LNG管道復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)保冷厚度簡(jiǎn)化計(jì)算研究

吳 捷，孫明玉，郭鵬增

中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266000

全球能源結(jié)構(gòu)正持續(xù)低碳化，液化天然氣（LNG）作為清潔能源在全球范圍內(nèi)持續(xù)擴(kuò)張[1]，LNG工程建設(shè)備受矚目。LNG管道輸運(yùn)溫度約為-160℃，適用該溫度的常用保冷材料有泡沫玻璃[2]、氣凝膠氈、聚異氰脲酸酯（PIR）[3]、彈性橡膠泡沫等。保冷材料特性各有優(yōu)劣，通常采用兩種材料組成的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)，進(jìn)而取長(zhǎng)補(bǔ)短優(yōu)化整體保冷結(jié)構(gòu)。

低溫工程中對(duì)于復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍。李玨等[4]結(jié)合工程要求，研究并設(shè)計(jì)內(nèi)層泡沫玻璃+外層硬質(zhì)聚氨酯的保冷結(jié)構(gòu)；劉曉延等[5]提出內(nèi)層泡沫玻璃+外層聚乙烯泡沫的保冷結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于液化乙烯輸運(yùn)工程；賈琦月等[6]從保冷施工角度研究了內(nèi)層PIR+外層泡沫玻璃的保冷結(jié)構(gòu)。

保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，陳玨伶等[7]從計(jì)算方法角度討論復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)內(nèi)保冷層外表面溫度對(duì)保冷層總厚度的影響；李兆慈等[8]列舉了不同分層厚度方案，對(duì)比討論了卸料管道的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)；劉玉晗等[9]采用數(shù)值模擬分析研究了保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在采用最大允許冷損失量法進(jìn)行復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，內(nèi)保冷層外表面溫度取值依賴工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，保冷層厚度計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，因此復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)保冷層的計(jì)算簡(jiǎn)化十分必要。本文擬通過(guò)研究保冷層厚度的計(jì)算方法，提出保冷層厚度計(jì)算簡(jiǎn)化公式，結(jié)合工程實(shí)例和數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。

1 保冷結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究

GB 50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[10-12]中的最大允許冷損失量法是復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)常用計(jì)算方法，公式如下：

（1）最大允許冷損失量：

（2）圓筒型兩種保冷材料保冷厚度：

（3）圓筒型兩種保冷材料冷損失量：

（4） 圓筒型兩種保冷材料外表面溫度：

（5） 兩種保冷材料復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)的內(nèi)層保冷層外表面溫度：

式中：[Q]為最大允許冷損失量，W/m2；Q為每平米保冷層外表面冷損失量，W/m2；αs為外表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；δ1為內(nèi)層保冷材料的保冷層厚度，mm；δ2為外層保冷材料的保冷層厚度，mm；λ1為復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)內(nèi)層保冷材料在環(huán)境平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；λ2為復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)外層保冷材料在環(huán)境平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；K1為內(nèi)層保冷材料的保冷層厚度修正系數(shù)；K2為外層保冷材料的保冷層厚度修正系數(shù)；D0為管道外徑，mm；D1為內(nèi)層保冷材料的保冷層外徑，mm；D2為外層保冷材料的保冷層外徑，mm；T0為保冷管道的外表面溫度，℃；T1為內(nèi)層保冷材料的保冷層外表面溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；Td為露點(diǎn)溫度，℃；Ts為保冷層外表面溫度，℃。

由以上公式可知，在工程環(huán)境確定后，兩種保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)和內(nèi)外保冷層的厚度是影響保冷層總厚度的主要影響因素。為得到最優(yōu)保冷層厚度，需在復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)暫估保冷層外表面溫度T1，最后校核保冷層外表面溫度、冷損失量和保冷層外表面溫度，計(jì)算較為繁瑣。

2 保冷層厚度計(jì)算及數(shù)值模擬

2.1 保冷結(jié)構(gòu)參數(shù)選定

根據(jù)某國(guó)際項(xiàng)目的LNG輸運(yùn)模塊情況進(jìn)行復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)計(jì)算。該項(xiàng)目位于北極圈內(nèi)，常年處于低溫高濕環(huán)境下，最熱月平均溫度為9.4℃，相對(duì)濕度86%，即露點(diǎn)溫度為7.18℃；該工程LNG管道設(shè)計(jì)溫度為-170℃。為保證保冷效果，并滿足經(jīng)濟(jì)性、防潮及防火需求，采用內(nèi)層PIR+外層泡沫玻璃的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)。選取該項(xiàng)目管徑為DN900的保冷管作為研究對(duì)象。

保冷絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨溫度而變化的，PIR和泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)λ1和λ2的計(jì)算公式分別為[10]：

式中：λ01為25℃時(shí)PIR的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；λ02為25℃時(shí)泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Tm為環(huán)境平均溫度，℃。

經(jīng)計(jì)算，PIR平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)λ1取值為0.020 3 W/（m·K），保冷層厚度修正系數(shù)K1=1.2；泡沫玻璃平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.0328W/（m·K），保冷層厚度修正系數(shù)K2=1.1；外表面換熱系數(shù)αs=8.141 W/（m2·K），代入式 （1）、（2），得最大允許冷損失量Q=18.09 W/m2。

為滿足保冷工程需求，通常復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)中有一個(gè)保冷材料起到主要作用。如該項(xiàng)目中，內(nèi)層PIR+外層泡沫玻璃的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)，其中PIR以其低導(dǎo)熱系數(shù)為主要保冷層，而泡沫玻璃以其無(wú)機(jī)不燃、低透濕率、低吸水率特性，作為提高整體保冷結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和安全性的外保冷層。

2.2 內(nèi)保冷層外表面溫度T1與保冷層厚度關(guān)系的討論

由式（5）可以看出，在采用最大允許冷損失量法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，內(nèi)層保冷層外表面溫度T1的選取影響保冷層總厚度。根據(jù)T1的不同取值，得到T1與內(nèi)外保冷層厚度及總厚度的關(guān)系，如圖1所示。在內(nèi)層PIR+外層泡沫玻璃的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)中，T1與保冷層總厚度成反比，即泡沫玻璃厚度最小時(shí)，保冷層總厚度最優(yōu)。泡沫玻璃是一種脆性硬質(zhì)保冷材料，依工程經(jīng)驗(yàn)，可切割安裝的最小厚度為50 mm。

圖1 內(nèi)保冷層外表面溫度T1與內(nèi)外層保冷層厚度及總厚度關(guān)系曲線

因此，轉(zhuǎn)換思路，先確定外層泡沫玻璃的厚度，計(jì)算優(yōu)化保冷層總厚度，可避免因缺乏估算T1的經(jīng)驗(yàn)造成繁瑣計(jì)算。將復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為僅用外層保冷材料的單一保冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，整理簡(jiǎn)化后得公式如下：

當(dāng)確定外層絕熱材料厚度時(shí)，即已知δ2時(shí)：

將簡(jiǎn)化公式在實(shí)例中進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)比計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 規(guī)范公式和簡(jiǎn)化公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

經(jīng)對(duì)比，應(yīng)用簡(jiǎn)化公式計(jì)算結(jié)果滿足內(nèi)保冷層外表面溫度和外層保冷材料適用溫度；冷損失量小于最大允許冷損失量；滿足外表面溫度高于露點(diǎn)溫度0.3℃的要求。按保冷材料施工切割及安裝要求進(jìn)行圓整，圓整后計(jì)算結(jié)果一致。

2.3 數(shù)值模擬

用ANSYS對(duì)上節(jié)的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱力分析，得到溫度場(chǎng)分布圖（見(jiàn)圖2）和溫度梯度圖（見(jiàn)圖3）。從計(jì)算結(jié)果可以看出內(nèi)保冷層外表面溫度T1（-12.39℃），低于表1中計(jì)算結(jié)果。

圖2 平均導(dǎo)熱系數(shù)下保冷管道徑向界面溫度分布場(chǎng)/℃

圖3 平均導(dǎo)熱系數(shù)下保冷管道徑向溫度梯度

由式（9）可知，在確定內(nèi)外保冷層厚度后，內(nèi)保冷層外表面溫度T1的影響因素是兩種保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)。保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨環(huán)境溫度變化的，式（9） 保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)的取值是環(huán)境平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)取值。將新的T1代入式（10）、（11）進(jìn)行環(huán)境平均溫度的迭代計(jì)算，更新保冷材料環(huán)境平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù)，從而得到的內(nèi)保冷層外表面溫度T1較為貼近實(shí)際，見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果可知，迭代2～3次即可得到較為接近實(shí)際的內(nèi)保冷層外表面溫度V0，經(jīng)數(shù)值模擬校核，該簡(jiǎn)化公式可行。

表2 迭代計(jì)算內(nèi)保冷層外表面溫度T1

3 設(shè)計(jì)流程討論

隨著保冷材料的多樣化，復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)也隨之多樣化。如某工程在保冷隔音系統(tǒng)中，采用內(nèi)層PIR+外層氣凝膠氈的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)，可根據(jù)項(xiàng)目隔音要求確定外層為30 mm厚氣凝膠氈，再計(jì)算內(nèi)層PIR的保冷層厚度。同理，如根據(jù)項(xiàng)目需求可先確定內(nèi)層保冷材料厚度，也可避免計(jì)算內(nèi)保冷層外溫度，即以簡(jiǎn)化公式（12）進(jìn)行整理推導(dǎo)，得確定內(nèi)層絕熱材料厚度δ1時(shí)的簡(jiǎn)化公式：

基于以上研究討論，梳理復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如下：

（1）根據(jù)工程需求，確定復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)中一種保冷材料的厚度。

（2）由簡(jiǎn)化公式（12）、（13），計(jì)算保冷層總厚度和另一種保冷材料的厚度。

（3）計(jì)算內(nèi)保冷層外表面溫度T1，迭代計(jì)算得到兩種保冷材料各自較符合實(shí)際的導(dǎo)熱系數(shù)。

（4）校核最終內(nèi)保冷層外表面溫度T1、冷損失量Q和外表面溫度Ts。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述研究討論后，得到如下結(jié)論：

（1）在保冷工程確定復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)后，根據(jù)工程需求優(yōu)先確定其中一個(gè)保冷材料厚度時(shí)，可采用簡(jiǎn)化公式（12）、（13）計(jì)算最優(yōu)保冷層厚度，避免繁瑣的T1取值；簡(jiǎn)化公式經(jīng)工程實(shí)例和數(shù)值模擬驗(yàn)證，可行。

（2）提出應(yīng)用簡(jiǎn)化公式的復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，為L(zhǎng)NG管道復(fù)合保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。