港口低温装卸管线保冷设计

中交第二航务工程勘察设计院有限公司　郭新杰



港口低温装卸管线保冷设计

中交第二航务工程勘察设计院有限公司郭新杰

摘要：在介绍保冷结构设计的基础上，结合港口工程实例，探讨了装卸管线保冷结构设计事项，给出了保冷厚度的设计计算方法。

关键词：低温； 装卸管线； 保冷

1前言

随着常压低温储运技术在国内逐渐发展成熟，天然气、乙烯和丙烯等液化烃的水运方式在原有压力液化或高压增容方式运输方式之外，越来越多的石化码头采取常压低温方式直接装卸常压低温液化天然气、液化乙烯和液化丙烯等化工原料。

液体化工原料在港口装卸过程中，操作温度低于环境温度的工艺管道，需在管道外部覆盖保冷材料，以减少外部热量向内部传入，且使外保护层的表面温度保持在露点以上，不使其表面结露而采取的措施叫保冷。对低温运行管道进行保冷设计的主要目的是：减少管道及其组成件在输送过程中的冷量损失，降低能耗；减少输送过程中介质温升，以利于系统的良好运行；改善劳动条件，防止操作人员冻伤；防止管道及其组成件表面结露。为此，必须选择合适的保冷材料及保冷厚度。选择经济保冷材料有2个最重要的技术指标：一是导热系数，因为导热系数与管道的热损失成正比，当有多种保冷材料可以选择时，材料的导热系数与其单位体积价格的乘积越小则越经济；二是密度，通常材料密度越小，其导热系数越小。

目前，国内的石化行业低温管道通常使用泡沫玻璃、硬质聚氨酯泡沫塑料或双层异材保冷结构。泡沫玻璃具有容重低、不透湿、不吸水、不燃烧、不霉变、不受鼠啮，机械强度高且易于加工，有良好的耐低温性(可用于- 196℃的低温环境)等优点。聚氨酯(使用温度在- 65℃以上)具有容重低、导热系数小、有较好的防潮性和阻燃性等优点，并且聚氨酯的材料价格要低于泡沫玻璃。本文结合江苏某液体化工码头工程实例，探讨低温工艺管线保冷结构的设计、施工的注意事项。

2工程概况

江苏某液体化工码头工程拟建码头位于长江下游扬中河段太平洲左汊团结闸下游处，水路距吴淞口约203 km。拟建设2个泊位，其中外档为2万吨级液体化工泊位(水工结构按靠泊5万吨级船设计)1个，内档为500 吨级液体化工泊位1个，设计通过能力为160 万t/年，主要装卸货种有低温乙烯、丁烷、苯和苯乙烯。

低温乙烯储运系统中，针对低温乙烯特殊工艺要求，码头至低温储罐间设有1根3 km的DN250装卸管和相应长度的1根DN80循环保冷液相管,以及1根DN80气相平衡管。

3保冷结构的选择

低温管道的保冷结构由内至外依次为防锈层、保冷层、防潮层、保护层。

3.1防锈层

对碳钢、铸铁、铁素体合金钢等材质的管道，需清除其表面的铁锈、油脂及污垢后，涂刷2道冷底子油。本工程中，输送液相低温乙烯的管道材质为奥氏体不锈钢，因此不需涂刷防锈漆，但要求与管道接触的耐磨材料和泡沫玻璃中氯离子含量不能超过20μg/g，以免不锈钢管道腐蚀。

3.2保冷层

保冷层结构按其形式和安装方法有5种。

(1)胶泥涂抹结构。一般用于小型设备、外形复杂的构件或临时性保冷，现已较少使用。

(2)包扎结构。利用毡、席、带等的半成品绝热材料，在现场剪成所需要的尺寸，然后包扎于管道上。如果包扎1层不满足设计厚度，可以包2层或3层。常用的材料有：矿渣棉毡、玻璃棉毡、超细玻璃棉和石棉布。

(3)复合结构。里层材料耐较低低温，外层材料耐较高低温，既满足保冷要求，又可减轻保冷层重量，适用于较低温度(-50℃以下)的管道保冷。

(4)浇灌式结构。将发泡材料浇灌入预制的模壳中发泡成保冷层结构。

(5)预制管壳结构。按照设计要求，将保冷材料预制成硬质的定型制品，施工时直接将定型制品用不锈钢带捆扎在管道上。

本工程管道的保冷设计方案选用复合结构与预制管壳结构相结合的方式：泡沫玻璃内层、聚氨酯外层的双层异材保冷结构，泡沫玻璃及聚氨酯均为预制管壳。由于保冷材料是预制管壳，当单层保冷层厚度超过80 mm时，必须分为2层或多层捆扎，而且被分层后的保冷材料的厚度要求基本一致。内、外层的厚度值需经计算确定，既要满足保冷要求，又要使泡沫玻璃和聚氨酯界面处的温度不超过聚氨酯安全使用温度的0. 9倍。

安装保冷材料时，上块和下块的接缝，内层接缝和外层接缝都必须错开，其中内、外层的接缝错开100～150 mm，水平管的最外层拼缝不能垂直向上，这样既可避免雨水沿拼缝进入保冷层，又可避免发生冷桥现象，有利于管道保冷。拼缝间距不超过2 mm，超过时需填塞保冷材料，并用胶密封。

保冷层的捆扎均为分层捆扎。由于低温管道的特殊性，内层的捆扎带采用不锈钢带，最外层采用镀锌钢带，捆扎带间距约300 mm。

由于管道和保冷材料的线涨系数不一，为避免在低温运行时两者摩擦而破坏保冷结构，要求每层保冷材料每4 m左右设置伸缩缝，各层的伸缩缝需错开，错缝间距不大于100 mm，而且最外层的伸缩缝外需再做一层保冷层。

3.3防潮层

防潮层的主要作用是防止雨水、空气中的水气进入保冷层，导致保冷层的导热系数急剧增加，使保冷材料变软、腐烂，破坏绝热结构的完整性，同时也增加了冷量损失。和保温层不同的是，保冷层外的防潮层，不得采用铁丝、钢带等硬质捆扎件，以免刺破防潮层。本工程采用了石油沥青玛碲脂加玻璃布的结构，在聚氨酯外表面涂抹一层3 mm厚的玛碲脂，玻璃布搭接缠绕，玻璃布外层再涂抹3 mm厚的玛碲脂。

3.4保护层

保护层是保冷结构的最外一层，它起到保护保冷层及防潮层的作用，以阻挡环境和外力对保冷层的影响，延长隔热结构的寿命。因为本工程的保冷层是硬质管壳结构，所以用0. 5 mm的铝板做保护层。现场施工时，铝板质地较软，便于弯曲，适用于本工程采用的双层异材保冷结构的防护层。软质的绝热结构一般宜采用镀锌钢板做保护层。为避免破坏里面的防潮层，本装置的保护层接缝施工采用了咬合结构，而不是常见的自攻螺丝固定形式。双层保冷的直管结构见图1 。

1.管线本体　2.耐磨涂料　3.泡沫玻璃管壳　4.发泡性粘结剂　5.不锈钢带　6.聚氨酯泡沫塑料管壳　7.石油沥青玛碲脂3 mm　8.防潮玻璃布　9.薄铝板图1　直管保冷结构

4保冷厚度的设计计算

4.1保冷计算方法选择

保冷层的厚度直接影响管道的保冷效果乃至装置的平稳运行，需针对不同的目的和条件选择合适的保冷计算方法。

管道直径小于等于1 000 mm时，管道保冷计算按圆筒面计算；而对于管道直径大于1 000 mm的管道，保冷计算时按平面计算。

(1)表面温度法。为限定表面温度，采用表面温度法。这种计算方法要求保冷层的外表面温度高于当地露点温度，从而防止保冷层外表面出现凝露而引起的对空气的放热系数增大。

(2)最大允许冷损法。为限定表面能量损失，采用最大允许冷损法计算。通常在长距离输送低温物料的管道中，为防止因长距离输送导致外界热量传入管道内，使介质升温而过度气化，需根据管线的可能长度和最大允许冷损量来计算保冷层厚度。计算出的保冷层厚度还需用表面温度法进行核算，以保证外保护层的温度高于露点。

(3)经济厚度计算法。为减少冷损并获得最经济效果，采用经济厚度计算法，但是由于不同地区、不同企业的具体情况，燃料价格、电价乃至工程费用的贷款利率等均会对冷能价格造成影响，不利于设计人员计算管道的保冷厚度，因此该计算方法的使用有一定局限性。

本工程管道保冷计算方法采用在石油化工装置中最常用的圆筒面表面温度计算法。

4.2保冷计算边界条件

针对本工程采用泡沫玻璃和聚氨酯双层异材保冷结构，要求熟悉相关绝热工程设计标准规范及这两种材料的技术指标，在满足工艺运行的前提下，正确地计算出每层保冷材料的厚度。对于双层异材保冷结构需注意以下4方面。

(1)保冷材料的最小厚度，对泡沫玻璃而言，受其加工工艺的限制，最小厚度一般为60 mm，若小于60 mm，其机械强度难以保证。

(2)双层异材隔热层界面处的温度需高于外层隔热材料的安全使用温度的0. 9 倍，否则需重新调整内外层厚度。由于本工程外层采用聚氨酯管壳，内层泡沫玻璃管壳与外层聚氨酯管壳界面处温度不低于0. 9×- 65 ℃=-58. 5 ℃。

(3)冷损量不超过规范允许的最大值。当ta-td≤4. 5时，保冷层外表面单位面积最大的允许冷损失量 [Q] =-(ta-td)·α=-(27.4-25.6)×8.14=-14.652。

(4)保冷层外表面温度需超过当地露点温度至少1～3 ℃。

4.3保冷材料厚度计算

管道公称直径DN250的低温乙烯主装卸管道本体外表面温度为-104 ℃，其双层复合保冷结构厚度的计算方法如下：

(1)复合保冷层总厚度σ：

D2ln=

返算复合保冷层外径D2=0.673m。

(2)内隔热层厚度σ1：

已知D0=0.273 m，计算可得D1=0.414 m。

(3)外隔热层厚度σ2

σ2=σ-σ1=120mm

经计算，公称直径DN250的低温乙烯主装卸管道，双层复合保冷结构内层泡沫玻璃管壳厚度为80mm，外层聚氨酯管壳厚度为120mm。

(4)管道外表面冷损失量计算

计算结果小于最大的允许冷损失量[Q] =-(ta-td)·α=-(27.4-25.6)×8.14=-14.652

(5)隔热层外表面温度计算

计算结果大于聚氨酯外表面温度，需>27.4+1=28.4℃

(6)隔热层界面温度计算

计算结果大于泡沫玻璃外表面温度，需> 0. 9×(-65)=-58.5℃；

经管道外表面冷损失量计算、隔热层外表面温度计算和隔热层界面温度计算三方面核算，双层复合保冷结构内层泡沫玻璃管壳厚度为80 mm、外层聚氨酯管壳厚度为120 mm,满足工艺要求。

根据同样计算方法，公称直径DN80的低温乙烯循环管道和气相平衡管线双层复合保冷结构内层泡沫玻璃管壳厚度为60mm、外层聚氨酯管壳厚度为100 mm,可以满足工艺要求。

上述各式中，Q为以每平方米绝热层外表面积表示的冷损失量，W/m2；t0为管道外表面温度，取介质操作温度-104℃；ta为环境温度，取夏季空气调节室外计算干球温度，27.4℃；td为露点温度，根据夏季空气调节室外计算干球温度ta和最热月平均相对湿度87%，查表得25.6℃；ts为聚氨酯外表面温度，需>27.4+1=28.4℃；t1为泡沫玻璃外表面温度，需> 0. 9×(-65)=-58.5℃；α表面换热系数，8.14W/(m2·℃)；λ1为泡沫玻璃导热系数，≤0. 045W/(m·℃)；λ2为聚氨酯导热系数，≤0. 023W/(m·℃)；D0为管道外径，m；D1为泡沫玻璃管壳外径，m；D2为聚氨酯管壳外径，m。

保冷材料的导热系数选用规范推荐数值，并考虑低温运行时温度对导热系数的影响，气象条件采用当地的气象参数。

3结语

采用双层异材保冷结构设计时，应根据管径及保冷层厚度的不同，分类统计泡沫玻璃及聚氨酯的长度，以便于采购管壳式的泡沫玻璃及聚氨酯，缩短施工时间，降低造价并利于检查、维修。施工过程中，各保冷层的连接、伸缩缝及管托的设置，应严格执行设计文件的规定。

参 考 文 献

[1]设计与计算. 石油化工装置工艺管道安装设计手册(第三版)[M]. 北京：中国石化出版社，2004.

[2]石油化工管道安装设计便查手册(第四版)[M]. 北京： 中国石化出版社，2014.5.

[3]中华人民共和国国家标准. GB 50264-2013，工业设备及管道绝热工程设计规范[S].

[4]中华人民共和国石油化工行业标准. SH/T 3010-2013，石油化工设备和管道绝热工程设计规范[S].

郭新杰： 430071，湖北省武汉市武昌区民主路555号

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