极地平台管线的保温设计与传热分析

(1.中国石油大学 石油工程学院， 山东 青岛 266580； 2.中集海洋工程研究院有限公司， 山东 烟台 264000)

0 引 言

随着全球能源需求的日益增长和现代科技的不断发展，石油与油气消费者的目光逐渐转向能源丰富的极地地区。根据2008年7月23日美国地质调查局(USGS)发布的《环北极资源评估报告》，北极地区石油储量占全球未开采石油的30%，天然气资源占全球未开采天然气的30%[1-3]。尽管评估显示北极油气资源的储量相当可观[1]，但对北极油气资源进行规模开发有众多技术上的问题，其中平台设备的保温防寒设计就是一个关键性的问题。目前，对工艺管道保温的研究已有不少，胡卓焕等[4]对LNG运输管道进行耦合传热数值模拟，分析环境温度、保温层厚度、雷诺数对管道热量损失的影响，但在计算中未考虑管道之间的布置对热量损失的影响。魏玉满[5]提出热管保温材料的选择和保温层经济厚度的计算方法，但未通过理论计算和数值模拟进行验证。刘承婷[6]对蒸汽管道保温材料进行性能对比，模拟不同环境因素、保温材料、保温层厚度对保温效果的影响。包臣等[7]对管道保温层温度场进行数值模拟，但空气与保温层外表面的对流换热是取定值计算的，未考虑风速对对流换热系数的影响。

以平台某燃油管道为例，结合工程实际工况建立极地环境工作的燃油管道三维稳态传热模型，所设计的管道保温方式需保证能够应对-45 ℃的环境温度。由于管道内介质温度高达300 ℃，燃油管道内部温度与环境温度之间存在极大的温差，管道在工作期间与外界环境进行热量交换，造成极大的热量损失。在这一复杂的传热过程中，保温层的厚度变化会对传热过程产生很大的影响[8]。分析比较不同环境温度、不同风速、不同保温层厚度以及不同管线布置情况对热量损失计算的影响，进一步分析实际工况下管道的耦合传热，最终得出具备一定理论依据和科学依据的保温方案[9]。

1 理论分析

1.1 稳态法测固体导热系数

图1 稳态法测固体导热系数装置图

保温绝热材料的选择，既要考虑材料的性能是否满足设备或管道的运行工艺要求，又要考虑绝热工程造价和绝热施工工艺等诸方面因素[10]。由于极地环境恶劣，气温很低，应考虑选用高效保温材料对高温管道进行保温。目前，常用的高温管道保温材料有微孔硅酸钙、超细玻璃棉、聚氨酯硬质泡沫塑料、聚苯乙烯硬质泡沫塑料、聚异氰脲酸酯制品等，采用稳态法测固体导热系数，试验装置如图1所示。

图2 保温材料导热系数随温度变化关系曲线

在物体内部取两个热传导方向为垂直方向的物体，温度分别为T1和T2，待测样品P的厚度为h。稳态法测固体导热系数试验原理为：单位时间内的传热速率ΔQ/ΔT与物体的横截面积S和两个面A、B的温度差值T1-T2成正比，即

(1)

式中：λ为待测样品的导热系数，W/(m·K)；h为待测样品的厚度，mm。

为更加明确地看出不同材料导热系数随温度的变化规律，测定以上几种保温材料100～600 ℃时的导热系数，绘制出导热系数随温度的变化曲线，如图2所示。

从图2可以看出：超细玻璃棉在此温度区间的导热系数没有其他4种保温材料稳定，导热系数高且随温度上升较快，而微孔硅酸钙、聚氨酯硬质泡沫塑料、聚苯乙烯硬质泡沫塑料、聚异氰脲酸酯的热稳定性良好，其中聚异氰脲酸酯导热系数最低，当温度为600 ℃时仅为0.056 5 W/(m·K)，隔热性能最佳。因此，初步选取聚异氰脲酸酯作为管道的保温材料。

1.2 管道保温层厚度的计算方法

根据《工业设备及管道绝热工程设计规范》，保温层厚度的确定通常有以下3种方法[11-12]：(1)按保温层外表面允许散热值计算；(2)按控制表面温度计算；(3)按经济厚度法计算。

本文采用第1种方法计算：

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：D和d分别为保温层的外径和燃油管道的外径，m；λ为保温层材料的导热系数，其数值随环境温度变化而变化，W/(m·K)；t0和tf分别为外界环境温度和管道内部介质温度， ℃；q为保温层外表面的允许最大热量损失，在管路的保温设计中，保温层的最大热量损失取规范GB 50264-2013规定的允许最大散热损失，W/m2；δ为保温层厚度，m；α为保温层外表面与外界环境之间的对流换热系数，W/(m2·K)。

在绝热工程设计时，为简化计算，选用以下经验公式计算自然对流和强制对流换热过程的综合换热系数：

单根敷设：

(4)

并排敷设：

(5)

式(4)和式(5)中：W为环境风速， m/s。

得出保温层厚度后，需对管道的热损失值进行校核：

(6)

最大允许散热损失量[11-12]如表1所示。

表1 不同管道壁温下外表面最大允许散热损失量 W/m2

图3 管道传热模型

1.3 保温层厚度理论计算

以平台上某燃油管道为例，内径为319 mm,外径为325 mm，导热系数λ=54 W/(m·K)，管内介质温度为300 ℃(管道壁温取300 ℃)。由表1可知：允许的最大散热量为186 W/m2，理论计算时环境温度在-30～-60 ℃区间计算；由CCS规范查得，平台作业工况设计风速为36 m/s，自存工况设计风速为51.5 m/s，理论计算时取此区间风速计算,计算结果[13-14]如表2所示。燃油管道的传热模型如图3所示，其中r0、r1和r2分别为管道的内径、外径和保温层的外径。

表2 单根(并排)管道不同风速和不同环境温度下保温层理论计算厚度 mm

根据上述理论计算结果，选取保温层厚度为85 mm，表面热量损失校核结果如表3所示。

表3 单根(并排)管道不同风速和不同环境温度下表面热量损失验算值 W/m2

当选取保温层厚度为85 mm、环境温度为-45 ℃时，理论计算得到的不同风速情况下的表面热量损失值与GB 50264-2013规范所允许的最大散热值186 W/m2相差很小，考虑到在施工时保温材料厚度难以控制，故管道理论上可以选取85 mm厚度进行保温。

2 模拟结果及分析

2.1 管道及空间场物理模型

图4 管道空间物理场三维数学模型

以某极地平台燃油管道、保温材料和周围环境为研究对象，将管道与保温层、保温层与外界空气的交界面设置为耦合面进行分析。由于在实际工况下管道较长，介质在输送过程中单位长度的温度变化较小，故本研究着重分析管道的径向热量损失。此外，由于除保温材料以外的其他各层材料的导热系数较大、厚度较小，对传热模拟影响较小，故本研究忽略过渡层、防潮层和保护层对传热模拟的影响。整个传热过程简化为管道、保温材料和外界空气之间的三维耦合传热，以此作为仿真对象。管道空间物理场三维数学模型如图4所示。

2.2 模拟结果及分析对比

首先按GB 50264-2013允许的最大热量186 W/m2计算出不同温度、不同风速下所需的保温层厚度为85 mm，然后通过Fluent软件对管道及周围温度场进行数值模拟，能量残差曲线收敛，热量损失模拟结果如表4所示。

表4 单根(并排)管道不同风速和不同环境温度下表面热量损失模拟结果 W/m2

图5 不同风速对热量损失的影响

2.2.1 不同风速对热量损失的影响

由式(2)可以看出：随着风速的增加，空气的流动使得对流换热得到增强[15]，聚异氰脲酸酯保温层外表面与外界环境之间的对流换热系数α随之增加，使得燃油管道的热量损失也增加。取36 m/s、41 m/s、46 m/s、51 m/s、56 m/s、60 m/s等6种不同风速，通过数值模拟得出一定保温层厚度(85 mm)和环境温度(-45 ℃)情况下不同风速时热量损失，如图5所示。从理论数据分析，热量损失随风速的增加呈递增趋势，但是风速从36 m/s增加至60 m/s时的热量损失增长率仅为0.12%；从数值模拟分析，热量损失不随风速的增加而变化，仅在51 m/s时增加，且增长率仅为0.05%。可见，随着风速的增加，保温层外表面与外界环境之间的对流换热系数随之增加，但是风速对其热量损失值的影响很小。

2.2.2 不同环境温度对热量损失的影响

图7 不同聚异氰脲酸酯保温层厚度对热量损失的影响

取环境温度为-60 ℃、-55 ℃、-50 ℃、-45 ℃、-50 ℃、-45 ℃、-40 ℃、-35 ℃、-30 ℃，由于风速大小对管道的热量损失值影响很小，这里通过数值模拟得出设计风速(36 m/s)和一定保温层厚度(85 mm)情况下，不同环境温度时的热量损失，如图6所示。从理论数据分析，热量损失随温度的增加呈线性下降的趋势，且下降率为5.2%；从数值模拟分析，除-40 ℃存在误差外，热量损失的下降趋势与理论数据基本相同。

图8 不同管线间距布置对热量损失的影响

2.2.3 不同保温层厚度对热量损失的影响

在70～130 mm区间，每隔5 mm取一厚度值进行热量损失的理论计算与模拟，取一定温度(-45 ℃)、设计风速(36 m/s)分析得到不同保温层厚度对热量损失的影响，如图7所示。理论计算值与模拟值接近，最大误差为保温层取130 mm时的1.69 W/m2。此外，燃油管道的热损失值随着聚异氰脲酸酯保温层厚度的增加而减少：70～75 mm的降幅高达12.15 W/m2；当保温层厚度超过90 mm时，热量损失的降幅变小；到达130 mm厚度值时，降幅将趋于平缓，低至4.32 W/m2。

2.2.4 不同管线间距布置对热量损失的影响

并排管线间距为500～1 000 mm，每隔50 mm取一间距值对管道的热量损失进行模拟计算，取一定温度(-45 ℃)、设计风速(36 m/s)分析得到不同管线间距对热量损失的影响，如图8所示。当两并排管线相距1 m时，其前后两根管道的热损失值相等，且平均热量损失与单根敷设时均为187.56 W/m2，此时管线间距对热损失值几乎没影响；随着间距的加密，前后两根管道的热损失值差值逐渐增大，且前排管道的热损失值始终大于后排，当管线间距达到0.5 m时，前后两根管道的热量损失差值增至1.27 W/m2，此外平均热量损失与单根敷设时的热量损失差值也增至1.56 W/m2。

3 结 论

针对某极地平台燃油管线与外界环境之间的导热和对流换热进行理论计算与数值模拟，比较不同风速、不同环境温度、不同保温层厚度和不同管线布置方式对管道热量损失的影响，得出以下结论：

(1) 燃油管道周围的空气流动产生对流换热，风速对聚异氰脲酸酯保温层外表面的对流换热系数有显著的影响，但对流换热的热阻值相对于保温材料的热阻值很小。

(2) 外界环境是影响管道热量损失的主导因素之一。随温度的增加，热量损失呈线性下降的趋势，环境温度每增加5 ℃，热量损失大约下降1.50 W/m2。

(3) 保温层厚度的选取是保温设计中最为关键的一步。从图7可以看出：管道的热量损失值与保温层厚度不是线性关系，而是呈对数关系，热损失值随聚异氰脲酸酯保温层厚度的增加而减小，然而随着厚度的继续增加，其对热量损失的影响逐渐减小，降幅由12.15 W/m2降至4.32 W/m2。从保温材料节能角度来说，并不是保温层越厚越好，管壁厚度为85 mm时的热损失值与规范要求相近，在实际施工时可适当增加保温裕度。

(4) 在规范允许的范围内，适当加密管线的布置在一定程度上可以减少热能的散耗。当两管线间距超过1 m时，前后两根管道的热损失值相等，且单根敷设与并排敷设的热损失值相等；随着间距的加密，前后两根管道的热损失值差值逐渐增大，前排管道的热损失值始终大于后排，此外平均热量损失与单根敷设时的差值也逐渐增大。