低温管道保冷复合结构优化设计

低温管道保冷复合结构优化设计

谷远海

江苏嘉德管道工程有限公司，江苏 盐城 224100

摘要:氮在化学工业、石油工业、电子工业、食品工业、金属冶炼及加工业等领域有着广泛的用途。在液氮的制取、利用过程中，通常需要有低温液体输送管路，为减少液态氮在生产和输送过程中的温升或气化［即减少冷量损失(热量侵入)或控制冷损量］，需对设备和管道进行保冷，以确保保冷层外表面温度高于环境的露点温度，从而达到减少(控制)冷量损失，节约能源的目的。

关键词:低温管道；选材；施工；结构优化

1低温管路材料的选取

1.1输送管道材质的选取

管道的稳定运行需要依靠加压泵站，来对沿线出现的地势起伏阻碍进行克服。加压泵站可以给液流提供足够的压力，进而让液流在管道内的流动更为有动力。但是此运输过程中，由于管道摩擦力的存在，会让液流的流动速度逐渐下降，压力也会随着距离的增加逐渐变小，此时由于摩擦力的存在，管壁的温度会慢慢升高，压力降小、湿度升高等条件的作用下，液流将会出现汽化的情况。但是驱动液流流动的压力虽然减小了，管道内因为汽化问题的出现，导致内部的压强增加。加上很多管道由于一些自然影响因素的存在，不得不敷设在地面之上，暴露在自然环境中，此时就会受到阳光的直射，而阳光直射也会让管道内部的温度上升，增加液体汽化量。因此为了让热辐射问题得到有效控制，减少汽化，需要对管道的材质进行选择，或是安装合适的供热泄放装置。

1.2输送管道绝热材料的选取

低温液体刚性输送管道一共可以分为三种，非绝热管、普通绝热管和真空绝热管。非绝热管造价方面较有优势，但是缺点是使用时会出现“跑冷”问题，因此一般会被用于间断短距离环境中。真空绝热管由内管、外管、支件组合而成的，管道外围会因为这些组件的存在形成一个绝热的空间，进而营造出低压与真空的环境，这样的处理可以为绝热效果提供更好的保障。但是需要关注到的点是此种类型的绝热管制作工艺复杂，且造管支出占用较大，同时为了让系统可以稳定运作，需要大量的人力与物力组织维护工作。因而在项目的管道设计中，管道走向复杂，管道上管件、仪表件等较多等情况下可以选择综合使用的方式，组合使用管道材料，使用真空绝热管道来保冷。但是从管路制作复杂性和管路投资成本进行考虑时，3km以上的管道可以采用普通绝热方式，而不采用真空绝热方式。

2保冷层厚度的计算方法

根据规范规定保冷计算的目的在于“减少冷介质在生产和输送过程中的冷损失量;减少冷介质在生产和输送过程中温度升高或气化;防止管道及设备表面凝露”。

绝热层的厚度，取决于所需施加的绝热层热阻，而绝热层热阻的确定则取决于由绝热目的所提出的要求和其他限制条件，例如:

1)限定外表面温度ts;

2)限定金属壁温度t;

3)限定吸热热流密度q;

4)限定内部介质温升Δt;

5)获得最佳经济效果(全年总费用最低)。

可以看出，管道保冷计算的方法众多，但因保冷的目的和限制条件不同，则采用不同对应的公式计算时得到的结果也不相同，因此选用合适的计算方法至为重要。在实际工程运用中发现，由于我国幅员辽阔、气象差异悬殊，各地相对湿度差别很大，环境温度Ta与露点温度Td的温差最大为20．9℃，最小仅为1．7℃，如采用限定外表面温度的方法来计算低温管道，得出的保冷层厚度往往不甚合理:对于沿海地区，因常年湿度较大，当地气象条件下最热月的露点温度较高，则用上述公式计算出的保冷层厚度偏大;而对西北地带，由于气候干燥、露点温度较低，计算出的保冷层厚度又往往偏小，这显然背离了经济合理的目标。为此在最新版GB50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》中已不再将“以控制保冷层外表面温度Ts为露点温度加1～3℃”作为保冷厚度计算的唯一原则，而是采用不会结露的“允许冷损失量”下的厚度，并用经济厚度进行校核与调整。

3低温管道结构优化施工要点

3.1低温管道的焊接施工要求

对低温管道的焊缝有以下几点要求：

焊接缝必须得到质量保障，焊接缝上的抗拉强度、冲击韧性等指标不能比母材更低。如果异种铁素体钢材的焊缝要求较高，要求其抗拉强度与冲击韧性与较高侧母材指标一致，如果无法达到，可以使用热处理方式增强处理。

焊接前应按规定进行焊接工艺评定试验，对焊接试板的焊缝和热影响区进行低温冲出试验，其低温冲出功的及格与否，应与母材要求相同。焊接试板热处理状态也应与母材一致。如异种铁素体钢材焊接时，低温冲出功与冲出功高的一侧的母材也相匹配。

取样方法、试样数量和规格等应符合有关规定。焊条、焊丝批号不一致时，应重新作焊接试板低温冲击试验。

奥氏体不锈钢在低温环境下使用时，要求用氩弧焊焊接的焊缝金属含碳量≤0.10%，如果设计温度<-30℃时，还应进行焊缝金属（焊接试板）的低温冲击试验，其冲出功应符合规定的要求值。奥氏体不锈钢焊条可按GB983—2012《不锈钢焊条》选取，焊丝可按GB4233—1984《惰性气体保护焊接用不锈钢棒及钢丝》选取。

3.2低温管道的安装施工要求

开展管道安装操作时，首先要对管道的位移问题进行考虑，尤其是管道与相邻管道、设备与梁之间应进行缝隙预留，防止管道因为外力作用出现位移时，发生摩擦或是碰撞，给LNG液流的稳定输送造成影响；法兰与阀门的位置因为保冷的厚度较大，因此组织配管工作时，空隙的预留尺寸应得到技术人员的合理安排；放空、放净的最小安装尺寸应得到专业人士的策划，根据保冷的厚度进行精确规划。保冷的管道贯穿楼板时，要在管道与梁之间进行间隙预留，同时对预留孔的尺寸进行精确确定，配管应与梁之间保有一定的距离；设备为立式类型时，上升管道的设备上应进行支架间距调整，给出一个最为合理的安装间距，同时预留出合适的保冷管道间距。

低温管道敷设过程中，执行水平敷设步骤时，技术人员应根据实际情况对管道的底部进行硬质垫层设置，一般为硬质聚氨酯保冷材料块，这种材料的使用可以让管道中的冷量损失降到最低。

开展垂直方式的低温管道敷设步骤时，支架的位置如果设置在了低温设备上，那么设备与管道上都需要进行垫块安装。

对管架进行安装时，保证其质量的同时，也要对管道的保冷结构质量水平进行保证；低温管道的材料强度较低，所以其支架间距的设置应得到专业人士的调整，应比一般钢制管道支架的间跨距更小。

当保冷管道无管托支承时，保冷管道管底标高的确定取决于管架或枕梁上的保冷厚度，在管径变小的位置，保冷厚度也会变小。为了保持管道管底标高，保冷垫木块的厚度不应该改变。

保冷垫木块的厚度比保冷层的约大5mm，这样做可以防止由于管子偏移与梁接触而引起保冷层的损坏。

低温管道极易生锈，在管架的滑动表面应采用滑动板。

低温管道弯头处应力最大，弯头处最容易发生脆裂，所以不宜在弯头处焊接管道支吊架。

结语

管道由于内部运输的液体具备较强的特殊性，因此与普通的管道相比，设计水平、管道材质、施工工艺等方面的要求更高，所以工程技术人员必须对材料选择与施工技术落实两个方面的工作进行重视，保证从方案规划到施工步骤操作整个流程的质量水准都可达到要求，维护管道运输的稳定与安全。为此建议常规的低温液氮管道采用限定散热热流损失的方法计算保冷层厚度;而液氮储槽至液氮泵之间的保冷管道宜采用限定内部介质温升的方法计算其厚度，并应合理布置储槽与液体泵之间的管道。

参考文献

［1］GB50264—2013工业设备及管道绝热工程设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2013．

［2］GB/T4272—2008设备及管道绝热技术通则［S］．北京:中国标准出版社，2008．