港口低溫裝卸管線保冷設計

中交第二航務工程勘察設計院有限公司　郭新杰

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港口低溫裝卸管線保冷設計

中交第二航務工程勘察設計院有限公司郭新杰

摘要：在介紹保冷結構設計的基礎上，結合港口工程實例，探討了裝卸管線保冷結構設計事項，給出了保冷厚度的設計計算方法。

關鍵詞：低溫； 裝卸管線； 保冷

1前言

隨著常壓低溫儲運技術在國內逐漸發展成熟，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部傳入，且使外保護層的表面溫度保持在露點以上，不使其表面結露而采取的措施叫保冷。對低溫運行管道進行保冷設計的主要目的是：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溫升，以利于系統的良好運行；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露。為此，必須選擇合適的保冷材料及保冷厚度。選擇經濟保冷材料有2個最重要的技術指標：一是導熱系數，因為導熱系數與管道的熱損失成正比，當有多種保冷材料可以選擇時，材料的導熱系數與其單位體積價格的乘積越小則越經濟；二是密度，通常材料密度越小，其導熱系數越小。

目前，國內的石化行業低溫管道通常使用泡沫玻璃、硬質聚氨酯泡沫塑料或雙層異材保冷結構。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，機械強度高且易于加工，有良好的耐低溫性(可用于- 196℃的低溫環境)等優點。聚氨酯(使用溫度在- 65℃以上)具有容重低、導熱系數小、有較好的防潮性和阻燃性等優點，并且聚氨酯的材料價格要低于泡沫玻璃。本文結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構的設計、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中河段太平洲左汊團結閘下游處，水路距吳淞口約203 km。擬建設2個泊位，其中外檔為2萬噸級液體化工泊位(水工結構按靠泊5萬噸級船設計)1個，內檔為500 噸級液體化工泊位1個，設計通過能力為160 萬t/年，主要裝卸貨種有低溫乙烯、丁烷、苯和苯乙烯。

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

3保冷結構的選擇

低溫管道的保冷結構由內至外依次為防銹層、保冷層、防潮層、保護層。

3.1防銹層

對碳鋼、鑄鐵、鐵素體合金鋼等材質的管道，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

保冷層結構按其形式和安裝方法有5種。

(1)膠泥涂抹結構。一般用于小型設備、外形復雜的構件或臨時性保冷，現已較少使用。

(2)包扎結構。利用氈、席、帶等的半成品絕熱材料，在現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、超細玻璃棉和石棉布。

(3)復合結構。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)澆灌式結構。將發泡材料澆灌入預制的模殼中發泡成保冷層結構。

(5)預制管殼結構。按照設計要求，將保冷材料預制成硬質的定型制品，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計方案選用復合結構與預制管殼結構相結合的方式：泡沫玻璃內層、聚氨酯外層的雙層異材保冷結構，泡沫玻璃及聚氨酯均為預制管殼。由于保冷材料是預制管殼，當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、外層的厚度值需經計算確定，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，內層接縫和外層接縫都必須錯開，其中內、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入保冷層，又可避免發生冷橋現象，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不一，為避免在低溫運行時兩者摩擦而破壞保冷結構，要求每層保冷材料每4 m左右設置伸縮縫，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、空氣中的水氣進入保冷層，導致保冷層的導熱系數急劇增加，使保冷材料變軟、腐爛，破壞絕熱結構的完整性，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構，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保護層

保護層是保冷結構的最外一層，它起到保護保冷層及防潮層的作用，以阻擋環境和外力對保冷層的影響，延長隔熱結構的壽命。因為本工程的保冷層是硬質管殼結構，所以用0. 5 mm的鋁板做保護層。現場施工時，鋁板質地較軟，便于彎曲，適用于本工程采用的雙層異材保冷結構的防護層。軟質的絕熱結構一般宜采用鍍鋅鋼板做保護層。為避免破壞里面的防潮層，本裝置的保護層接縫施工采用了咬合結構，而不是常見的自攻螺絲固定形式。雙層保冷的直管結構見圖1 。

1.管線本體　2.耐磨涂料　3.泡沫玻璃管殼　4.發泡性粘結劑　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　直管保冷結構

4保冷厚度的設計計算

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地露點溫度，從而防止保冷層外表面出現凝露而引起的對空氣的放熱系數增大。

(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致外界熱量傳入管道內，使介質升溫而過度氣化，需根據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行核算，以保證外保護層的溫度高于露點。

(3)經濟厚度計算法。為減少冷損并獲得最經濟效果，采用經濟厚度計算法，但是由于不同地區、不同企業的具體情況，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構，要求熟悉相關絕熱工程設計標準規范及這兩種材料的技術指標，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構需注意以下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，其機械強度難以保證。

(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，否則需重新調整內外層厚度。由于本工程外層采用聚氨酯管殼，內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)冷損量不超過規范允許的最大值。當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地露點溫度至少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 ℃，其雙層復合保冷結構厚度的計算方法如下：

(1)復合保冷層總厚度σ：

D2ln=

返算復合保冷層外徑D2=0.673m。

(2)內隔熱層厚度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

經計算，公稱直徑DN250的低溫乙烯主裝卸管道，雙層復合保冷結構內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

計算結果大于泡沫玻璃外表面溫度，需> 0. 9×(-65)=-58.5℃；

經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，雙層復合保冷結構內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。

根據同樣計算方法，公稱直徑DN80的低溫乙烯循環管道和氣相平衡管線雙層復合保冷結構內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，取介質操作溫度-104℃；ta為環境溫度，取夏季空氣調節室外計算干球溫度，27.4℃；td為露點溫度，根據夏季空氣調節室外計算干球溫度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，8.14W/(m2·℃)；λ1為泡沫玻璃導熱系數，≤0. 045W/(m·℃)；λ2為聚氨酯導熱系數，≤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。

保冷材料的導熱系數選用規范推薦數值，并考慮低溫運行時溫度對導熱系數的影響，氣象條件采用當地的氣象參數。

3結語

采用雙層異材保冷結構設計時，應根據管徑及保冷層厚度的不同，分類統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、伸縮縫及管托的設置，應嚴格執行設計文件的規定。

參 考 文 獻

[1]設計與計算. 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊(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準. GB 50264-2013，工業設備及管道絕熱工程設計規范[S].

[4]中華人民共和國石油化工行業標準. SH/T 3010-2013，石油化工設備和管道絕熱工程設計規范[S].

郭新杰： 430071，湖北省武漢市武昌區民主路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