埋地LNG管道絕熱層厚度計算分析

付現(xiàn)橋 陳玨伶 徐敬

摘 要：總結(jié)了關(guān)于LNG管道絕熱設(shè)計的國內(nèi)外標準，并給出埋地LNG 管道保冷結(jié)構(gòu)以及保冷層厚度的計算方法，應(yīng)用有限元分析軟件對LNG 低溫長輸管道進行了穩(wěn)態(tài)熱力分析。研究結(jié)果表明ANSYS溫度分析與計算結(jié)果基本相同，相對誤差較小， 可滿足工程設(shè)計需要。

關(guān) 鍵 詞：LNG管道；埋地管道；絕熱層；厚度計算

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 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，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，人們對環(huán)境保護的意識不斷提高。由于天然氣燃燒后，主要產(chǎn)生二氧化碳及水蒸氣，幾乎不會產(chǎn)生污染物，相對其石油、煤炭等其他能源來說，這是現(xiàn)今利用最為廣泛的清潔的能源。但是天然氣需求量根據(jù)季節(jié)、地域等不同會存在大量的差異[1-3]。LNG作為天然氣液態(tài)，僅有同量氣態(tài)體積的1/625，往往天然氣會被液化成LNG進行調(diào)峰處理[4-6]。

LNG管道往往都是地上架空敷設(shè)，但是由于受到環(huán)境及其建設(shè)位置受限等影響，LNG管道在一些項目中采用部分埋地敷設(shè)。地下土壤的溫度相對空氣來說變化不大，導(dǎo)熱系數(shù)較高，LNG絕熱結(jié)構(gòu)就異常重要。絕熱設(shè)計應(yīng)符合減少冷量損失、節(jié)約能源、滿足工藝要求、保持生產(chǎn)能力、提高經(jīng)濟效益等基本原則[7，8]。

本文總結(jié)了埋地管道絕熱層計算標準，對比了國外現(xiàn)行的絕熱標準中計算方法，并進行實例計算，旨在有效推進國內(nèi)埋地管道絕熱層設(shè)計。

1 絕熱計算方法

1.1 基于國內(nèi)標準的計算方法

國內(nèi)標準GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定了不適用于埋地管道的絕熱工程設(shè)計；SH/T 3010-2013《石油化工設(shè)備和管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定不適用于有特殊要求的管道工程絕熱設(shè)計（且其內(nèi)容沒有涉及到埋地管道絕熱層計算）；GB/T 8175-2008《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計導(dǎo)則》規(guī)定了直埋管道保溫就算可以參照CJJ 104 的相應(yīng)規(guī)定計算，但是沒有給出直埋管道保冷計算內(nèi)容。國內(nèi)的其他絕熱設(shè)計標準中也沒有給出埋地管道保冷計算方法。

1.2 基于國外標準的計算方法

國外主要標準英國標準BS EN ISO12241-2008《建筑設(shè)備和工業(yè)裝置的絕熱計算規(guī)則》、日本標準JIS A 9501-2006《絕熱保溫工程施工標準》、美國標準ASTM C680-2004《用計算機程序?qū)Ω魺岜馄?、圓柱和球狀系統(tǒng)熱增量或熱損失以及表面溫度的評定規(guī)程》等國外的絕熱標準中也沒有明確給出埋地管道保冷計算方法。

2 管道絕熱結(jié)構(gòu)及厚度計算

本文中LNG埋地管道1.5 m處土壤年平均溫度為10.4 ℃。為了盡量減少管道對土壤的溫度場影響，并考慮到建設(shè)成本，盡量在投資較小的情況下選擇保護管道外表面溫度與地溫近似。本文中LNG輸送管道外徑為159 mm，材質(zhì)為316 L，LNG輸送溫度為-168 ℃，埋地土壤溫度取值為10.4 ℃。

絕熱材料應(yīng)根據(jù)被絕熱LNG管道的設(shè)計溫度，結(jié)合其防潮（吸水、吸濕、憎水）性能、導(dǎo)熱系數(shù)、硬質(zhì)材料的線性膨脹/收縮系數(shù)、抗壓強度、抗折強度、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性指標合理選用。本文綜合考慮后選擇絕熱材料為PIR（聚異氰脲酸酯）（表1）。

2.1 管道絕熱結(jié)構(gòu)

LNG 管道的絕熱層在受到土壤的擠壓后保冷效果迅速下降（會導(dǎo)致傳熱系數(shù)變大），不利于管道的無氣化輸送（造成局部熱量進入LNG管道過多，使部分LNG氣化）。為了能夠避免絕熱層受到土壤擠壓造成的問題，本工程中絕熱結(jié)構(gòu)是由絕熱層、防潮層、空氣層和保護管等組成。這樣既能夠保證保冷效果又可以防止絕熱層受到土壤擠壓等問題。

絕熱層與外護管之間采用導(dǎo)向滑動支座進行支撐，并充滿干空氣。導(dǎo)向滑動支座絕熱結(jié)構(gòu)見圖1所示。

使用管道輸送LNG時，為了保持LNG輸送過程中不氣化，需要盡量減少管道與土壤的熱交換，確保LNG 處于 “過冷”狀態(tài)。本文利用“過冷”態(tài)原理進行了無氣化管道輸送計算。

2.2 管道絕熱厚度計算

本文中LNG埋地絕熱層厚度計算是根據(jù)熱力學(xué)公式衍化的。在無特殊情況下，應(yīng)按工藝提供最大允許冷損失下保冷層外表面溫度進行計算。管道外表面溫度應(yīng)為設(shè)計最低溫度，土壤的自然溫度應(yīng)取管道運行期間管道中心埋深平均溫度，地面大氣溫度應(yīng)取管道年運行或季節(jié)運行期間地面平均溫度。

在計算過程中做出如下假設(shè)：LNG管道內(nèi)壁溫度與LNG輸送溫度相同；輸送介質(zhì)管道放置在保護管中，保冷層與保護管之間的空氣為對流換熱；管道在運行過程中處于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱[4]。

本文采用ANSYS計算分析LNG低溫管道的溫度分布。LNG管道兩側(cè)及上下方土體溫度較低（4-8℃），出現(xiàn)了低溫區(qū)，這主要是由于LNG 管道不斷向土壤散發(fā)冷量（土壤中的熱量不斷傳到進入LNG管道），使管道周圍土壤溫度低于正常溫度（10.4℃）。此時受地表環(huán)境溫度波動影響已很小，管道下方土壤溫度場維持在較穩(wěn)定的低溫狀態(tài)。整個LNG管道熱量傳導(dǎo)處于一個比較穩(wěn)定的階段，滿足工藝需求的輸送條件。模擬結(jié)果與計算結(jié)果差別不大，較為一致，證實了本文采用此方法計算合理。

3 結(jié) 論

本文總結(jié)了埋地管道絕熱層計算標準，分析了國內(nèi)外現(xiàn)行的絕熱標準中計算方法，給出了相應(yīng)的計算方法。本文還指明了埋地LNG 管道絕熱層結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括絕熱層、防潮層、空氣層和保護管及導(dǎo)向滑動支座等。并利用ANSYS計算分析LNG 低溫管道的溫度分布驗證計算結(jié)果合理。

參考文獻：

[1] 盧濤，姜培學(xué).多孔介質(zhì)融化相變自然對流數(shù)值模擬[J]. 工程熱物理學(xué)報，2005，26：167-176.

[2] 張威，吳明. 直埋LNG 管道周圍土壤凍融相變數(shù)值研究[J]. 當(dāng)代化工，2011，40（2）：161-163.

[3] 付現(xiàn)橋，陳玨伶，徐敬，等. 國內(nèi)外關(guān)于LNG管道保冷層厚度設(shè)計相關(guān)標準分析[J]. 當(dāng)代化工，2013，43（3）：356-358.

[4] 李慶杰，陳保東，洪麗娜，等. LNG 管道輸送工藝計算[J]. 當(dāng)代化工，2011，40（2）：163-164.

[5] 劉玉晗，劉寶玉，蘇鵬. 基于ANSYS的LNG管道保冷結(jié)構(gòu)分析[J]. 當(dāng)代化工，2012，41（2）：185-188.

[6] 楊建坤，劉衛(wèi)東，茍海平. LNG低溫管道PIR 保冷層內(nèi)部溫度隨厚度變化的數(shù)值模擬研究[J]. 機電設(shè)備，2015，3：13-15.

[7] 包臣，莫海元. LNG 管道保冷層溫度場的數(shù)值模擬[J]. 當(dāng)代化工，2013，42（11）：1608-1610.

[8] 楊明學(xué)，高百爭，楊秋. 多屏絕熱輻射直埋蒸汽管道保溫層的設(shè)計[J]. 煤氣與熱力，2007，27（3）：66-68.