陳玨伶，付現(xiàn)橋，王珍峰，劉志田，賈光猛，付立欣，郭 旭，趙清娜

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062522； 2. 華北石油管理局橡膠制品廠(chǎng)，河北 任丘 062522）

LNG管道復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)保冷厚度的計(jì)算與討論

陳玨伶1，付現(xiàn)橋1，王珍峰2，劉志田1，賈光猛1，付立欣1，郭 旭1，趙清娜1

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062522； 2. 華北石油管理局橡膠制品廠(chǎng)，河北 任丘 062522）

闡述了最大冷損失法對(duì)兩種保冷材料的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)厚度的計(jì)算方法，討論了復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇。結(jié)果表明，內(nèi)層絕熱層外表面溫度T1的取值影響復(fù)合結(jié)構(gòu)保冷層的總厚度和分層厚度。通過(guò)實(shí)例計(jì)算，采用最大允許冷損失法計(jì)算結(jié)果經(jīng)校核結(jié)果滿(mǎn)足要求。

復(fù)合結(jié)構(gòu)保冷計(jì)算；LNG管道；保冷厚度；最大允許冷損失法

液化天然氣(LNG)，作為清潔能源，廣泛受到關(guān)注[1]。在LNG工程低溫輸送管道設(shè)計(jì)中，保冷材料的選擇、保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和保冷層厚度計(jì)算十分重要。

常用的保冷材料性能見(jiàn) GB 50264-2013 表A.0.2的內(nèi)容[2]。可見(jiàn)，用于深冷管道的保冷材料可選用聚異氰脲酸酯（PIR）和泡沫玻璃(CG或FG)，這兩種材料都是比較理想的保冷材料。對(duì)于這兩種保冷材料，PIR優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)低，保冷效果好，有一定柔軟性，可承受管道的輕微抖動(dòng)；缺點(diǎn)是吸水率稍高，防火等級(jí)一般只能達(dá)到B1級(jí)，會(huì)老化。CG優(yōu)點(diǎn)是吸水率很低，透濕率低，不易老化，在低溫下穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，完全不燃；缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較PIR高，因此厚度增大。

保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用一種材料的保冷結(jié)構(gòu)，或采用兩種材料組合的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)。如PIR和CG兩種保冷材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)為最外層采用 CG，里面采用一層或多層PIR。由于復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷性能、經(jīng)濟(jì)性能以及安全性較好，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的工程項(xiàng)目采用這種復(fù)合結(jié)構(gòu)。

關(guān)于保冷厚度的計(jì)算，杜義朋等人研究了迭代法計(jì)算制冷管道保冷層經(jīng)濟(jì)厚度，推導(dǎo)了計(jì)算單一保冷材料保冷層經(jīng)濟(jì)厚度的迭代公式，通過(guò)實(shí)例分析及對(duì)比得出保冷層的經(jīng)濟(jì)厚度[3]；張?jiān)蚂o等人研究了 LPG低溫管道單一保冷材料經(jīng)濟(jì)保冷厚度的計(jì)算，建立了計(jì)算保冷層厚度的數(shù)學(xué)模型，對(duì)該模型進(jìn)行了求解分析，幵編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，輔以實(shí)例說(shuō)明該程序的正確性[4]；孫佳燕研究了凍結(jié)站氨制冷系統(tǒng)橡塑海綿保冷材料及其厚度計(jì)算，幵進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較[5]；尤海英研究了適用于LNG長(zhǎng)距離管道輸送、幵限定LNG低溫管道末端的單一保冷材料的保冷層厚度的計(jì)算方法，同時(shí)建立了計(jì)算保冷層厚度的模型，幵對(duì)該模型進(jìn)行了分析求解[6]；謝剛等人研究了 LNG管路單一保冷材料的保冷厚度的計(jì)算，推薦控制冷損失量的計(jì)算方法是確定保冷層厚度的最佳計(jì)算方法[7]。文獻(xiàn)報(bào)道的計(jì)算方法主要是針對(duì)采用一種保冷材料的厚度計(jì)算，而現(xiàn)在越來(lái)越多的LNG工程項(xiàng)目采用復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)，保冷總厚度及每種保冷材料厚度的計(jì)算研究較少。因此，

本文對(duì)兩種保冷材料的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了保冷厚度計(jì)算幵進(jìn)行討論。

1 保冷計(jì)算方法

目前，國(guó)內(nèi)計(jì)算保冷層厚度的標(biāo)準(zhǔn)主要有《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50264-2013）、《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（ GB/T 8175-2008）、《石油化工設(shè)備和管道隔熱技術(shù)規(guī)范》（ SH 3010-2000）。這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于保冷計(jì)算的方法大致相同，本文根據(jù)2013年新發(fā)行的《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50264-2013）進(jìn)行計(jì)算。GB 50264-2013規(guī)定，當(dāng)無(wú)特殊要求時(shí)，保冷層厚度應(yīng)采用最大允許冷損失法進(jìn)行保冷計(jì)算，計(jì)算公式如下。

（1）一種絕熱材料單層保冷層厚度計(jì)算公式

（2）兩種材料雙層或多層保冷厚度計(jì)算公式

當(dāng)Ta－Td≤4.5時(shí)：

當(dāng)Ta－Td＞4.5時(shí)：

式中：δ—外層保冷層層厚度，m；

δ1—內(nèi)層保冷層層厚度，m；

δ2—外層保冷層層厚度，m；

D1—單層絕熱層的外徑或內(nèi)層層外徑，m；

D2—外層層外徑，m；

D0—管道或設(shè)備外徑，m；

K—保冷層厚度修正系數(shù)；

λ1—內(nèi)層絕熱材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K) ；

λ2—外層絕熱材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)；

T0—管道或設(shè)備的外表面溫度，℃；

Ta—環(huán)境溫度，℃；

T1—內(nèi)層絕熱層外表面溫度，℃；

αs—絕熱層外表面與周?chē)諝獾膿Q熱系數(shù)，W/(m2?K）；

[Q] —以每平方米絕熱層外表面積為單位的最大允許冷損失量，W/m2。

通過(guò)以上公式可以看出，當(dāng)λ1=λ2時(shí)，公式（1）和公式（5）相同。這也說(shuō)明，兩種保冷材料復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷層總厚度，是這兩種保冷材料單獨(dú)作為保冷層時(shí)厚度的綜合。另外，T1的取值會(huì)影響兩種保冷材料的保冷層總厚度。

2 保冷參數(shù)選擇

保冷計(jì)算應(yīng)根據(jù)工藝要求確定保冷參數(shù)。采用最大允許冷損失法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，參數(shù)選擇如下。

（1）T0—管道或設(shè)備的外表面溫度

保冷計(jì)算時(shí)，T0應(yīng)取為介質(zhì)的最低操作溫度。

（2）Ta—環(huán)境溫度

Ta應(yīng)取夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度，可根據(jù)GB50264附錄C.0.1或氣象資料確定。

（3）T1—內(nèi)層絕熱層外表面溫度

復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的不同材料界面處以攝氏度計(jì)的溫度T1的絕對(duì)值應(yīng)小于或等于外層保冷材料的推薦使用溫度下限值絕對(duì)值的0.9倍。有熱介質(zhì)掃線(xiàn)要求的保冷結(jié)構(gòu)，其界面溫度尚不得超過(guò)保冷材料的推薦使用溫度上限值的0.9倍。

（4）αs—絕熱層外表面與周?chē)諝獾膿Q熱系數(shù)

允許冷損失量的厚度計(jì)算中，αs應(yīng)取值為8.141 W/(m2?K)。

（5）[Q]—以每平方米絕熱層外表面積為單位的最大允許冷損失量

最大允許冷損失量根據(jù)GB 50264-2013標(biāo)準(zhǔn)第5.4章節(jié)計(jì)算獲得，即本文的公式（7）和（8）。

3 管道復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)保冷厚度計(jì)算

根據(jù)某工程的工程概況，對(duì)兩種保冷材料的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，本文以常用的且性能較好的兩種保冷材料——PIR和CG組成的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)為例，對(duì)以PIR為內(nèi)層，CG為外層的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷厚度進(jìn)行計(jì)算幵討論。

3.1 保冷工程概況及參數(shù)

某LNG項(xiàng)目，建于山西境內(nèi)，其夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度為31 ℃，露點(diǎn)溫度為24 ℃，管內(nèi)介質(zhì)溫度T0=-166 ℃，管道外徑D0為0.100 m、0.250 m、0.500 m。內(nèi)層為PIR，外層為CG，其平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)λ1和λ2根據(jù)方程式（9）和（10）確定。

其中，λ0為常用導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Tm為

平均溫度。經(jīng)計(jì)算在上述工程條件下 λ1=0.021 W/(m·K)，λ2=0.034 W/(m·K)。由于Ta－Td＞4.5，因此[Q]=－4.5αs=－36.635 W/m2。

3.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)保冷計(jì)算及討論

復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷層的總厚度和每種材料的厚度的計(jì)算是根據(jù)公式（3）～（6）進(jìn)行計(jì)算。PIR和CG的導(dǎo)熱系數(shù)不一樣，采用一種保冷材料的保冷層厚度必然不同，由于PIR的導(dǎo)熱系數(shù)小于CG，相同情況下采用 PIR的保冷層厚度薄。根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

相同條件下，采用PIR為內(nèi)層、CG為外層的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷層總厚度δ復(fù)合應(yīng)滿(mǎn)足：δPIR＜δ復(fù)合＜δCG。同時(shí)，δ復(fù)合的值由于公式（5）中 T1值的不同而不同。由分析可得，T1值越接近T0，其復(fù)合結(jié)構(gòu)總厚度δ復(fù)合越接近δCG的值，當(dāng)T1=T0時(shí)，δ復(fù)合=δCG；T1值越接近Ta，其復(fù)合結(jié)構(gòu)總厚度δ復(fù)合越接近δPIR的值，當(dāng)T1= T0時(shí)，δ復(fù)合=δPIR。因此，需要對(duì)T1的取值進(jìn)行討論。

表1 單一保冷材料保冷厚度計(jì)算結(jié)果Table 1 Insulation thickness of single cold insulation materials

對(duì)T1取不同值進(jìn)行討論。根據(jù)公式（3）～（6）計(jì)算PIR和CG組成的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷厚度，T1取不同值時(shí)的結(jié)果見(jiàn)表2。表2中的厚度值為未乘系數(shù)K的保冷層厚度值。

由表2可知：

（1） 表2中的計(jì)算結(jié)果也證明了T1值越接近T0，其復(fù)合結(jié)構(gòu)總厚度δ復(fù)合-計(jì)算越接近采用單一保冷材料時(shí)δCG-計(jì)算的值，T1值越接近Ta，其復(fù)合結(jié)構(gòu)總厚度δ復(fù)合-計(jì)算越接近采用單一保冷材料δPIR-計(jì)算的值。

（2）隨著T1的降低，保冷層的總厚度δ復(fù)合-計(jì)算越厚，這主要是由于復(fù)合結(jié)構(gòu)中采用了較多的導(dǎo)熱系數(shù)較大的CG。

T1的取值不僅和經(jīng)濟(jì)厚度有關(guān)，也和設(shè)計(jì)要求有關(guān)，在CG作為最外層時(shí)，其厚度往往根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值。PIR和CG組成的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)，采用CG為外層主要是因?yàn)镃G吸水率、透濕率低，且不燃燒，由此降低了整個(gè)保冷結(jié)構(gòu)的吸水性和透濕性，提高了防火等級(jí)。由于上述原因，最外層CG的厚度可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，本文根據(jù)管徑大小和 CG生產(chǎn)情況，確定D0為0.100 m、0.250 m、0.500 m管道的保冷結(jié)構(gòu)外層CG厚度采用70 mm。

表2 不同T1值的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷層計(jì)算厚度Table 2 Calculated thickness of composite cold insulation structure at different T1value

表3 復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷層設(shè)計(jì)厚度（未圓整）（T1=-60～-40）Table 3 Design thickness of composite cold insulation structure（T1=-60~-40 ℃）

表2為計(jì)算出未乘系數(shù)K的保冷層厚度值，在工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)保冷材料的不同以及公式（3）、

（4），保冷層計(jì)算出來(lái)的厚度需乘以系數(shù)幵進(jìn)行圓整。本文所采用的PIR的KPIR可取1.2～1.35[2]，在此取1.35；CG的KCG可取1.1～1.2[2]，在此取1.2。 設(shè)計(jì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)總厚度（未圓整）為δ ’復(fù)合，內(nèi)層和外層的設(shè)計(jì)厚度（未圓整）分別為那么δ ’PIR（內(nèi)）和δ ’CG（外）。則有：δ ’PIR（內(nèi)）=1.35×δPIR（內(nèi)）和δ ’CG（外）=1.2×δCG（外）。當(dāng)δ ’CG（外）=70 mm時(shí)，δCG（外）=58.3 mm。通過(guò)表3中的數(shù)據(jù)可知T1的取值在-60～-40 ℃乊間時(shí)，能滿(mǎn)足δCG（外）在58.3 mm左右。計(jì)算T1的取值在-60℃～-40℃乊間時(shí)，保冷層厚度。表3為計(jì)算結(jié)果。

由表3可知，滿(mǎn)足最外層CG厚度為70 mm時(shí)，D0=0.100 m，T1取-55 ℃；D0=0.250 m，T1取-45 ℃；D0=0.500 m，T1取-41 ℃。如此取值比較繁瑣，本文尋求了一種方法，通過(guò)一種近似算法求得T1，如下所述。采用一種保冷材料單層保冷厚度的計(jì)算公式（2）進(jìn)行計(jì)算。將公式（2）中的T0看做T1。將管道和內(nèi)層絕熱層看成一整體，由于內(nèi)層絕熱層的厚度未知，將只采用PIR作為保冷材料時(shí)的保冷層厚度δPIR看做是復(fù)合結(jié)構(gòu)中的內(nèi)層PIR的厚度進(jìn)行計(jì)算，近似求出T1，即公式（2）中的D0為（D0+2 δPIR），D1為[（D0+2δPIR）+2δCG（外）]，δCG（外）=58.3 mm。整理公式（2）為：

求解的T1（計(jì)算）結(jié)果及根據(jù)T1（計(jì)算）計(jì)算出的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)厚度見(jiàn)表4所示。其結(jié)果與表3確定的結(jié)果相差不大。因此采用該方法獲得近似T1值可行。

表4 T1(計(jì)算)結(jié)果及其復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷層設(shè)計(jì)厚度（未圓整）Table 4 The results of T1(caculaion)and the design thickness of composite cold insulation structure

根據(jù)上述結(jié)果將獲得的保冷厚度圓整，幵按照GB50264-2013中的規(guī)定，進(jìn)行分層，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷層設(shè)計(jì)厚度Table 5 Design thickness of composite cold insulation structure

3.3 校核

求得保冷層的厚度后，需要對(duì)冷損失量Q、絕熱層表面溫度Ts及雙層絕熱時(shí)內(nèi)外層界面處溫度T1核算。

根據(jù)GB50264-2013中的第5.4章節(jié)，冷損失量應(yīng)按下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算Q、Ts及T1的結(jié)果見(jiàn)表6所示。一般要求核算的冷損失量Q核算小于25 W/m2，核算的Ts-核算大于露點(diǎn)溫度，核算的T1-核算在外層表冷材料推薦使用溫度下限值的0.9倍的范圍內(nèi)。由表6的結(jié)果表明，D0為0.100 m、0.250 m、0.500 m管道的保冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)厚度滿(mǎn)足要求。T1-核算與乊前的T1不同，是由于采用設(shè)計(jì)厚度（在根據(jù)T1計(jì)算出的厚度的基礎(chǔ)上乘了系數(shù)幵圓整后）進(jìn)行核算的。

表6 校核結(jié)果Table 6 Check results

4 結(jié) 論

（1）本文根據(jù)GB50264-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩種保冷材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)的保冷厚度進(jìn)行計(jì)算，采用最大允許冷損失法計(jì)算的不同管徑的復(fù)合保冷層厚度，幵經(jīng)過(guò)核算滿(mǎn)足要求。

（2）在對(duì)于復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的保冷厚度的計(jì)算中，T1的取值影響保冷層的總厚度和分層厚度。

T1值越接近T0，其復(fù)合結(jié)構(gòu)總厚度越接近只采用CG作為單一保冷材料時(shí)的值，T1值越接近Ta，其復(fù)合結(jié)構(gòu)總厚度越接近只采用PIR作為單一保冷材料的值。同時(shí)對(duì)T1的取值迚行了探討，給出了近似的求算方法。

［1］施林圓，劍林．LNG液化流程及管道輸送工藝綜述[J]. 天然氣與石油，2010，28(5)：37-40．

［2］GB 50264- 2013，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社，2013．

［3］杜義朋，王為民，王亮,等． 迭代法計(jì)算制冷管道保冷層經(jīng)濟(jì)厚度[J]. 遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(1)：64-68．

［4］張?jiān)蚂o，閻振奎. LPG低溫管道經(jīng)濟(jì)保冷層厚度的計(jì)算[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，1999，18(1) : 18-191．

［5］孫佳燕．凍結(jié)站氨制冷系統(tǒng)保冷材料的選擇及其厚度計(jì)算[J]. 建井技術(shù)，2012，33(1)：37-39．

［6］尤海英，馬國(guó)光，黃 孟,等．LNG長(zhǎng)距離管道輸送保冷層厚度的計(jì)算方法[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備，2008，1:11-13．

［7］謝剛，王天明，邵擁軍,等．LNG 管路保冷厚度的計(jì)算[J]. 石油與天然氣化工, 2007，36(5): 373-376．

［8］GB /T 8175-2008，設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S]．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

［9］SH 3010-2000 石油化工設(shè)備和管道隔熱技術(shù)規(guī)范[S]．北京：國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局収布，2000．

Calculation and Discussion on Composite Cold Insulation Thickness of the LNG pipeline

CHEN Jue-ling1，F(xiàn)U Xian-qiao1，WANG Zhen-feng2，LIU Zhi-tian1，JIA Guang-meng1，F(xiàn)U Li-xin1，GUO Xu1，ZHAO Qing-na1
（1. China Petroleum Engineering Co.,Ltd. Huabei Company, Hebei Renqiu 062522，China；2. Rubber Products Factory of Huabei Petroleum Administration Bureau, Hebei Renqiu 062522, China）

The maximum allowable cold loss calculation method for the thickness of composite cold insulation structure composed with two kinds of cold insulation materials was described. The parameters choice of composite cold insulation structure was discussed. The results show that, the external surface temperature of inner insulation layer T1can affect the composite cold insulation structure total thickness and every layer thickness. The example calculation has proved that, the calculation results calculated by the maximum allowable cold loss method can meet the requirements.

Calculation of composite cold insulation structure; LNG pipeline; Insulation thickness; Maximum allowable cold loss calculation method

TE 083

A

1671-0460（2014）10-2182-04

2014-08-06

陳玨伶（1980-），女，河北任丘人，工程師，研究方向：從事設(shè)備管道絕熱及腐蝕與防護(hù)研究。E-mail：2301196718@qq.com。