南北溫度差異在燃?xì)夤庀到y(tǒng)設(shè)計中的考慮

賴文光，曹翠華

1.天津市華鋇燃?xì)鉄崃こ淘O(shè)計有限公司，天津 300074

2.天津市化工設(shè)計院，天津 300193

1 我國的南北溫度差異

我國幅員遼闊，受地域以及地形和太陽輻射的影響，南北氣候差異明顯，如下是我國冬季和夏季的最低和最高溫度以及溫度的分布概況。

1）冬季氣溫最低的地方：漠河 零下50(-52.3℃)；

冬季氣溫最高的地方：三亞 年平均氣溫25.5℃；

2）夏季氣溫最低的地方：青藏地區(qū) 平均氣溫10℃左右；

夏季氣溫最高的地方：吐魯番盆地 (49.6℃）；

3）1月平均氣溫為0℃以上的地方為長江以南的地域，一1月平均氣溫為0℃以下的地方為長江以北的地域；7月平均氣溫28℃以上的地域主要是長江以南地區(qū)以及黑龍江東部、新疆吐魯番盆地。

2 燃?xì)夤庀到y(tǒng)受溫度的影響因素

2.1 燃?xì)饨橘|(zhì)與溫度的關(guān)系

燃?xì)庠诶鋮s或加壓時凝結(jié)成露的溫度即為露點溫度，或稱液化點溫度。不同介質(zhì)的燃?xì)庥捎诮M成成分不同，因此露點溫度不同。在其他條件不變的情況下，C量高的液化石油氣以及輕烴燃?xì)獾鹊穆饵c溫度比較高，C含量低的天然氣露點溫度比較低。同一燃?xì)獾穆饵c隨壓力的升高而增大。如液化石油氣中的飽和碳?xì)浠衔餁怏w，其中的組分丙烷在1個大氣壓（1.01325×105Pa）時，露點溫度為-42℃，在3.7個大氣壓時（3.74903×105Pa）下露點為-10℃，而在8大氣壓（8.106×105Pa）下的露點為20℃。而天然氣在1個大氣壓（1.01325×105Pa）下，露點溫度為-161.49℃。36個大氣壓下（36.477×105）Pa，露點溫度為-90℃。從數(shù)字上可以看出，燃?xì)獾穆饵c，在同一壓力的情況下是同一數(shù)值，實際上即為燃?xì)獾娘柡蛪毫χ迪碌娘柡蜏囟戎怠?/p>

2.2 輸送管材與溫度的關(guān)系

燃?xì)廨斔陀玫墓懿闹饕袖摴芎蚉E管兩種，通常設(shè)計上對于不同壓力級制的輸送任務(wù)，選用不同的管材。而管材在不同的工作溫度下，會產(chǎn)生溫度變形以及熱應(yīng)力。變形量計算公式如下：

式中：

ΔL為管道伸縮量m；

α為管材線膨脹系數(shù) m/m℃；（鋼管管壁在20℃時為11.8×10-6 m/m℃）

t1為管道的安裝溫度℃；

t2為燃?xì)獾臏囟取妫?/p>

L為管道的長度 m。

如果將管道兩端固定，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力：

式中：σt為熱應(yīng)力MPa；

E-彈性模數(shù)MPa，鋼取2.1×105 MPa。

3 南北氣候差異對燃?xì)夤庀到y(tǒng)設(shè)計的影響以及設(shè)計中的考慮事項

1）由于燃?xì)夤庀到y(tǒng)中的輸送介質(zhì)受溫度的影響，在一定的設(shè)計壓力下，在低于露點溫度下運行時，會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，增加管道阻力，使局部管段容易壓力過高發(fā)生物理性爆炸事故，因此在設(shè)計過程中，我們要做到以下幾點：

（1）確定輸送介質(zhì)的種類以及相關(guān)的氣質(zhì)條件；

（2）確定工程施工地段的冬季最低氣溫以及土壤冰凍線以下的最低土壤溫度等參數(shù)；

（3）針對實際情況對燃?xì)夤庀到y(tǒng)的壓力級制進行選擇，并合理確定設(shè)計壓力和運行壓力；

（4）計算在設(shè)計壓力下介質(zhì)的露點溫度；

（5）對管道系統(tǒng)進行分析，對有可能出現(xiàn)低于露點溫度下運行的系統(tǒng)采取措施進行保護（如進行保溫，或從氣源處采取混空氣提高露點溫度等措施）。

以下是丙烷和丁烷以及甲烷在不同壓力下的露點溫度值（表1）：

表1 丙烷和丁烷以及甲烷在不同壓力下的露點溫度值表

由于我國一月份平均氣溫低于20℃的地域占絕大多數(shù)，長江以南地區(qū)平均氣溫高于0℃，以北地區(qū)氣溫低于0℃。而從表1中，可以看出：

（1）液化石油氣系統(tǒng)：丙烷在約8個大氣壓下（丁烷在約2個大氣壓下）的露點溫度為20℃，丙烷在約4.7個大氣壓下（丁烷在約1個大氣壓下）的露點溫度為0℃，而丙烷在約2.4個大氣壓下（丁烷在約0.45個大氣壓下）的露點溫度為-20℃，由于液化石油氣的主要成分是丙烷與丁烷，因此在對液化石油氣系統(tǒng)進行設(shè)計時，對于北方地區(qū)的運行壓力不建議超過0.045MPa，對于南方地區(qū)的運行壓力不建議超過0.1MPa，具體的運行壓力應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍鉁丶巴寥罍囟惹闆r確定。對不符合條件的地區(qū)，應(yīng)采取液化石油氣混空氣的辦法提高介質(zhì)的露點溫度。

（2）天然氣系統(tǒng)：天然氣的主要成分是甲烷，甲烷在0.365MPa下運行時，露點溫度為-90℃，我國所有區(qū)域都能滿足冬季溫度高于此露點溫度，因此對于天然氣系統(tǒng)（干氣，不含水蒸氣），可不對露點溫度進行核算。

2）由于燃?xì)夤庀到y(tǒng)中的管材在運行過程中受溫度的影響，在設(shè)計過程中，重點是要考慮管道的熱應(yīng)力的補償措施，以防止管道內(nèi)部的熱應(yīng)力存在破壞管道。因此，可從如下方面考慮：

（1）確定施工地的管道運行最低溫度和最高溫度，對管道的變形量進行計算；

（2）對燃?xì)夤庀到y(tǒng)選擇合理的補償熱變形量的措施，如選用方形補償器、波紋管補償器等；

（3）對于長江以北地區(qū)晝夜溫差大以及冬季夏季溫差大的地區(qū)，架空部分的室外金屬管道應(yīng)選擇焊接的連接方式（原因是選用螺紋連接時，接口由于管道的長時間伸長縮短容易造成漏氣）；

（4）對于長江以北地區(qū)的燃?xì)夤庀到y(tǒng)中的管道進行保溫；

（5）對于夏季溫度高的地區(qū)埋地PE管道降低運行壓力（由于聚乙烯管道在超過20℃時，工作壓力應(yīng)依據(jù)溫度進行折減）。

4 考慮南北氣候差異的燃?xì)庀到y(tǒng)的安全性分析

在設(shè)計過程中考慮南北氣候差異的影響，可在管道投入使用后，有效地避免管道中析出液體出現(xiàn)增加管道阻力而發(fā)生爆管的危險，也有效地抵消了管道由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，對于高溫地區(qū)運行的PE系統(tǒng)也很好地進行了設(shè)計上的保護?？梢?，考慮南北氣候差異的影響，在設(shè)計上是安全可靠的，在設(shè)計過程中應(yīng)予以考慮。

5 不確定性分析

由于我國南北氣候差異很大，實際的大氣溫度和土壤溫度的詳細(xì)資料應(yīng)對施工地進行實測后確定，而溫度資料會出現(xiàn)隨年不同的不均勻性，因此在參考相關(guān)年份統(tǒng)計資料的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮溫度的不確定性，在設(shè)計過程中留有足夠的余量，不能滿打滿算。

6 結(jié)論

考慮南北氣候差異在燃?xì)夤庀到y(tǒng)中的影響，在燃?xì)夤こ淘O(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和實踐，并得到了廣泛好評，值得作為一項安全設(shè)計任務(wù)進行推廣。

[1]段常貴主編.燃?xì)廨斉鋄M].3版.中國建筑工業(yè)出版社.

[2]盧煥章，等編.石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊[M].化工出版社，1984，7.

[3]地理教學(xué)掛圖（中國一月、七月平均氣溫）.地圖出版社編制出版.