管道隔热类型的选用和厚度计算

管道隔热类型的选用和厚度计算

蔡静

南京清领科技有限公司  江苏南京  210003

摘要：石化企业为节省能源所采用的一个主要办法是管道隔热，隔热设计不但关系到能源的使用效率，还深刻影响着管线内部流体的流动，是化工工艺设计需要考虑的关键课题。本文介绍了管道隔热材料的选择原则，管道隔热设计的基本原则，管道隔热计算方法等，并分别研究各种因素对管道隔热层厚度的影响。

关键词：管道 隔热 材料选用 厚度计算

0、引言

目前我国化工行业的高速发展，对能源的需求量越来越高，环境问题的不断涌现，对我国经济发展和环境保护带来极大的挑战。化工生产中，管道的散热（冷）是是造成化工厂能耗过高的主要原因之一，隔热是节能减排的便捷且高效的途径，其设计更是节能工作的重中之重。因此，在化工工艺设计中，我们需格外重视隔热材料的选取以及厚度的确定，力求在确保隔热效果的同时，最小化每年的热损失费用与投资分摊费用总和，这不仅是降低隔热系统总体成本的关键，更是实现节能降耗的重要一环。

目前，石化企业在设计管道时，隔热材料的选取及隔热厚度的确定是隔热设计的核心问题。选择何种隔热材料及热量损耗计算不准确，导致了不必要的资源浪费。本文依据标准规范和化工设计手册，对管道隔热的计算和合理应用进行了探讨，并对比管道隔热厚度的数个计算公式。在此基础上，本文针对管道隔热厚度计算给出了最优解。这一研究对于降低工艺及公用工程管道的冷/热量损失、推动节能减排工作具有不可忽视的重要意义。

1、隔热类型的选用

一般要求在管道及仪表流程图上标出管道隔热的类别及对应的符号标识，其中：H代表保温、C用来标识保冷、P是防烫的标志等。

管道隔热材料的选择应以设计温度为依据。隔热材料的应用温度需包含被保温对象的设计温度；保温和防烫工况的计算隔热厚度应基于流体的正常运行温度；保冷工况，计算隔热厚度则应基于流体操作时的所能达到的最低温度。

1.1 保温

一般管道或设备的操作温度大于50℃时，需要增设保温材料，但由于工艺需要不设保温、需要散热的设备和管道除外。而按照工艺要求需要减少热损失的地方，需设置保温。

1.2 防烫伤保温

设备和管道表面的温度若大于60℃，则在距离设备或管道所在基础面的高度不大于2.1m或者距离操作平台距离不大于0.75m范围内的管道和设备需要采用防烫的办法。不能隔热或需要散热的管道和设备，可以用防护物来代替防烫。

1.3 保冷

保冷材料是指一般能够保持低温环境的材料，主要的作用是防止外界较高的温度环境的的热传导，保证内部物料可以处于合适的低温状态。

需要保冷的管道和设备，不止是设备和管道本身，与设备和管道相关的支撑和支吊架等附件都需要采用合适的保冷措施。

1.4 防结露保冷

防结露的保冷措施一般应用在0℃以上，介质温度又不高于正常的环境温度。预防管道和设备的表面有冷凝水生成。

2、隔热材料的性能

保温材料应具有导热系数小（隔热性能高）、密度小、机械强度高、具有非燃烧性，并且安全温度范围符合应用场景，化学性能符合使用要求。保冷材料除要考虑上述性能外，还需考虑其密度、含水率等性能指标。

目前用于石化管道保温或保冷的材料有：玻璃棉、硅酸钙制品、聚氨酯泡沫塑料、柔性泡沫橡塑制品、泡沫玻璃等，表1列出一些常用的隔热材料及其性能。

表1 隔热材料及其性能表

注：tm为隔热材料里外温度的算术平均值。

3、管道隔热厚度计算

3.1 隔热计算原则

隔热厚度计算原则：

（1）管道或圆筒状设备的半径大于0.5m时，当做平面设计；半径不大于0.5m时，当做圆筒设计。

（2）目前，保温层厚度基本都采用经济厚度法来计算。

（3）防烫层采用表面温度法计算。

（4）有冻结或者结晶要求等情况的使用热平衡方法计算。

（5）允许有冷量损耗的使用热平衡方法计算。

（6）隔热层厚度宜按10mm递增。

各地气候，材料和人工等费用不同，会得到不同的经济厚度计算结果。本按照表面温度法计算防烫伤厚度，其结果对于一般项目工艺管道隔热设计具有普遍意义。

3.2 最大允许热损失法

管道隔热的最大允许热损失法计算公式和过程如下。

（1）

（2）

由（1）（2）推得：

（3）

整理得：

（4）

隔热层导热系数见下述公式：

（5）

其中tm为隔热材料里外温度的算术平均值：

（6）

式中：

Q—以每平方米保温层的表面所具有的散热损失量，数值可查询相关设计手册，W/m2；

q—以每米长度保温层表面所具有的散热损失量，数值可查询相关设计手册，W/m；

t—管道表面温度，℃；

ta—环境温度，℃；

λ—隔热材料热导系数，W/（m﹒K）；

α—隔热层外表面传热系数，W/（m2﹒K）；

Di—管道外径，m；

Do—保温层外径，m；

保温材料导热系数应取算术平均温度下的导热系数。经计算可得保温材料的最小使用厚度。

3.3 表面温度法

管道保温的控制保温层外表面温度计算法的计算公式和过程如下：

表面温度计算法，公式如下：

（8）

式中：

ts—保温层外表面温度，℃；

其他符号同前。

4、计算及分析

4.1 举例计算

本文根据上述方法及公式，采用最大允许热损失法分别研究介质温度和管道外径变化对保温层厚度的影响

（1）介质温度变化对保温层厚度的影响。取一根室内架空工艺管道DN250，外径Di=273mm，周围环境常年平均温度ta=20℃，保温材料采用硅酸铝。计算结果见表3：

表3 保温层厚度随介质温度变化计算结果

由计算结果分析可得：在装置常年运行时，最大允许散热损失下，随着管道的表面温度升高（即管道内物料温度升高），温度变化50℃，会导致保温层厚度变化8.8～15.0mm。

（2）管道外径变化对保温层厚度的影响。假设管道外表面温度为250℃，环境温度ta=20℃，保温材料选用硅酸铝。管道外径变化时，保温层厚度变化经计算后见表4：

表4 保温层厚度随管道外径变化计算结果

由计算结果分析可得：随着管道外径增大，管道保温层厚度也随之增加，两者成正相关。

4.2 防烫伤计算

对于管道表面温度较高，但又不需要保温的工况，应设计防烫伤保温，防止造成操作人员烫伤事故。

防烫伤保温计算采用表面温度法，取一根室内架空工艺管道，管道外表面温度取250℃，环境平均温度取20℃，防烫材料采用硅酸铝。控制防烫层表面温度不超过60℃，满足防烫伤设计要求。管道外径不同，即Di变化，计算得到保温材料厚度，见表7：

表7 保温层厚度随管道外径变化计算结果

由计算结果分析可得：随着管道外径的增大，防烫层厚度也相应增大，成正相关关系，增幅不如按最大允许热损失法计算的保温层厚度的增幅大。故此类管道只要求保温层外表面不烫伤人即可，厚度较薄，通过计算适当取值可节省投资。

5、结论

本文利用最大允许热损失法，通过控制保温层外表面的热损失量，通过计算管道保温层的厚度，分别研究了介质温度和管径的变化对管道保温层厚度的影响，得出结论如下：

（1）按最大允许热损失法计算，随着管道内介质温度升高，保温层厚度增加，成正相关关系。

（2）按最大允许热损失法计算，随着管道外径的增大，保温层厚度增加，成正相关关系。

（3）按表面温度法对防烫伤层厚度进行计算，随着管道外径的不断增大，保温层厚度也相应增加，成正相关关系。但由此得到的保温层厚度偏小，此类管道的防烫厚度可通过计算适当取值以节省投资。

保温设计应符合减少热损失，节约能源满足工艺要求，保持生产能力，提高经济效益，防止烫伤为原则；保冷设计以减少冷量损失，并同时能够确保外表面温度高原环境的露点温度，从而节约能源为原则。

在具体项目的保温设计中，当工艺无特殊要求并已知热能价格、保温结构单位造价等参数时，保温层厚度应通过经济厚度法进行计算，当热损失量超过最大允许散热损失时，应采用最大允许热损失法进行校核，即按本文介绍的方法校核保温层厚度。

参考文献

[1]高金文，周江龙. 管线最佳保温层厚度值的计算[J]. 价值工程，2013，8.

[2]工艺系统工程设计技术规定[M].化工部工程建设标准编辑中心，1996.

[3]张德姜，王怀义. 石油化工装置工艺管道安装设计手册[M]. 中国石化出版社,2009.