中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司　郭新杰

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港口低溫裝卸管線保冷設(shè)計

中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司郭新杰

摘要：在介紹保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合港口工程實例，探討了裝卸管線保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計事項，給出了保冷厚度的設(shè)計計算方法。

關(guān)鍵詞：低溫； 裝卸管線； 保冷

1前言

隨著常壓低溫儲運技術(shù)在國內(nèi)逐漸發(fā)展成熟，天然氣、乙烯和丙烯等液化烴的水運方式在原有壓力液化或高壓增容方式運輸方式之外，越來越多的石化碼頭采取常壓低溫方式直接裝卸常壓低溫液化天然氣、液化乙烯和液化丙烯等化工原料。

液體化工原料在港口裝卸過程中，操作溫度低于環(huán)境溫度的工藝管道，需在管道外部覆蓋保冷材料，以減少外部熱量向內(nèi)部傳入，且使外保護(hù)層的表面溫度保持在露點以上，不使其表面結(jié)露而采取的措施叫保冷。對低溫運行管道進(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，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；防止管道及其組成件表面結(jié)露。為此，必須選擇合適的保冷材料及保冷厚度。選擇經(jīng)濟(jì)保冷材料有2個最重要的技術(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(jì)；二是密度，通常材料密度越小，其導(dǎo)熱系數(shù)越小。

目前，國內(nèi)的石化行業(yè)低溫管道通常使用泡沫玻璃、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料或雙層異材保冷結(jié)構(gòu)。泡沫玻璃具有容重低、不透濕、不吸水、不燃燒、不霉變、不受鼠嚙，機(jī)械強(qiáng)度高且易于加工，有良好的耐低溫性(可用于- 196℃的低溫環(huán)境)等優(yōu)點。聚氨酯(使用溫度在- 65℃以上)具有容重低、導(dǎo)熱系數(shù)小、有較好的防潮性和阻燃性等優(yōu)點，并且聚氨酯的材料價格要低于泡沫玻璃。本文結(jié)合江蘇某液體化工碼頭工程實例，探討低溫工藝管線保冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工的注意事項。

2工程概況

江蘇某液體化工碼頭工程擬建碼頭位于長江下游揚(yáng)中河段太平洲左汊團(tuán)結(jié)閘下游處，水路距吳淞口約203 km。擬建設(shè)2個泊位，其中外檔為2萬噸級液體化工泊位(水工結(jié)構(gòu)按靠泊5萬噸級船設(shè)計)1個，內(nèi)檔為500 噸級液體化工泊位1個，設(shè)計通過能力為160 萬t/年，主要裝卸貨種有低溫乙烯、丁烷、苯和苯乙烯。

低溫乙烯儲運系統(tǒng)中，針對低溫乙烯特殊工藝要求，碼頭至低溫儲罐間設(shè)有1根3 km的DN250裝卸管和相應(yīng)長度的1根DN80循環(huán)保冷液相管,以及1根DN80氣相平衡管。

3保冷結(jié)構(gòu)的選擇

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、保護(hù)層。

3.1防銹層

對碳鋼、鑄鐵、鐵素體合金鋼等材質(zhì)的管道，需清除其表面的鐵銹、油脂及污垢后，涂刷2道冷底子油。本工程中，輸送液相低溫乙烯的管道材質(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氯離子含量不能超過20μg/g，以免不銹鋼管道腐蝕。

3.2保冷層

保冷層結(jié)構(gòu)按其形式和安裝方法有5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，然后包扎于管道上。如果包扎1層不滿足設(shè)計厚度，可以包2層或3層。常用的材料有：礦渣棉氈、玻璃棉氈、超細(xì)玻璃棉和石棉布。

(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，又可減輕保冷層重量，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)泡材料澆灌入預(yù)制的模殼中發(fā)泡成保冷層結(jié)構(gòu)。

(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。

本工程管道的保冷設(shè)計方案選用復(fù)合結(jié)構(gòu)與預(yù)制管殼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式：泡沫玻璃內(nèi)層、聚氨酯外層的雙層異材保冷結(jié)構(gòu)，泡沫玻璃及聚氨酯均為預(yù)制管殼。由于保冷材料是預(yù)制管殼，當(dāng)單層保冷層厚度超過80 mm時，必須分為2層或多層捆扎，而且被分層后的保冷材料的厚度要求基本一致。內(nèi)、外層的厚度值需經(jīng)計算確定，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。

安裝保冷材料時，上塊和下塊的接縫，內(nèi)層接縫和外層接縫都必須錯開，其中內(nèi)、外層的接縫錯開100～150 mm，水平管的最外層拼縫不能垂直向上，這樣既可避免雨水沿拼縫進(jìn)入保冷層，又可避免發(fā)生冷橋現(xiàn)象，有利于管道保冷。拼縫間距不超過2 mm，超過時需填塞保冷材料，并用膠密封。

保冷層的捆扎均為分層捆扎。由于低溫管道的特殊性，內(nèi)層的捆扎帶采用不銹鋼帶，最外層采用鍍鋅鋼帶，捆扎帶間距約300 mm。

由于管道和保冷材料的線漲系數(shù)不一，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4 m左右設(shè)置伸縮縫，各層的伸縮縫需錯開，錯縫間距不大于100 mm，而且最外層的伸縮縫外需再做一層保冷層。

3.3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，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，同時也增加了冷量損失。和保溫層不同的是，保冷層外的防潮層，不得采用鐵絲、鋼帶等硬質(zhì)捆扎件，以免刺破防潮層。本工程采用了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3 mm厚的瑪碲脂，玻璃布搭接纏繞，玻璃布外層再涂抹3 mm厚的瑪碲脂。

3.4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，延長隔熱結(jié)構(gòu)的壽命。因為本工程的保冷層是硬質(zhì)管殼結(jié)構(gòu)，所以用0. 5 mm的鋁板做保護(hù)層?，F(xiàn)場施工時，鋁板質(zhì)地較軟，便于彎曲，適用于本工程采用的雙層異材保冷結(jié)構(gòu)的防護(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。為避免破壞里面的防潮層，本裝置的保護(hù)層接縫施工采用了咬合結(jié)構(gòu)，而不是常見的自攻螺絲固定形式。雙層保冷的直管結(jié)構(gòu)見圖1 。

1.管線本體　2.耐磨涂料　3.泡沫玻璃管殼　4.發(fā)泡性粘結(jié)劑　5.不銹鋼帶　6.聚氨酯泡沫塑料管殼　7.石油瀝青瑪碲脂3 mm　8.防潮玻璃布　9.薄鋁板圖1　直管保冷結(jié)構(gòu)

4保冷厚度的設(shè)計計算

4.1保冷計算方法選擇

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，需針對不同的目的和條件選擇合適的保冷計算方法。

管道直徑小于等于1 000 mm時，管道保冷計算按圓筒面計算；而對于管道直徑大于1 000 mm的管道，保冷計算時按平面計算。

(1)表面溫度法。為限定表面溫度，采用表面溫度法。這種計算方法要求保冷層的外表面溫度高于當(dāng)?shù)芈饵c溫度，從而防止保冷層外表面出現(xiàn)凝露而引起的對空氣的放熱系數(shù)增大。

(2)最大允許冷損法。為限定表面能量損失，采用最大允許冷損法計算。通常在長距離輸送低溫物料的管道中，為防止因長距離輸送導(dǎo)致外界熱量傳入管道內(nèi)，使介質(zhì)升溫而過度氣化，需根據(jù)管線的可能長度和最大允許冷損量來計算保冷層厚度。計算出的保冷層厚度還需用表面溫度法進(jìn)行核算，以保證外保護(hù)層的溫度高于露點。

(3)經(jīng)濟(jì)厚度計算法。為減少冷損并獲得最經(jīng)濟(jì)效果，采用經(jīng)濟(jì)厚度計算法，但是由于不同地區(qū)、不同企業(yè)的具體情況，燃料價格、電價乃至工程費用的貸款利率等均會對冷能價格造成影響，不利于設(shè)計人員計算管道的保冷厚度，因此該計算方法的使用有一定局限性。

本工程管道保冷計算方法采用在石油化工裝置中最常用的圓筒面表面溫度計算法。

4.2保冷計算邊界條件

針對本工程采用泡沫玻璃和聚氨酯雙層異材保冷結(jié)構(gòu)，要求熟悉相關(guān)絕熱工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及這兩種材料的技術(shù)指標(biāo)，在滿足工藝運行的前提下，正確地計算出每層保冷材料的厚度。對于雙層異材保冷結(jié)構(gòu)需注意以下4方面。

(1)保冷材料的最小厚度，對泡沫玻璃而言，受其加工工藝的限制，最小厚度一般為60 mm，若小于60 mm，其機(jī)械強(qiáng)度難以保證。

(2)雙層異材隔熱層界面處的溫度需高于外層隔熱材料的安全使用溫度的0. 9 倍，否則需重新調(diào)整內(nèi)外層厚度。由于本工程外層采用聚氨酯管殼，內(nèi)層泡沫玻璃管殼與外層聚氨酯管殼界面處溫度不低于0. 9×- 65 ℃=-58. 5 ℃。

(3)冷損量不超過規(guī)范允許的最大值。當(dāng)ta-td≤4. 5時，保冷層外表面單位面積最大的允許冷損失量 [Q] =-(ta-td)·α=-(27.4-25.6)×8.14=-14.652。

(4)保冷層外表面溫度需超過當(dāng)?shù)芈饵c溫度至少1～3 ℃。

4.3保冷材料厚度計算

管道公稱直徑DN250的低溫乙烯主裝卸管道本體外表面溫度為-104 ℃，其雙層復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)厚度的計算方法如下：

(1)復(fù)合保冷層總厚度σ：

D2ln=

返算復(fù)合保冷層外徑D2=0.673m。

(2)內(nèi)隔熱層厚度σ1：

已知D0=0.273 m，計算可得D1=0.414 m。

(3)外隔熱層厚度σ2

σ2=σ-σ1=120mm

經(jīng)計算，公稱直徑DN250的低溫乙烯主裝卸管道，雙層復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)內(nèi)層泡沫玻璃管殼厚度為80mm，外層聚氨酯管殼厚度為120mm。

(4)管道外表面冷損失量計算

計算結(jié)果小于最大的允許冷損失量[Q] =-(ta-td)·α=-(27.4-25.6)×8.14=-14.652

(5)隔熱層外表面溫度計算

計算結(jié)果大于聚氨酯外表面溫度，需>27.4+1=28.4℃

(6)隔熱層界面溫度計算

計算結(jié)果大于泡沫玻璃外表面溫度，需> 0. 9×(-65)=-58.5℃；

經(jīng)管道外表面冷損失量計算、隔熱層外表面溫度計算和隔熱層界面溫度計算三方面核算，雙層復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)內(nèi)層泡沫玻璃管殼厚度為80 mm、外層聚氨酯管殼厚度為120 mm,滿足工藝要求。

根據(jù)同樣計算方法，公稱直徑DN80的低溫乙烯循環(huán)管道和氣相平衡管線雙層復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)內(nèi)層泡沫玻璃管殼厚度為60mm、外層聚氨酯管殼厚度為100 mm,可以滿足工藝要求。

上述各式中，Q為以每平方米絕熱層外表面積表示的冷損失量，W/m2；t0為管道外表面溫度，取介質(zhì)操作溫度-104℃；ta為環(huán)境溫度，取夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度，27.4℃；td為露點溫度，根據(jù)夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度ta和最熱月平均相對濕度87%，查表得25.6℃；ts為聚氨酯外表面溫度，需>27.4+1=28.4℃；t1為泡沫玻璃外表面溫度，需> 0. 9×(-65)=-58.5℃；α表面換熱系數(shù)，8.14W/(m2·℃)；λ1為泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)，≤0. 045W/(m·℃)；λ2為聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)，≤0. 023W/(m·℃)；D0為管道外徑，m；D1為泡沫玻璃管殼外徑，m；D2為聚氨酯管殼外徑，m。

保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)選用規(guī)范推薦數(shù)值，并考慮低溫運行時溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，氣象條件采用當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)。

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)計泡沫玻璃及聚氨酯的長度，以便于采購管殼式的泡沫玻璃及聚氨酯，縮短施工時間，降低造價并利于檢查、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。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]設(shè)計與計算. 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊(第三版)[M]. 北京：中國石化出版社，2004.

[2]石油化工管道安裝設(shè)計便查手冊(第四版)[M]. 北京： 中國石化出版社，2014.5.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). GB 50264-2013，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范[S].

[4]中華人民共和國石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). SH/T 3010-2013，石油化工設(shè)備和管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范[S].

郭新杰： 430071，湖北省武漢市武昌區(qū)民主路555號

Cold Insulation Design of Low Temperature Handling Pipeline in Port

CCCC Second Harbor Consultants Co. ,Ltd. Guo Xinjie

Abstract：Based on the introduction of the cold insulation design and in combination of the project case in port , this paper discusses the cold insulation design of low temperature handling pipeline and presents the calculation method of the thickness of insulating layer.

Key words：low temperature； handling pipeline； cold insulation

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.01.002

收稿日期：2015-08-14