埋地LNG管道绝热层厚度计算分析

付现桥 陈珏伶 徐敬

摘 要：总结了关于LNG管道绝热设计的国内外标准，并给出埋地LNG 管道保冷结构以及保冷层厚度的计算方法，应用有限元分析软件对LNG 低温长输管道进行了稳态热力分析。研究结果表明ANSYS温度分析与计算结果基本相同，相对误差较小， 可满足工程设计需要。

关 键 词：LNG管道；埋地管道；绝热层；厚度计算

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1845-03

Abstract： Domestic and foreign standards of LNG pipeline thermal insulation layer design were reviewed. The calculation method of insulating layer thickness of buried LNG pipeline was gained. Steady-state heat transfer process of the buried cold pipe was calculated under surface temperature cyclical fluctuation conditions by ANSYS. The results show that the results of ANSYS analysis and calculation are basically the same， and the relative error is lesser， which can meet the needs of the engineering design.

Key words： LNG Pipeline； buried pipeline； insulating layer； thickness calculation

目前，随着我国经济的发展和社会的进步，人们对环境保护的意识不断提高。由于天然气燃烧后，主要产生二氧化碳及水蒸气，几乎不会产生污染物，相对其石油、煤炭等其他能源来说，这是现今利用最为广泛的清洁的能源。但是天然气需求量根据季节、地域等不同会存在大量的差异[1-3]。LNG作为天然气液态，仅有同量气态体积的1/625，往往天然气会被液化成LNG进行调峰处理[4-6]。

LNG管道往往都是地上架空敷设，但是由于受到环境及其建设位置受限等影响，LNG管道在一些项目中采用部分埋地敷设。地下土壤的温度相对空气来说变化不大，导热系数较高，LNG绝热结构就异常重要。绝热设计应符合减少冷量损失、节约能源、满足工艺要求、保持生产能力、提高经济效益等基本原则[7，8]。

本文总结了埋地管道绝热层计算标准，对比了国外现行的绝热标准中计算方法，并进行实例计算，旨在有效推进国内埋地管道绝热层设计。

1 绝热计算方法

1.1 基于国内标准的计算方法

国内标准GB 50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》明确规定了不适用于埋地管道的絕热工程设计；SH/T 3010-2013《石油化工设备和管道绝热工程设计规范》规定不适用于有特殊要求的管道工程绝热设计（且其内容没有涉及到埋地管道绝热层计算）；GB/T 8175-2008《设备及管道绝热设计导则》规定了直埋管道保温就算可以参照CJJ 104 的相应规定计算，但是没有给出直埋管道保冷计算内容。国内的其他绝热设计标准中也没有给出埋地管道保冷计算方法。

1.2 基于国外标准的计算方法

国外主要标准英国标准BS EN ISO12241-2008《建筑设备和工业装置的绝热计算规则》、日本标准JIS A 9501-2006《绝热保温工程施工标准》、美国标准ASTM C680-2004《用计算机程序对隔热扁平、圆柱和球状系统热增量或热损失以及表面温度的评定规程》等国外的绝热标准中也没有明确给出埋地管道保冷计算方法。

2 管道绝热结构及厚度计算

本文中LNG埋地管道1.5 m处土壤年平均温度为10.4 ℃。为了尽量减少管道对土壤的温度场影响，并考虑到建设成本，尽量在投资较小的情况下选择保护管道外表面温度与地温近似。本文中LNG输送管道外径为159 mm，材质为316 L，LNG输送温度为-168 ℃，埋地土壤温度取值为10.4 ℃。

绝热材料应根据被绝热LNG管道的设计温度，结合其防潮（吸水、吸湿、憎水）性能、导热系数、硬质材料的线性膨胀/收缩系数、抗压强度、抗折强度、化学稳定性、热稳定性指标合理选用。本文综合考虑后选择绝热材料为PIR（聚异氰脲酸酯）（表1）。

2.1 管道绝热结构

LNG 管道的绝热层在受到土壤的挤压后保冷效果迅速下降（会导致传热系数变大），不利于管道的无气化输送（造成局部热量进入LNG管道过多，使部分LNG气化）。为了能够避免绝热层受到土壤挤压造成的问题，本工程中绝热结构是由绝热层、防潮层、空气层和保护管等组成。这样既能够保证保冷效果又可以防止绝热层受到土壤挤压等问题。

绝热层与外护管之间采用导向滑动支座进行支撑，并充满干空气。导向滑动支座绝热结构见图1所示。

使用管道输送LNG时，为了保持LNG输送过程中不气化，需要尽量减少管道与土壤的热交换，确保LNG 处于 “过冷”状态。本文利用“过冷”态原理进行了无气化管道输送计算。

2.2 管道绝热厚度计算

本文中LNG埋地绝热层厚度计算是根据热力学公式衍化的。在无特殊情况下，应按工艺提供最大允许冷损失下保冷层外表面温度进行计算。管道外表面温度应为设计最低温度，土壤的自然温度应取管道运行期间管道中心埋深平均温度，地面大气温度应取管道年运行或季节运行期间地面平均温度。

在计算过程中做出如下假设：LNG管道内壁温度与LNG输送温度相同；输送介质管道放置在保护管中，保冷层与保护管之间的空气为对流换热；管道在运行过程中处于稳态导热[4]。

本文采用ANSYS计算分析LNG低温管道的温度分布。LNG管道两侧及上下方土体温度较低（4-8℃），出现了低温区，这主要是由于LNG 管道不断向土壤散发冷量（土壤中的热量不断传到进入LNG管道），使管道周圍土壤温度低于正常温度（10.4℃）。此时受地表环境温度波动影响已很小，管道下方土壤温度场维持在较稳定的低温状态。整个LNG管道热量传导处于一个比较稳定的阶段，满足工艺需求的输送条件。模拟结果与计算结果差别不大，较为一致，证实了本文采用此方法计算合理。

3 结 论

本文总结了埋地管道绝热层计算标准，分析了国内外现行的绝热标准中计算方法，给出了相应的计算方法。本文还指明了埋地LNG 管道绝热层结构设计，包括绝热层、防潮层、空气层和保护管及导向滑动支座等。并利用ANSYS计算分析LNG 低温管道的温度分布验证计算结果合理。

参考文献：

[1] 卢涛，姜培学.多孔介质融化相变自然对流数值模拟[J]. 工程热物理学报，2005，26：167-176.

[2] 张威，吴明. 直埋LNG 管道周围土壤冻融相变数值研究[J]. 当代化工，2011，40（2）：161-163.

[3] 付现桥，陈珏伶，徐敬，等. 国内外关于LNG管道保冷层厚度设计相关标准分析[J]. 当代化工，2013，43（3）：356-358.

[4] 李庆杰，陈保东，洪丽娜，等. LNG 管道输送工艺计算[J]. 当代化工，2011，40（2）：163-164.

[5] 刘玉晗，刘宝玉，苏鹏. 基于ANSYS的LNG管道保冷结构分析[J]. 当代化工，2012，41（2）：185-188.

[6] 杨建坤，刘卫东，苟海平. LNG低温管道PIR 保冷层内部温度随厚度变化的数值模拟研究[J]. 机电设备，2015，3：13-15.

[7] 包臣，莫海元. LNG 管道保冷层温度场的数值模拟[J]. 当代化工，2013，42（11）：1608-1610.

[8] 杨明学，高百争，杨秋. 多屏绝热辐射直埋蒸汽管道保温层的设计[J]. 煤气与热力，2007，27（3）：66-68.