淺談寒冷地區化工企業給排水管道設計

吳潔

福陸（中國）工程建設有限公司（上海　201103）

工程設計

淺談寒冷地區化工企業給排水管道設計

吳潔

福陸（中國）工程建設有限公司（上海201103）

分析了給排水管道的凍結機理。從防凍保溫計算原則及保溫伴熱材料的選擇等方面介紹了北方寒冷地區化工企業給排水管道防凍保溫設計的特點；結合相關標準規范和工程經驗，論述了給排水管道防凍保溫的設計方法、防凍措施、布置要領和安裝形式。

寒冷地區給排水管道設計防凍

0　引言

在我國北方的寒冷和嚴寒地區，給排水設計的重點是防凍。給排水系統作為化工企業重要的公用工程，如果防凍措施處理不當，將給工廠的正常運行帶來諸多不便，甚至產生重大影響。同時，由于化工企業給排水系統的特點與常規的民用項目不同，針對各個系統的特點采用相應的技術措施尤為重要。目前國內執行的設計標準中尚無一個系統、完善的化工企業給排水管道防凍和保溫準則，設計人員通常依據自身的現場經驗和習慣做法進行設計。

結合工程現場遇到的問題，重點闡述了給排水管道保溫和伴熱的設計方法及相關注意事項，以期為北方地區化工企業的給排水管道設計提供參考和借鑒。

1　給排水管道凍結機理

當水在設備及管道內流動時，由于散熱損失的存在，其溫度沿流程逐漸降低。在一般的散熱損失情況下，長度有限的管道內水的溫度不至于降低到冰點；但當水停止流動時，由于得不到熱量的補充，溫度就有可能降至凝固點或冰點，甚至更低，從而發生凍結。凍結一旦發生，輕則堵塞管道，重則導致管道破裂。管內水凍結時，通常首先是緊靠管內壁的水開始凍結，圓形管道中凍結的水沿管壁呈環狀，然后凍結層厚度逐漸增加，直至凍結至管中心而堵塞管道。由水的凍結過程可知，管內水的凍結是一個不穩定的傳熱過程。

由于不穩定傳熱過程的計算比較復雜，因此，工程上一般采用簡化方法（即按照穩定傳熱的熱平衡方法）計算防止凍結的保溫層厚度，并適當考慮安全因素。

2　給排水管道的防凍保溫設計方法

GB 50014—2011《室外排水設計規范》[1]中4.3.8條規定：一般情況下，排水管道宜埋設在冰凍線以下。當該地區或條件相似地區有淺埋經驗或采取相應措施時，也可埋設在冰凍線以上，其淺埋數值應根據該地區經驗確定，但應保證排水管道安全運行。GB 50015—2009《建筑給水排水設計規范》[2]中4.3.2.2規定：生活污水接戶管道管道埋深不得高于土壤冰凍線以上0.15 m，且覆土深度不小于0.3 m。可見，給排水管道在寒冷地區通常采用埋地敷設或者布置在采暖廠房內的防凍方法。

一些直徑較大的給排水管道發生結冰時只是在管道內壁結一圈冰，這樣雖然不會堵塞管道，但會使其流量受到限制。考慮到埋地管道不易清理，需首先考慮將其埋至冰凍線以下，以保證管道內的水不會結冰。

對于穿越冰凍層或者露天布置的給排水管道，保溫設計應符合減少散熱損失、節約能源、滿足工藝要求、保持生產能力、提高經濟效益、改善工作環境等基本原則。

進行這部分給排水管道的防凍保溫設計的關鍵是計算管道的工藝允許散熱量和總散熱損失量。

2.1工藝允許散熱量的計算和確定

給排水管道水的允許散熱量計算采用SY/T 6421—1999《設備及管道散熱損失的測定》[3]的熱平衡法計算。

式中：Q為總散熱損失，W；G為質量流量，kg/h；C1為管道入口介質比熱容，kJ/(kg·℃)；C2為管道出口介質比熱容，kJ/(kg·℃)；t1為入口介質溫度，℃；t2為出口介質溫度，℃。

當介質為水時，根據其特性，比熱容C1，C2選取4.2 kJ/(kg·℃)；t2選取水的結冰溫度0℃。常年運行工況允許最大散熱損失值見表1。

表1　常年運行工況允許最大散熱損失值

2.2總散熱損失量的計算和確定

地上布置的給排水管道的總散熱損失量采用SY/T 6421—1999中的公式計算。

式中，qL為管道平均熱流密度，W/m2；QR為設備或管道上金屬裸露面、人孔或管件的總散熱損失，W。L為被測管道長度，m；a為總放熱系數，W/(m2·℃)；tw為表面溫度，℃；tf為環境溫度，℃。

由于tw是一個逐漸變化的溫度，建議選擇結冰溫度0℃。

考慮到總傳熱系數K、管內介質溫度及自然地溫，按公式（4）計算給排水埋地管道的總散熱損失。

式中，d1為管道外徑，m；K為總傳熱系數，W/(m2·℃)；

t0為實測介質溫度，℃；tg為自然地溫，℃。

2.3防凍保溫原則的設計確定

計算出管道的水允許散熱量和總散熱損失量后，對兩個值進行比較。當水允許散熱量大于總散熱損失量時，給排水管道可在未設置防凍措施或設置少量措施的情況下正常運行，且不會發生冰凍破壞；當水允許散熱量小于或等于總散熱損失量時，給排水管道需要設置防凍設施才能確保不發生冰凍破壞并正常運行。由于管道的散熱量影響因素較多，為了保證管道的安全性，建議選取計算總散熱損失量的1.2倍為設計值。

管道防凍一般采用保溫的方式。為了防止管道被凍壞，必須根據介質間斷的時間計算出保溫層的材料和保溫厚度，以防止管道內介質凍結或延長介質凍結時間。加熱保溫是常用的一種保溫形式，是將輸送管道向環境中的散熱量用加熱的辦法加以補償，使輸送管道中介質不凍結。有實驗表明，對于管徑小于DN40的管道，即使外加保溫層，在夜間低流速工況下如果沒有熱源伴暖，壁溫通常也會在3 h內從12℃降至0℃，這是十分危險的。管道內水的散熱量應由伴熱管來補充。加熱保溫常見的形式有蒸汽伴熱管、熱水伴熱管和電加熱帶3種。管道蒸汽伴熱的設計選用可參照文獻“化工工藝管道蒸汽伴管的設計”[4]；保溫層厚度的計算和確定按照國家建筑標準設計圖集03S401《管道和設備保溫、防結露及電伴熱》和GB/T 4272—2008《設備及管道保溫技術通則》執行；保溫材料的選擇按照國家建筑標準設計圖集03S401執行。

3　給排水管道防凍保溫管道的布置要求和防凍措施

在寒冷地區，給排水管道易發生冰凍破壞，設計時首先考慮將其布置在冰凍線以下。當管道布置在冰凍層以上或者露天時，需要考慮對其進行防凍保溫。由于化工企業的水系統介質較多，各種水系統的工藝特點不同，因此各種管道的防凍保溫設計也不同，結合工程經驗，介紹幾種主要給排水管道的設置要求及防凍措施。

3.1生產、生活給水管

在寒冷地區，冬季生產、生活給水的運行溫度約為在8℃，與結冰溫度（0℃）相差很小，因此其給水管很容易發生凍結。生產、生活給水管首先應盡量布置在冰凍線下，當穿越冰凍線與地上用戶連接時，通常采用的防凍保溫方法如下：

（1）控制最小接管管徑，避免首次運行時的冰凍破壞。當生產、生活給水管首次或間斷投入運行時，管道及周圍的土壤溫度接近于室外最低溫度。

內蒙古某PVC項目的空壓控制室需設置一根空調加濕水管，管徑原設計為DN20。發現在冬季敞口情況下，生產給水管打開閥門后，地上管道出水緩慢，管壁很快形成一圈冰膜，管口逐漸結冰，最終管道完全凍結。在后續改造中，將埋地管道的管徑增加至DN32，在冬季未發生凍結現象。

因此，生產、生活給水管與地上管道交接點管徑不得小于DN32（采暖廠房）或DN50（非采暖廠房）。

（2）選擇強度高的管材。由于非金屬管材在冰凍條件下易脆化，因此選用金屬管道（考慮到衛生要求，生活水管可采用內涂塑的金屬管道）。同時，對于小口徑鋼管（DN≤100），采用強度高的無縫鋼管也可增強管道抗冰凍破壞的能力。

（3）在冰凍線以下管道上設置切斷閥和放空管。設置切斷閥首先可以保證冰凍層以上的管道在停運和檢修時地下主管道的安全，使其不受局部管道的影響，其次還能保證閥門后端管道可進行有效的放空或檢修。設置放空管可以切斷閥后管道，將其中的水放空,避免存水在管道中凍結。對于排水條件好的區域，放空管宜接入就近的排水檢查井中；如附近無排水檢查井，可在地面上增設一處放空管。管道需要放空時，先將地上部分管道中的積水排出，然后打開地下放空管，將少量的積水排入自身閥門井中，人工排除積水。

（4）冰凍層以上的管道需進行保溫伴熱。地上管道的保溫伴熱按照03S401執行；凍土層中管徑較小的管道應采用包裹保溫材料的方式減少周圍凍土對管道的影響。保溫材料可選取保溫管殼或離心玻璃棉，保溫厚度參考地上管道厚度。地下部分管道保溫范圍可從切斷閥井至地坪上300mm。

（5）洗眼器及安全淋浴應盡量設置在采暖廠房內，室外設置時，給水管道宜使用電伴熱。

生產、生活給水管道的典型防凍安裝形式如圖1所示。

圖1　生產、生活給水管道的典型防凍安裝形式

3.2消防水管道

消防水除了與生產、生活水冬季運行溫度相似外，還具有壓力高、保證性要求高、使用頻率低等特點。同時由于接入廠房或框架的消防水管管徑最小為DN65，且通常采用金屬管材，因此消防水通常采用的防凍保溫方法如下：

（1）在冰凍線以下管道設置切斷閥和放空管。

（2）冰凍線以上或露天設置且冬季充水的管道需設置可靠的保溫伴熱。

天津地區某LNG接收站項目的碼頭設置有消火栓、消防炮、碼頭前沿水幕系統、逃生通道水噴淋系統等消防設施，根據消防要求，需要保證雨淋閥前和消火栓前的管道一直充滿穩高壓消防水，因此，該部分消防水管道采用了可靠的保溫伴熱。而雨淋閥后的噴淋管道只在消防時才充水，因此未采用保溫、伴熱措施。從消防主管道出地面至各個消防設施和雨淋閥組前的管道采用了電伴熱（該項目無蒸汽系統），伴熱維持溫度為5℃，并采用50 mm厚離心玻璃棉保溫。

按照03S401，消防水主管道電伴熱的初步計算如下：

長70 m、DN500的消防管道，環境溫度ta=-11.7℃，介質溫度t0=5℃，采用玻璃棉制品保溫，放熱系數αs取11.63 W/（m2·℃），絕熱層厚度為50 mm，則：Δt=t0-ta=16.7℃。

根據圖集中表6，Δt=20℃時，管道散熱量QB= 36.5 W/m，實際散熱量QTB=36.5 W/m。

對于變功率電熱帶，由圖集中表2可查得，5℃時，30ZXW型變功率電熱帶的輸出功率為31 W/m，小于散熱量QTB(36.5 W/m)，所以安裝系數=36.5/31= 1.18，電熱帶長度L’=70×1.18=82.6 m。由于是初算，未計入閥門、法蘭等附件長度，若考慮1.2的長度系數，則電熱帶總長度L=82.6×1.2≈99 m。

由變功率（自限式）電熱帶220V單一電源最大使用長度（Lmax）表可知，ta=-10℃時，Lmax=114 m，30 A電流短路開關，電熱帶實際總長L＜Lmax，滿足要求，可任意切割，則總功率N=LQTB≈3614 W。

對于恒功率電熱帶，已知QTB=36.5 W/m，選用4根長100 m的DCR-10型電熱帶，每根輸出功率為10 W/m。則電熱帶總長度L=4×100=400 m，總功率N=L×QTB=400×10=4000 W。

（3）在采暖廠房采用濕式消火栓系統，在非采暖廠房或露天框架宜采用干式消火栓系統。為保證冬季消防水使用時不發生凍結，給水主管的管徑不宜小于DN80。

（4）當采用防凍型消火栓及消防炮時，宜將其設置于背風向陽處，并宜設置保溫井筒。

（5）根據GB 50084—2005《自動噴水滅火系統設計規范》[5]的4.2.2條和4.2.3條第3款，在非采暖的廠房內，自動噴水滅火系統采用干式系統或者代替干式系統的預作用系統。

（6）雨淋閥組、報警閥組均宜設置在有可靠供暖的雨淋閥室或報警閥室內，室內溫度應大于4℃。雖然GB 50084—2005中沒有明確規定將報警閥組設于采暖房間內，但在寒冷地區要有可靠供水，必須保證閥組及閥前管道不凍結，因此報警閥組宜參考雨淋閥組，設置在有可靠供暖的報警閥室內。

（7）非采暖廠房或露天框架的消防水或自動噴水滅火管道、雨淋管道在設計中盡量避免出現“U”型管道。如出現“U”型管道，需在其最低點設置放空管，以防止積水凍結。

3.3循環水管道

循環水在冬季的運行溫度通常控制在18℃以上，與冰點溫度相差較大，因而循環水管道不容易發生凍結，甚至可以作為伴熱管道使用。因此在最低管道覆土情況下，大口徑循環水管道可以布置在冰凍線上。有實驗表明，當管徑小于DN50的循環水管道在冰凍層內布置或者穿越冰凍線與地上用戶連接時，其有可能在冬季啟動或停車時發生凍結。循環水管道通常采用的防凍保溫方法如下：

（1）控制最小接管管徑，延長首次冰凍破壞的時間。在冰凍層長距離布置循環水管道的管徑不得小于DN80，與地上管道交接點的管徑不得小于DN50。

（2）地上循環水管道一般情況下不考慮伴熱，但須根據管徑和管道布置的長短考慮是否需要保溫，并應設置放空閥。

（3）循環水管道可作為水泵的防凍管道。通常采用在泵出口管道的止回閥兩端設置旁通管道的方式。運行中的循環水泵一般不會發生凍結，為防止備用泵內的水凍結凝固，應采用防凍循環管道，使循環水從備用泵的防凍循環管道經泵體返回吸水池。露天循環水泵防凍管道的安裝形式見圖2。

圖2　露天循環水泵防凍管道的安裝形式見

內蒙古地區某PVC項目的循環水站設計中，循環水泵水量為6000 m3/h，水泵進出水管道分別為DN1200和DN900。方案設計時，首先確認運行的泵及管道不會發生凍結，然后考慮將循環水作為熱源，在泵出水管道的止回閥至電動蝶閥兩端設置了防凍旁通管道，在止回閥至電動蝶閥的管道上設置了放空閥。當循環水泵運行時，防凍旁通管道上閥門關閉，循環水正常地從水泵進口流向出口。當循環水泵備用時，防凍旁通管道上閥門打開，循環水作為熱源為備用的管道及設備伴熱，經過防凍旁通管道從反向的水泵出口流向吸水池。同時，打開放空閥將兩個閥門間的管道存水排空，避免死水凍結。該項目循環水泵站的設計完全放棄了北方常用的大型循環水泵房，而采用與南方地區相似的露天泵站，僅泵房土建一項就為業主節約了大量費用（類似泵房預算造價為100萬元）。由于防凍管道設計合理、簡單，該項目循環水泵已連續平穩地運行了多個冬季。

對于以循環水為主要換熱介質的工藝換熱器，也可在設備入口的切斷閥前設置一根防凍循環連通管道，換熱器待機時，打開該管道即可防止循環水管道結冰。一般防凍循環管道的防凍管線也需保溫。

3.4生活污水及生產廢水管道

一般情況下，生活污水及生產廢水排水管道宜埋設在冰凍線以下。在很多實際工程中，經常會出現管道凍塞現象，凍塞管道的原因一般有兩個：一是埋深過淺，保溫措施不夠；二是管道坡度過小，排水流速較慢，導致污水的熱量散失很快，在進入檢查井之前已經凍結。解決凍塞現象的根本辦法是將管道的埋設深度增加至冰凍線以下150 mm，這樣可確保管道常年不結冰。

露天框架的污、廢水如果采用重力流排放，地上管道應設置伴熱及保溫措施。

隨著環保要求的增強，越來越多的工廠采取壓力流輸送污水。雖然污水自身有一定溫度，但由于通常是間斷排放，因此壓力污水管道也應采取嚴格的防凍保溫措施：（1）壓力流污水地下管道宜布置在冰凍線以下；（2）壓力流污水地上管道應設置防凍伴熱措施，按照圖集03S401執行。

3.5雨水管道

北方冬季降水的主要形式是降雪。因此，寒冷地區的雨水管道可以不考慮管內的冰凍危害。但雨水管道敷設在凍土層內會受到凍脹影響，以致管道破裂毀壞，不能使用。所以當雨水管道埋設在冰凍線以上時，其淺埋數值應根據該地區的經驗確定，但應保證排水管道安全運行。

在化工企業中，雨水管道有時候會承擔循環水系統和脫鹽水系統清潔廢水的排放。這些清潔廢水的溫度較高（18~25℃）、瞬時流量大，不會造成管道內結冰。但是間斷排放容易造成管道材料的熱脹冷縮，因此除了增加管道材料強度外，最常用的就是將排水點管道標高降至冰凍線以下。

3.6閥門井及檢查井

采暖室外計算溫度低于-10℃的地區，各種室外給水的閥門井及排水檢查井均應采取雙層井蓋保溫或其他保溫措施。雙層井蓋按照給排水標準圖集97S501-2《雙層井蓋》制作、安裝。

在秋冬交替季節，雨、雪水白天沿井蓋流入閥門井及檢查井內，晚上溫度降低后凍結。第二天地面融化的雪水又流進去，晚上再次凍結，反復多次，便將井蓋凍結成了大冰塊，與井壁凍結在一起，要將井蓋打開非常困難，這種情況下根本無法滿足地下管網正常運行及檢修的要求。解決的辦法是將閥門井及檢查井的井座設置高出周圍地面100 mm以上，以防雨、雪水流入，為不影響交通，盡量將井室設置在綠化帶上，并設相應標記。

4　結語

總之，北方地區化工企業給排水管道的設計重點是防凍，如果防凍措施處理得當，在增加給排水系統使用壽命的同時，還可以節約造價。設計者需本著合理設計、節約能源的原則，對整個給排水系統的防凍統一考慮，在重點環節上多下功夫，以確保管道順利過冬。

[1]GB 50014—2011室外排水設計規范[S].

[2]GB 50015—2009建筑給水排水設計規范[S].

[3]SY/T 6421—1999設備及管道散熱損失的測定[S].

[4]王少蓋,鄭學鋒.化工工藝管道蒸汽伴管的設計[J].化肥設計,2008,46(1):21-24.

[5]GB 50084—2005自動噴水滅火系統設計規范[S].

Preliminary Discussion on the Design of Water Supply and Drainage Pipes of Chemical Enterprises in Cold Region

Wu Jie

The freezing mechanismof water supply and drainage pipes was analyzed.Tointroduce the characteristics of freezing protection design for water supply and drainage pipes of chemical enterprises in cold region,the calculation principle of freezing protection and selection of insulating and tracing materials were offered.According torelevant standards and engineeringexperience,thedesignmethods,freezingprotectionmeasures,layoutessentialsandinstallationmethodsforanti-freezingofwatersupplyanddrainagepipeswerediscussed.

Coldregion;Designofwatersupplyanddrainagepipe;Anti-freezing

TU 276

吳潔女1982年生本科工程師主要從事給水排水設計工作

2015年6月