工藝管道防凍及保溫設(shè)計分析

秦 楠，王 玉

（中國輕工業(yè)武漢設(shè)計工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430060）

寒冷地區(qū)的廠區(qū)管道時有凍裂事件發(fā)生，由此帶來停車檢修、疏通、整改甚至要拆除管道、更換設(shè)備等影響，給企業(yè)帶來直接經(jīng)濟損失。本文結(jié)合工作經(jīng)驗和前人總結(jié)，提出了廠區(qū)常見管道防凍設(shè)計應(yīng)注意的問題。

能源是人類生存和發(fā)展所必須的資源，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，全球能源緊缺問題也越來越嚴重。近年來，國家對能源的重視程度越來越高，節(jié)能減排政策理念在廠區(qū)設(shè)計中貫徹始終。本文也從管道保溫材料及厚度方面分析了節(jié)省能源的設(shè)計。

1 管道敷設(shè)方式

設(shè)備的優(yōu)化布置能夠降低設(shè)備及管道的凍裂風(fēng)險和防凍設(shè)計難度。常見有利用框架封閉布置，利用管廊封閉布置，半封閉布置，以及蒸汽凝結(jié)水回收系統(tǒng)布置于低處等[1-2]。

管道敷設(shè)方式有架空敷設(shè)、埋地敷設(shè)和管溝敷設(shè)三種[3]。不同的敷設(shè)方式相對應(yīng)的防凍及保溫設(shè)計注意事項不同。對于工藝常見的幾種管道而言，埋地敷設(shè)的工藝循環(huán)冷卻水管道（32～37℃）可裸管敷設(shè)于凍土層以下地下水位線以上。對于管溝敷設(shè)的管道，水管道可以敷設(shè)于蒸汽管道旁借助蒸汽管道來防凍。

2 管道防凍設(shè)計

管道需要進行防凍設(shè)計的情況有[4]：

1）氣體中含有水分，且露點溫度低于外界環(huán)境溫度的氣體管線；

2）輸送液體的凝固點高于外界環(huán)境溫度的液體管線；

3）用于保護人身安全作用的設(shè)備的管線；

4）環(huán)境溫度降低時或在環(huán)境溫度下輸送過程中物料特性發(fā)生變化的管線；

5）流體可能存在不流動狀態(tài)而導(dǎo)致凝固的管線。

2.1 工藝循環(huán)冷卻水管道的防凍設(shè)計

工藝循環(huán)冷卻水用于前處理車間等位置時，做間接冷卻的用途對水質(zhì)沒有像純水那么嚴格，優(yōu)先采取埋地敷設(shè)的形式。對于室外部分，工藝循環(huán)冷卻水總管的防凍采用以下兩種形式：

1）工藝循環(huán)冷卻水給水總管和回水總管末端之間加裝連通管，連通管盡量靠近總管末端并保持小流量長流水狀態(tài)來保持系統(tǒng)防凍。

2）工藝循環(huán)冷卻水總管末端安裝連通管無法實現(xiàn)時，給水總管盡量靠近末端出安裝小支管來保持系統(tǒng)防凍。

2.2 純水管道的防凍設(shè)計

對于化工廠、藥廠、食品廠等純水管道而言，由于流體靜止或滯留對水質(zhì)有影響，因此在管道設(shè)計和布置時要盡可能使純水在管道中處于流動狀態(tài)，避免袋型和死點的出現(xiàn)，支管短且易排空，低點設(shè)置排空閥等。在管理上若水流處于靜止狀態(tài)也要及時排空管道。這些設(shè)計均對純水管道的防凍設(shè)計有利。

除此之外，對于不能及時排空的純水管道按照管理上的要求來進行防凍層設(shè)計。

2.3 洗眼器管道的防凍設(shè)計

室外布置的洗眼器管道的防凍是保證安全性等緊急措施的必要條件，對此類管道的防凍設(shè)計如下：

切斷閥設(shè)置于凍土層以下，閥后管線加排放孔及沙坑以便排空管內(nèi)存水。

洗眼器及管道系統(tǒng)采用電伴熱。

2.4 蒸汽及蒸汽冷凝水管道的防凍設(shè)計

在實際工廠運行情況中鮮有蒸汽主管道和蒸汽冷凝水主管道凍裂情況，其防凍設(shè)計考慮以下幾個方面：

1）盡量避免液袋。

2）室外蒸汽管道輸水閥組考慮取消旁通。

3）蒸汽安全閥的出口管道在靠近安全閥出口附近低處開淚孔。

2.5 壓縮氣體管道的防凍設(shè)計

壓縮氣體管道中，當(dāng)室外溫度低于氣體露點時，考慮低點加導(dǎo)淋閥，且導(dǎo)淋閥與主管距離要短。

3 管道保溫設(shè)計

設(shè)備和管道的熱量和冷量損失是能源損失的重要部分，不保溫的管道的熱損是保溫管道熱損失的10～40 倍，并且設(shè)備和管道散熱損失隨設(shè)備和管道本身直徑增大和介質(zhì)的溫度增高而增大[5]。設(shè)備和管道的保溫設(shè)計對于能源的節(jié)省和工人的操作環(huán)境以及工藝的良好運行情況都有很大的影響。我國地域遼闊，各地氣候差異大，并且各地材料價格供求和價格并不相同，因此在選擇保溫材料時要結(jié)合工程實際情況來對管道的保溫情況做具體分析。

設(shè)備和管道添加保溫層是為了減少熱損失進一步達到節(jié)能的目的，添加保溫層以便降低保溫層外表面溫度。與此同時，保溫層厚度增加使其與外界對流輻射面增大，使其熱損失增加。因此存在一個保溫層臨界半徑，當(dāng)含保溫層管道的外半徑厚度大于保溫臨界半徑時，增加保溫層厚度可以減少熱損失。保溫臨界半徑可以根據(jù)單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)速率方程求得，一般為10mm 以內(nèi)，但是工程中的保溫層厚度取30mm 以上，所以在工程中的保溫層厚度的增加熱損失會降低。

進行保溫層厚度計算的方法有經(jīng)濟厚度法和表面溫度法，一般來說，對于無特殊工藝要求時，采用經(jīng)濟厚度法計算。但是，隨著能源價格的急劇提高，采用不同來源的能源保溫層厚度相差非常大。

以內(nèi)蒙古某項目的蒸汽保溫和能源節(jié)省為例?；厩闆r：管徑DN300，介質(zhì)溫度184℃，當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?.7℃，年平均風(fēng)速1.65m/s，年運行時間8000h；投資計息年數(shù)5 年，年利率為10%（復(fù)利）；采用燃煤鍋爐得到的能源價格為20～35 元/GJ，采用市政供蒸汽的能源價格為80 元/GJ；保溫材料選取防水性硅酸鋁材料，造價為2600 元/m3。根據(jù)GB50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》中計算保溫厚度如下：

計算保溫層表面溫度：

得到保溫層表面溫度為9.6℃。

式（1） （2）中：Do 為絕熱層的外直徑，m；Di為設(shè)備或管道的外直徑，m；PE 為能量價格，元/GJ；λ 為絕熱材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；t 為年運行時間，h；t0為管道或設(shè)備的外表面溫度℃；ta為環(huán)境溫度，℃；S 為絕熱工程投資年攤銷率，%；α 為絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；q 為保溫厚的散熱量，W/m。

按現(xiàn)在市政供蒸汽能源價格計算出的管道保溫厚度比較大，保溫厚散熱料小，熱損失少，并且防水性硅酸鋁材料是一種價格比較高的保溫材料，在該溫度下使用巖棉等相對便宜的保溫材料計算出來的壁厚會相當(dāng)厚。在此情況下，可能采取表面溫度法計算才更加符合現(xiàn)在工程情況。使用同樣的方法可以得到其他蒸汽管道的保溫厚度以及熱損失量，將本項目涉及的蒸汽保溫厚度列表如表1。

從表1 看出，選取同一保溫材料的情況下，能源的價格對經(jīng)濟厚度法得到的保溫厚度有決定性的影響因素。使用經(jīng)濟厚度法計算得出的室內(nèi)外的保溫厚度差異并不大，這是因為按照規(guī)范要求室外管道保溫厚度的計算方法中環(huán)境溫度為年平均環(huán)境溫度，但是如果在北方極端天氣下環(huán)境溫度比年平均環(huán)境溫度低非常多。對于呼和浩特而言，冬季歷年極端最低溫度平均值比年平均溫度低30.4℃，在極端天氣下室外熱損耗會增大。從0.5MPa 飽和蒸汽看出，隨著管徑的增大，保溫厚度增加，在能源價格便宜時厚度增加不明顯，在能源價格貴使得厚度增加明顯增大。

表1 蒸汽保溫厚度

4 結(jié)束語

工廠的防凍需要根據(jù)廠區(qū)地理位置和物料的性質(zhì)來進行設(shè)計，根據(jù)物料性質(zhì)、場地情況和地質(zhì)情況等首先判斷地下布置還是地上布置。地上布置時工藝管道從布置上盡量滿足不積水的要求，并且從管理上來控制管道里沒有死水存積。對于不同的物料和位置可以采取不同的防凍方式，或使用蒸汽、熱水、電伴熱，或采用絕熱層，或保持小流量長流水等。

工廠的保溫應(yīng)該根據(jù)實際情況，廠區(qū)所處的地理位置氣候情況、能源情況、管內(nèi)介質(zhì)情況來選取保溫材料和綜合確定保溫厚度，以達到節(jié)能和保障工廠安全順利運營的目的。