浅谈寒冷地区化工企业给排水管道设计

吴洁

福陆（中国）工程建设有限公司（上海　201103）

工程设计

浅谈寒冷地区化工企业给排水管道设计

吴洁

福陆（中国）工程建设有限公司（上海201103）

分析了给排水管道的冻结机理。从防冻保温计算原则及保温伴热材料的选择等方面介绍了北方寒冷地区化工企业给排水管道防冻保温设计的特点；结合相关标准规范和工程经验，论述了给排水管道防冻保温的设计方法、防冻措施、布置要领和安装形式。

寒冷地区给排水管道设计防冻

0　引言

在我国北方的寒冷和严寒地区，给排水设计的重点是防冻。给排水系统作为化工企业重要的公用工程，如果防冻措施处理不当，将给工厂的正常运行带来诸多不便，甚至产生重大影响。同时，由于化工企业给排水系统的特点与常规的民用项目不同，针对各个系统的特点采用相应的技术措施尤为重要。目前国内执行的设计标准中尚无一个系统、完善的化工企业给排水管道防冻和保温准则，设计人员通常依据自身的现场经验和习惯做法进行设计。

结合工程现场遇到的问题，重点阐述了给排水管道保温和伴热的设计方法及相关注意事项，以期为北方地区化工企业的给排水管道设计提供参考和借鉴。

1　给排水管道冻结机理

当水在设备及管道内流动时，由于散热损失的存在，其温度沿流程逐渐降低。在一般的散热损失情况下，长度有限的管道内水的温度不至于降低到冰点；但当水停止流动时，由于得不到热量的补充，温度就有可能降至凝固点或冰点，甚至更低，从而发生冻结。冻结一旦发生，轻则堵塞管道，重则导致管道破裂。管内水冻结时，通常首先是紧靠管内壁的水开始冻结，圆形管道中冻结的水沿管壁呈环状，然后冻结层厚度逐渐增加，直至冻结至管中心而堵塞管道。由水的冻结过程可知，管内水的冻结是一个不稳定的传热过程。

由于不稳定传热过程的计算比较复杂，因此，工程上一般采用简化方法（即按照稳定传热的热平衡方法）计算防止冻结的保温层厚度，并适当考虑安全因素。

2　给排水管道的防冻保温设计方法

GB 50014—2011《室外排水设计规范》[1]中4.3.8条规定：一般情况下，排水管道宜埋设在冰冻线以下。当该地区或条件相似地区有浅埋经验或采取相应措施时，也可埋设在冰冻线以上，其浅埋数值应根据该地区经验确定，但应保证排水管道安全运行。GB 50015—2009《建筑给水排水设计规范》[2]中4.3.2.2规定：生活污水接户管道管道埋深不得高于土壤冰冻线以上0.15 m，且覆土深度不小于0.3 m。可见，给排水管道在寒冷地区通常采用埋地敷设或者布置在采暖厂房内的防冻方法。

一些直径较大的给排水管道发生结冰时只是在管道内壁结一圈冰，这样虽然不会堵塞管道，但会使其流量受到限制。考虑到埋地管道不易清理，需首先考虑将其埋至冰冻线以下，以保证管道内的水不会结冰。

对于穿越冰冻层或者露天布置的给排水管道，保温设计应符合减少散热损失、节约能源、满足工艺要求、保持生产能力、提高经济效益、改善工作环境等基本原则。

进行这部分给排水管道的防冻保温设计的关键是计算管道的工艺允许散热量和总散热损失量。

2.1工艺允许散热量的计算和确定

给排水管道水的允许散热量计算采用SY/T 6421—1999《设备及管道散热损失的测定》[3]的热平衡法计算。

式中：Q为总散热损失，W；G为质量流量，kg/h；C1为管道入口介质比热容，kJ/(kg·℃)；C2为管道出口介质比热容，kJ/(kg·℃)；t1为入口介质温度，℃；t2为出口介质温度，℃。

当介质为水时，根据其特性，比热容C1，C2选取4.2 kJ/(kg·℃)；t2选取水的结冰温度0℃。常年运行工况允许最大散热损失值见表1。

表1　常年运行工况允许最大散热损失值

2.2总散热损失量的计算和确定

地上布置的给排水管道的总散热损失量采用SY/T 6421—1999中的公式计算。

式中，qL为管道平均热流密度，W/m2；QR为设备或管道上金属裸露面、人孔或管件的总散热损失，W。L为被测管道长度，m；a为总放热系数，W/(m2·℃)；tw为表面温度，℃；tf为环境温度，℃。

由于tw是一个逐渐变化的温度，建议选择结冰温度0℃。

考虑到总传热系数K、管内介质温度及自然地温，按公式（4）计算给排水埋地管道的总散热损失。

式中，d1为管道外径，m；K为总传热系数，W/(m2·℃)；

t0为实测介质温度，℃；tg为自然地温，℃。

2.3防冻保温原则的设计确定

计算出管道的水允许散热量和总散热损失量后，对两个值进行比较。当水允许散热量大于总散热损失量时，给排水管道可在未设置防冻措施或设置少量措施的情况下正常运行，且不会发生冰冻破坏；当水允许散热量小于或等于总散热损失量时，给排水管道需要设置防冻设施才能确保不发生冰冻破坏并正常运行。由于管道的散热量影响因素较多，为了保证管道的安全性，建议选取计算总散热损失量的1.2倍为设计值。

管道防冻一般采用保温的方式。为了防止管道被冻坏，必须根据介质间断的时间计算出保温层的材料和保温厚度，以防止管道内介质冻结或延长介质冻结时间。加热保温是常用的一种保温形式，是将输送管道向环境中的散热量用加热的办法加以补偿，使输送管道中介质不冻结。有实验表明，对于管径小于DN40的管道，即使外加保温层，在夜间低流速工况下如果没有热源伴暖，壁温通常也会在3 h内从12℃降至0℃，这是十分危险的。管道内水的散热量应由伴热管来补充。加热保温常见的形式有蒸汽伴热管、热水伴热管和电加热带3种。管道蒸汽伴热的设计选用可参照文献“化工工艺管道蒸汽伴管的设计”[4]；保温层厚度的计算和确定按照国家建筑标准设计图集03S401《管道和设备保温、防结露及电伴热》和GB/T 4272—2008《设备及管道保温技术通则》执行；保温材料的选择按照国家建筑标准设计图集03S401执行。

3　给排水管道防冻保温管道的布置要求和防冻措施

在寒冷地区，给排水管道易发生冰冻破坏，设计时首先考虑将其布置在冰冻线以下。当管道布置在冰冻层以上或者露天时，需要考虑对其进行防冻保温。由于化工企业的水系统介质较多，各种水系统的工艺特点不同，因此各种管道的防冻保温设计也不同，结合工程经验，介绍几种主要给排水管道的设置要求及防冻措施。

3.1生产、生活给水管

在寒冷地区，冬季生产、生活给水的运行温度约为在8℃，与结冰温度（0℃）相差很小，因此其给水管很容易发生冻结。生产、生活给水管首先应尽量布置在冰冻线下，当穿越冰冻线与地上用户连接时，通常采用的防冻保温方法如下：

（1）控制最小接管管径，避免首次运行时的冰冻破坏。当生产、生活给水管首次或间断投入运行时，管道及周围的土壤温度接近于室外最低温度。

内蒙古某PVC项目的空压控制室需设置一根空调加湿水管，管径原设计为DN20。发现在冬季敞口情况下，生产给水管打开阀门后，地上管道出水缓慢，管壁很快形成一圈冰膜，管口逐渐结冰，最终管道完全冻结。在后续改造中，将埋地管道的管径增加至DN32，在冬季未发生冻结现象。

因此，生产、生活给水管与地上管道交接点管径不得小于DN32（采暖厂房）或DN50（非采暖厂房）。

（2）选择强度高的管材。由于非金属管材在冰冻条件下易脆化，因此选用金属管道（考虑到卫生要求，生活水管可采用内涂塑的金属管道）。同时，对于小口径钢管（DN≤100），采用强度高的无缝钢管也可增强管道抗冰冻破坏的能力。

（3）在冰冻线以下管道上设置切断阀和放空管。设置切断阀首先可以保证冰冻层以上的管道在停运和检修时地下主管道的安全，使其不受局部管道的影响，其次还能保证阀门后端管道可进行有效的放空或检修。设置放空管可以切断阀后管道，将其中的水放空,避免存水在管道中冻结。对于排水条件好的区域，放空管宜接入就近的排水检查井中；如附近无排水检查井，可在地面上增设一处放空管。管道需要放空时，先将地上部分管道中的积水排出，然后打开地下放空管，将少量的积水排入自身阀门井中，人工排除积水。

（4）冰冻层以上的管道需进行保温伴热。地上管道的保温伴热按照03S401执行；冻土层中管径较小的管道应采用包裹保温材料的方式减少周围冻土对管道的影响。保温材料可选取保温管壳或离心玻璃棉，保温厚度参考地上管道厚度。地下部分管道保温范围可从切断阀井至地坪上300mm。

（5）洗眼器及安全淋浴应尽量设置在采暖厂房内，室外设置时，给水管道宜使用电伴热。

生产、生活给水管道的典型防冻安装形式如图1所示。

图1　生产、生活给水管道的典型防冻安装形式

3.2消防水管道

消防水除了与生产、生活水冬季运行温度相似外，还具有压力高、保证性要求高、使用频率低等特点。同时由于接入厂房或框架的消防水管管径最小为DN65，且通常采用金属管材，因此消防水通常采用的防冻保温方法如下：

（1）在冰冻线以下管道设置切断阀和放空管。

（2）冰冻线以上或露天设置且冬季充水的管道需设置可靠的保温伴热。

天津地区某LNG接收站项目的码头设置有消火栓、消防炮、码头前沿水幕系统、逃生通道水喷淋系统等消防设施，根据消防要求，需要保证雨淋阀前和消火栓前的管道一直充满稳高压消防水，因此，该部分消防水管道采用了可靠的保温伴热。而雨淋阀后的喷淋管道只在消防时才充水，因此未采用保温、伴热措施。从消防主管道出地面至各个消防设施和雨淋阀组前的管道采用了电伴热（该项目无蒸汽系统），伴热维持温度为5℃，并采用50 mm厚离心玻璃棉保温。

按照03S401，消防水主管道电伴热的初步计算如下：

长70 m、DN500的消防管道，环境温度ta=-11.7℃，介质温度t0=5℃，采用玻璃棉制品保温，放热系数αs取11.63 W/（m2·℃），绝热层厚度为50 mm，则：Δt=t0-ta=16.7℃。

根据图集中表6，Δt=20℃时，管道散热量QB= 36.5 W/m，实际散热量QTB=36.5 W/m。

对于变功率电热带，由图集中表2可查得，5℃时，30ZXW型变功率电热带的输出功率为31 W/m，小于散热量QTB(36.5 W/m)，所以安装系数=36.5/31= 1.18，电热带长度L’=70×1.18=82.6 m。由于是初算，未计入阀门、法兰等附件长度，若考虑1.2的长度系数，则电热带总长度L=82.6×1.2≈99 m。

由变功率（自限式）电热带220V单一电源最大使用长度（Lmax）表可知，ta=-10℃时，Lmax=114 m，30 A电流短路开关，电热带实际总长L＜Lmax，满足要求，可任意切割，则总功率N=LQTB≈3614 W。

对于恒功率电热带，已知QTB=36.5 W/m，选用4根长100 m的DCR-10型电热带，每根输出功率为10 W/m。则电热带总长度L=4×100=400 m，总功率N=L×QTB=400×10=4000 W。

（3）在采暖厂房采用湿式消火栓系统，在非采暖厂房或露天框架宜采用干式消火栓系统。为保证冬季消防水使用时不发生冻结，给水主管的管径不宜小于DN80。

（4）当采用防冻型消火栓及消防炮时，宜将其设置于背风向阳处，并宜设置保温井筒。

（5）根据GB 50084—2005《自动喷水灭火系统设计规范》[5]的4.2.2条和4.2.3条第3款，在非采暖的厂房内，自动喷水灭火系统采用干式系统或者代替干式系统的预作用系统。

（6）雨淋阀组、报警阀组均宜设置在有可靠供暖的雨淋阀室或报警阀室内，室内温度应大于4℃。虽然GB 50084—2005中没有明确规定将报警阀组设于采暖房间内，但在寒冷地区要有可靠供水，必须保证阀组及阀前管道不冻结，因此报警阀组宜参考雨淋阀组，设置在有可靠供暖的报警阀室内。

（7）非采暖厂房或露天框架的消防水或自动喷水灭火管道、雨淋管道在设计中尽量避免出现“U”型管道。如出现“U”型管道，需在其最低点设置放空管，以防止积水冻结。

3.3循环水管道

循环水在冬季的运行温度通常控制在18℃以上，与冰点温度相差较大，因而循环水管道不容易发生冻结，甚至可以作为伴热管道使用。因此在最低管道覆土情况下，大口径循环水管道可以布置在冰冻线上。有实验表明，当管径小于DN50的循环水管道在冰冻层内布置或者穿越冰冻线与地上用户连接时，其有可能在冬季启动或停车时发生冻结。循环水管道通常采用的防冻保温方法如下：

（1）控制最小接管管径，延长首次冰冻破坏的时间。在冰冻层长距离布置循环水管道的管径不得小于DN80，与地上管道交接点的管径不得小于DN50。

（2）地上循环水管道一般情况下不考虑伴热，但须根据管径和管道布置的长短考虑是否需要保温，并应设置放空阀。

（3）循环水管道可作为水泵的防冻管道。通常采用在泵出口管道的止回阀两端设置旁通管道的方式。运行中的循环水泵一般不会发生冻结，为防止备用泵内的水冻结凝固，应采用防冻循环管道，使循环水从备用泵的防冻循环管道经泵体返回吸水池。露天循环水泵防冻管道的安装形式见图2。

图2　露天循环水泵防冻管道的安装形式见

内蒙古地区某PVC项目的循环水站设计中，循环水泵水量为6000 m3/h，水泵进出水管道分别为DN1200和DN900。方案设计时，首先确认运行的泵及管道不会发生冻结，然后考虑将循环水作为热源，在泵出水管道的止回阀至电动蝶阀两端设置了防冻旁通管道，在止回阀至电动蝶阀的管道上设置了放空阀。当循环水泵运行时，防冻旁通管道上阀门关闭，循环水正常地从水泵进口流向出口。当循环水泵备用时，防冻旁通管道上阀门打开，循环水作为热源为备用的管道及设备伴热，经过防冻旁通管道从反向的水泵出口流向吸水池。同时，打开放空阀将两个阀门间的管道存水排空，避免死水冻结。该项目循环水泵站的设计完全放弃了北方常用的大型循环水泵房，而采用与南方地区相似的露天泵站，仅泵房土建一项就为业主节约了大量费用（类似泵房预算造价为100万元）。由于防冻管道设计合理、简单，该项目循环水泵已连续平稳地运行了多个冬季。

对于以循环水为主要换热介质的工艺换热器，也可在设备入口的切断阀前设置一根防冻循环连通管道，换热器待机时，打开该管道即可防止循环水管道结冰。一般防冻循环管道的防冻管线也需保温。

3.4生活污水及生产废水管道

一般情况下，生活污水及生产废水排水管道宜埋设在冰冻线以下。在很多实际工程中，经常会出现管道冻塞现象，冻塞管道的原因一般有两个：一是埋深过浅，保温措施不够；二是管道坡度过小，排水流速较慢，导致污水的热量散失很快，在进入检查井之前已经冻结。解决冻塞现象的根本办法是将管道的埋设深度增加至冰冻线以下150 mm，这样可确保管道常年不结冰。

露天框架的污、废水如果采用重力流排放，地上管道应设置伴热及保温措施。

随着环保要求的增强，越来越多的工厂采取压力流输送污水。虽然污水自身有一定温度，但由于通常是间断排放，因此压力污水管道也应采取严格的防冻保温措施：（1）压力流污水地下管道宜布置在冰冻线以下；（2）压力流污水地上管道应设置防冻伴热措施，按照图集03S401执行。

3.5雨水管道

北方冬季降水的主要形式是降雪。因此，寒冷地区的雨水管道可以不考虑管内的冰冻危害。但雨水管道敷设在冻土层内会受到冻胀影响，以致管道破裂毁坏，不能使用。所以当雨水管道埋设在冰冻线以上时，其浅埋数值应根据该地区的经验确定，但应保证排水管道安全运行。

在化工企业中，雨水管道有时候会承担循环水系统和脱盐水系统清洁废水的排放。这些清洁废水的温度较高（18~25℃）、瞬时流量大，不会造成管道内结冰。但是间断排放容易造成管道材料的热胀冷缩，因此除了增加管道材料强度外，最常用的就是将排水点管道标高降至冰冻线以下。

3.6阀门井及检查井

采暖室外计算温度低于-10℃的地区，各种室外给水的阀门井及排水检查井均应采取双层井盖保温或其他保温措施。双层井盖按照给排水标准图集97S501-2《双层井盖》制作、安装。

在秋冬交替季节，雨、雪水白天沿井盖流入阀门井及检查井内，晚上温度降低后冻结。第二天地面融化的雪水又流进去，晚上再次冻结，反复多次，便将井盖冻结成了大冰块，与井壁冻结在一起，要将井盖打开非常困难，这种情况下根本无法满足地下管网正常运行及检修的要求。解决的办法是将阀门井及检查井的井座设置高出周围地面100 mm以上，以防雨、雪水流入，为不影响交通，尽量将井室设置在绿化带上，并设相应标记。

4　结语

总之，北方地区化工企业给排水管道的设计重点是防冻，如果防冻措施处理得当，在增加给排水系统使用寿命的同时，还可以节约造价。设计者需本着合理设计、节约能源的原则，对整个给排水系统的防冻统一考虑，在重点环节上多下功夫，以确保管道顺利过冬。

[1]GB 50014—2011室外排水设计规范[S].

[2]GB 50015—2009建筑给水排水设计规范[S].

[3]SY/T 6421—1999设备及管道散热损失的测定[S].

[4]王少盖,郑学锋.化工工艺管道蒸汽伴管的设计[J].化肥设计,2008,46(1):21-24.

[5]GB 50084—2005自动喷水灭火系统设计规范[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

吴洁女1982年生本科工程师主要从事给水排水设计工作

2015年6月