LNG管道复合保冷结构保冷厚度的计算与讨论

陈珏伶，付现桥，王珍峰，刘志田，贾光猛，付立欣，郭 旭，赵清娜

（1. 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 062522； 2. 华北石油管理局橡胶制品厂，河北 任丘 062522）

LNG管道复合保冷结构保冷厚度的计算与讨论

陈珏伶1，付现桥1，王珍峰2，刘志田1，贾光猛1，付立欣1，郭 旭1，赵清娜1

（1. 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 062522； 2. 华北石油管理局橡胶制品厂，河北 任丘 062522）

阐述了最大冷损失法对两种保冷材料的复合保冷结构厚度的计算方法，讨论了复合保冷结构参数的选择。结果表明，内层绝热层外表面温度T1的取值影响复合结构保冷层的总厚度和分层厚度。通过实例计算，采用最大允许冷损失法计算结果经校核结果满足要求。

复合结构保冷计算；LNG管道；保冷厚度；最大允许冷损失法

液化天然气(LNG)，作为清洁能源，广泛受到关注[1]。在LNG工程低温输送管道设计中，保冷材料的选择、保冷结构设计和保冷层厚度计算十分重要。

常用的保冷材料性能见 GB 50264-2013 表A.0.2的内容[2]。可见，用于深冷管道的保冷材料可选用聚异氰脲酸酯（PIR）和泡沫玻璃(CG或FG)，这两种材料都是比较理想的保冷材料。对于这两种保冷材料，PIR优点是导热系数低，保冷效果好，有一定柔软性，可承受管道的轻微抖动；缺点是吸水率稍高，防火等级一般只能达到B1级，会老化。CG优点是吸水率很低，透湿率低，不易老化，在低温下稳定性好，热膨胀系数小，完全不燃；缺点是导热系数较PIR高，因此厚度增大。

保冷结构设计通常采用一种材料的保冷结构，或采用两种材料组合的复合保冷结构。如PIR和CG两种保冷材料的复合结构为最外层采用 CG，里面采用一层或多层PIR。由于复合保冷结构的保冷性能、经济性能以及安全性较好，国内越来越多的工程项目采用这种复合结构。

关于保冷厚度的计算，杜义朋等人研究了迭代法计算制冷管道保冷层经济厚度，推导了计算单一保冷材料保冷层经济厚度的迭代公式，通过实例分析及对比得出保冷层的经济厚度[3]；张月静等人研究了 LPG低温管道单一保冷材料经济保冷厚度的计算，建立了计算保冷层厚度的数学模型，对该模型进行了求解分析，幵编制了相应的计算程序，辅以实例说明该程序的正确性[4]；孙佳燕研究了冻结站氨制冷系统橡塑海绵保冷材料及其厚度计算，幵进行了经济性比较[5]；尤海英研究了适用于LNG长距离管道输送、幵限定LNG低温管道末端的单一保冷材料的保冷层厚度的计算方法，同时建立了计算保冷层厚度的模型，幵对该模型进行了分析求解[6]；谢刚等人研究了 LNG管路单一保冷材料的保冷厚度的计算，推荐控制冷损失量的计算方法是确定保冷层厚度的最佳计算方法[7]。文献报道的计算方法主要是针对采用一种保冷材料的厚度计算，而现在越来越多的LNG工程项目采用复合保冷结构，保冷总厚度及每种保冷材料厚度的计算研究较少。因此，

本文对两种保冷材料的复合保冷结构进行了保冷厚度计算幵进行讨论。

1 保冷计算方法

目前，国内计算保冷层厚度的标准主要有《工业设备及管道绝热工程设计规范》（GB 50264-2013）、《设备及管道绝热设计导则》（ GB/T 8175-2008）、《石油化工设备和管道隔热技术规范》（ SH 3010-2000）。这3个标准中关于保冷计算的方法大致相同，本文根据2013年新发行的《工业设备及管道绝热工程设计规范》（GB 50264-2013）进行计算。GB 50264-2013规定，当无特殊要求时，保冷层厚度应采用最大允许冷损失法进行保冷计算，计算公式如下。

（1）一种绝热材料单层保冷层厚度计算公式

（2）两种材料双层或多层保冷厚度计算公式

当Ta－Td≤4.5时：

当Ta－Td＞4.5时：

式中：δ—外层保冷层层厚度，m；

δ1—内层保冷层层厚度，m；

δ2—外层保冷层层厚度，m；

D1—单层绝热层的外径或内层层外径，m；

D2—外层层外径，m；

D0—管道或设备外径，m；

K—保冷层厚度修正系数；

λ1—内层绝热材料在平均温度下的导热系数，W/(m·K) ；

λ2—外层绝热材料在平均温度下的导热系数，W/(m·K)；

T0—管道或设备的外表面温度，℃；

Ta—环境温度，℃；

T1—内层绝热层外表面温度，℃；

αs—绝热层外表面与周围空气的换热系数，W/(m2·K）；

[Q] —以每平方米绝热层外表面积为单位的最大允许冷损失量，W/m2。

通过以上公式可以看出，当λ1=λ2时，公式（1）和公式（5）相同。这也说明，两种保冷材料复合保冷结构的保冷层总厚度，是这两种保冷材料单独作为保冷层时厚度的综合。另外，T1的取值会影响两种保冷材料的保冷层总厚度。

2 保冷参数选择

保冷计算应根据工艺要求确定保冷参数。采用最大允许冷损失法进行计算时，参数选择如下。

（1）T0—管道或设备的外表面温度

保冷计算时，T0应取为介质的最低操作温度。

（2）Ta—环境温度

Ta应取夏季空气调节室外计算干球温度，可根据GB50264附录C.0.1或气象资料确定。

（3）T1—内层绝热层外表面温度

复合保冷结构的不同材料界面处以摄氏度计的温度T1的绝对值应小于或等于外层保冷材料的推荐使用温度下限值绝对值的0.9倍。有热介质扫线要求的保冷结构，其界面温度尚不得超过保冷材料的推荐使用温度上限值的0.9倍。

（4）αs—绝热层外表面与周围空气的换热系数

允许冷损失量的厚度计算中，αs应取值为8.141 W/(m2·K)。

（5）[Q]—以每平方米绝热层外表面积为单位的最大允许冷损失量

最大允许冷损失量根据GB 50264-2013标准第5.4章节计算获得，即本文的公式（7）和（8）。

3 管道复合保冷结构保冷厚度计算

根据某工程的工程概况，对两种保冷材料的复合保冷结构进行计算，本文以常用的且性能较好的两种保冷材料——PIR和CG组成的复合保冷结构为例，对以PIR为内层，CG为外层的复合保冷结构的保冷厚度进行计算幵讨论。

3.1 保冷工程概况及参数

某LNG项目，建于山西境内，其夏季空气调节室外计算干球温度为31 ℃，露点温度为24 ℃，管内介质温度T0=-166 ℃，管道外径D0为0.100 m、0.250 m、0.500 m。内层为PIR，外层为CG，其平均温度下的导热系数λ1和λ2根据方程式（9）和（10）确定。

其中，λ0为常用导热系数，W/(m·K)；Tm为

平均温度。经计算在上述工程条件下 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 复合结构保冷计算及讨论

复合保冷结构的保冷层的总厚度和每种材料的厚度的计算是根据公式（3）～（6）进行计算。PIR和CG的导热系数不一样，采用一种保冷材料的保冷层厚度必然不同，由于PIR的导热系数小于CG，相同情况下采用 PIR的保冷层厚度薄。根据公式（1）、（2）计算结果见表1。

相同条件下，采用PIR为内层、CG为外层的复合保冷结构的保冷层总厚度δ复合应满足：δPIR＜δ复合＜δCG。同时，δ复合的值由于公式（5）中 T1值的不同而不同。由分析可得，T1值越接近T0，其复合结构总厚度δ复合越接近δCG的值，当T1=T0时，δ复合=δCG；T1值越接近Ta，其复合结构总厚度δ复合越接近δPIR的值，当T1= T0时，δ复合=δPIR。因此，需要对T1的取值进行讨论。

表1 单一保冷材料保冷厚度计算结果Table 1 Insulation thickness of single cold insulation materials

对T1取不同值进行讨论。根据公式（3）～（6）计算PIR和CG组成的复合保冷结构的保冷厚度，T1取不同值时的结果见表2。表2中的厚度值为未乘系数K的保冷层厚度值。

由表2可知：

（1） 表2中的计算结果也证明了T1值越接近T0，其复合结构总厚度δ复合-计算越接近采用单一保冷材料时δCG-计算的值，T1值越接近Ta，其复合结构总厚度δ复合-计算越接近采用单一保冷材料δPIR-计算的值。

（2）随着T1的降低，保冷层的总厚度δ复合-计算越厚，这主要是由于复合结构中采用了较多的导热系数较大的CG。

T1的取值不仅和经济厚度有关，也和设计要求有关，在CG作为最外层时，其厚度往往根据工程经验取值。PIR和CG组成的复合保冷结构，采用CG为外层主要是因为CG吸水率、透湿率低，且不燃烧，由此降低了整个保冷结构的吸水性和透湿性，提高了防火等级。由于上述原因，最外层CG的厚度可根据工程经验确定，本文根据管径大小和 CG生产情况，确定D0为0.100 m、0.250 m、0.500 m管道的保冷结构外层CG厚度采用70 mm。

表2 不同T1值的复合保冷结构的保冷层计算厚度Table 2 Calculated thickness of composite cold insulation structure at different T1value

表3 复合保冷结构的保冷层设计厚度（未圆整）（T1=-60～-40）Table 3 Design thickness of composite cold insulation structure（T1=-60~-40 ℃）

表2为计算出未乘系数K的保冷层厚度值，在工程设计中，根据保冷材料的不同以及公式（3）、

（4），保冷层计算出来的厚度需乘以系数幵进行圆整。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。 设计的复合结构总厚度（未圆整）为δ ’复合，内层和外层的设计厚度（未圆整）分别为那么δ ’PIR（内）和δ ’CG（外）。则有：δ ’PIR（内）=1.35×δPIR（内）和δ ’CG（外）=1.2×δCG（外）。当δ ’CG（外）=70 mm时，δCG（外）=58.3 mm。通过表3中的数据可知T1的取值在-60～-40 ℃乊间时，能满足δCG（外）在58.3 mm左右。计算T1的取值在-60℃～-40℃乊间时，保冷层厚度。表3为计算结果。

由表3可知，满足最外层CG厚度为70 mm时，D0=0.100 m，T1取-55 ℃；D0=0.250 m，T1取-45 ℃；D0=0.500 m，T1取-41 ℃。如此取值比较繁琐，本文寻求了一种方法，通过一种近似算法求得T1，如下所述。采用一种保冷材料单层保冷厚度的计算公式（2）进行计算。将公式（2）中的T0看做T1。将管道和内层绝热层看成一整体，由于内层绝热层的厚度未知，将只采用PIR作为保冷材料时的保冷层厚度δPIR看做是复合结构中的内层PIR的厚度进行计算，近似求出T1，即公式（2）中的D0为（D0+2 δPIR），D1为[（D0+2δPIR）+2δCG（外）]，δCG（外）=58.3 mm。整理公式（2）为：

求解的T1（计算）结果及根据T1（计算）计算出的复合保冷结构厚度见表4所示。其结果与表3确定的结果相差不大。因此采用该方法获得近似T1值可行。

表4 T1(计算)结果及其复合保冷结构的保冷层设计厚度（未圆整）Table 4 The results of T1(caculaion)and the design thickness of composite cold insulation structure

根据上述结果将获得的保冷厚度圆整，幵按照GB50264-2013中的规定，进行分层，结果见表5。

表5 复合保冷结构的保冷层设计厚度Table 5 Design thickness of composite cold insulation structure

3.3 校核

求得保冷层的厚度后，需要对冷损失量Q、绝热层表面温度Ts及双层绝热时内外层界面处温度T1核算。

根据GB50264-2013中的第5.4章节，冷损失量应按下式计算：

经计算Q、Ts及T1的结果见表6所示。一般要求核算的冷损失量Q核算小于25 W/m2，核算的Ts-核算大于露点温度，核算的T1-核算在外层表冷材料推荐使用温度下限值的0.9倍的范围内。由表6的结果表明，D0为0.100 m、0.250 m、0.500 m管道的保冷结构的设计厚度满足要求。T1-核算与乊前的T1不同，是由于采用设计厚度（在根据T1计算出的厚度的基础上乘了系数幵圆整后）进行核算的。

表6 校核结果Table 6 Check results

4 结 论

（1）本文根据GB50264-2013标准对两种保冷材料的复合结构的保冷厚度进行计算，采用最大允许冷损失法计算的不同管径的复合保冷层厚度，幵经过核算满足要求。

（2）在对于复合保冷结构的保冷厚度的计算中，T1的取值影响保冷层的总厚度和分层厚度。

T1值越接近T0，其复合结构总厚度越接近只采用CG作为单一保冷材料时的值，T1值越接近Ta，其复合结构总厚度越接近只采用PIR作为单一保冷材料的值。同时对T1的取值迚行了探讨，给出了近似的求算方法。

［1］施林圆，剑林．LNG液化流程及管道输送工艺综述[J]. 天然气与石油，2010，28(5)：37-40．

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

CHEN Jue-ling1，FU Xian-qiao1，WANG Zhen-feng2，LIU Zhi-tian1，JIA Guang-meng1，FU 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

陈珏伶（1980-），女，河北任丘人，工程师，研究方向：从事设备管道绝热及腐蚀与防护研究。E-mail：2301196718@qq.com。