里 ,取介质操作温度 - 104 ℃;