管道伴热设计

DPDI工艺管道伴热设计修改次数：02002-02-01主编配管室大庆石油化工设计院第1页共18页21工艺管道伴热设计在石油化工企业中的管道，常用伴热方法以维持生产操作及停输期间管内介质的温。确保管道的安全运行，由于工艺管道内的生产条件复杂,因此选用伴热介质,确定伴热方式都应取决于工艺条件。21.1.1伴热介质（1）热水热水适用于在操作温度不高或不能采用高温伴热的介质的条间下，作为热源。当企业有一部分余热可以利用，且伴热点布置比较集中时，可优先使用。（2）蒸汽蒸汽是国内外石油化工企业中广泛采用的一中伴热介质，取用方便，冷凝潜热大，温度易于调节，适用泛围广。石油化工企业中蒸汽可分为高压、中压及低压三个系统，而用于伴热的是中、低压两个系统，基本上能满足石油化工企业中工艺管道的使用要求。（3）热载体当蒸汽温度不能满足工艺要求时，可采用热载体作为热源。（4）电热电热是一种利用电能为热源的伴热技术。电伴热安全可靠，施工简便，能有效地进行温度控制，防止管道介质温度过热。21.1.2伴热方式(1)内伴热管伴热伴热管安装在工艺管道内部,伴热介质释放出来的热量,全部用于补充主管内介质的热损失。其结够特点：热效率高，用蒸汽作为热源，于外伴热管比较，可以节省15～25％的蒸汽耗量；但由于伴热管它安装在工艺管道内部，所以伴热管的管壁应加厚。无封钢管的自然长度一般为8～13米，伴热管的焊缝不允许留在工艺管道内部，因此弯管的数量大大增多，施工工程量随之加大，以及伴热管的变形问题和此结够不能用于输送有腐蚀性及热敏性介质的管道。一般很少用于石油化工企业工艺管道。（2）外伴热管伴热外伴热管是目前国内外石油化工企业普便采用的一种伴热方式，其伴热介质一般有蒸汽和热水两种。伴热管放出的热量，一部分补充主官内介质的热损失，另一部分通过保温层散失到四周大气中。当伴热所需的传热量较大（主管输送温度大于150℃）或主管要求有一定的温生时，常规伴热设计将难以满足工艺要求，需要多根伴热。在这种情况下，应采用传热系数大的伴热胶泥，填充在常规外伴热管与主管之间，使它们形成一个连续式的热结合体，这样的直接传热优于一般靠对流与辅射的传热。一根带传热胶泥的外伴热管相当于用3根相同直径的常规伴热管的作用。其结构如图21.2.1所示。实践证明带传热胶泥的外伴管可以代替投资昂贵的夹套管及多根伴热管。它能提供与夹套管一样的传热效果。如图21.2.2所示。图21.2.1带传热胶泥的外伴热管图21.2.2伴热曲线（1）∮50/∮＞≥的夹套管伴热；（2）∮9.5mm的铜管带传热胶泥外伴热；（3）∮9.5mm铜管外伴热。综上所术，外伴热管在石化企业中能得到广泛的应用，其主要原因有以下几点：（1）适应范围广，一般操作温度在170℃以下的工艺管道都可以采用。输送有腐蚀性或热敏性介质的管道，不能用内伴热及夹套伴热，但对于常规的外伴热管，只要在主管与伴热管之间用石棉板后，仍可采用。（2）施工、生产管理及检修都比较方便。伴热管损坏后，可以及时修理、既不影响生产，又不会出现产品质量事故。（3）带传热胶泥的外伴热管，它的热传导非常接近于夹套管。同时传热胶泥能对任何部分维持均匀的温度。传热胶泥使用寿命长，具有优良的抗震能力。在加热与冷却交替循环的操作条件下，不会发生破裂、剥落及损坏现象。传热胶泥也可用于电伴热系统。（3）夹套伴热夹套伴热管即在工艺管线的外面安装一套管,类似套管式换热器进行伴热.在理论上只要伴热介质的温度相同或略高一些,就能维持能管介质的温度,这时蒸汽耗量只需满足本身的热损失,因此伴热效率是比较高的。常用的夹套管基本类型分为:管帽式夹套管和法兰式夹套管。夹套管伴热耗钢量大，施工工程量亦大。但它能应用于外伴热管不能满足工艺要求的介质管道。(4)电伴热电伴热可以有效利用能量，合理控制温度。以往管道伴热多用蒸汽作外供热源，通过伴热管补偿其散热损失。这种传统的伴热方式，伴热所需维持的温度无法控制；耗热量大，安装和维修的工作量大，生产管理不方便。采用电伴热可以利用能量，有效控制温度。电伴热方式有感应加热法、直接加热法及电阻加热法等。21.2.1伴热设计原则21.2.1.1伴热设计的原则(1)管道伴热设计，一般情况下仅考虑补充管内介质在输送过程或停输期间的热损失，以维持所需的温度，不考虑管内介质的升温。对于工艺有特殊要求，介质需要升温的管道，可以选用特殊的伴热方法进行升温输送。(3)伴热用的蒸汽、热水，一般应统一规划，集中供应；其温度、压力参数应满足管道伴热的工艺要求。21.2.2管道伴热的条件(1)在环境温度下，需从外部补充管内介质的热损失，以维持输送温度的气体、液体管道。(2)在输送过程中，由于热损失产生凝液可能腐蚀或影响正常操作的气体管道。(3)在输送过程中，由于热损失造成温降可能析出结晶体的管道。(4)在操作过程中，由于压力突然下降而自冷，可能导致结冻堵塞或管道剧冷脆裂的管道。(5)在切换或间歇停输期间，管内介质不能放净或吹扫而可能凝固的管道。(6)由于热损失使输送介质粘度增高，系统阻力增加，使输送量达不到工艺要求的管道。(7)输送介质的倾点或凝固点等于或高于环境温度的管道。21.2.3伴热介质的选用(1)介质温度在95℃的管道，应选用0.3～0.6MPa蒸汽或热水伴热。(2)介质温度在95～150℃之间的管道，应选用0.7～0.9MPa蒸汽伴热。(3)介质温度大于150℃的管道，当0.9MPa蒸汽不能满足工艺要求时，可选用载热体作为伴热介质。伴热介质温度的确定伴管的伴热介质温度宜高于被伴热介质温度30℃以上，当采用传热胶泥时宜高于被伴热介质温度10℃以上。夹套管的伴热介质温度可等于或高于被伴热介质温度，但温差不宜超过50℃。(3)对于控制温降或最终温度的夹套管伴热管道，伴热介质的温度应根据被伴热介质的凝固点或最终温度要求确定。21.2.5伴管及夹套管材质的选用(1)外伴热管必须采用无缝钢管。(2)夹套管的内管应采用无缝钢管，套管可采用无缝钢管或焊接钢管。(3)夹套管中与内管连接的零件材质应与内管材质相同。(4)当套管与内管材质不同或温差大时，应按《石油化工企业管道柔性设计规范》（SHJ41—91）对夹套进行温度应力校核。21.3.1伴热方式选用(1)介质凝固点低于50℃的管道，可选用外伴热管伴热。当有特殊要求且工艺管道的公称直径大于150mm时，也可选用内伴热管伴热。(2)介质凝固点为50℃～100℃的管道，或经常处于重力自流，或停滞状态的易凝截止的管道，宜选用管帽式夹套管伴热；或带传热胶泥的外伴热管伴热。(3)介质凝固点高于100℃的管道，应选用夹套法兰式夹套管伴热，管道上的发兰、阀门应采用夹套型。(4)输送气体截止的露点高于环境温度需伴热的管道，宜选用伴管伴热。输送腐蚀性介质或热敏性介质的管道，严禁使用蒸汽夹套伴热管；当选用外伴热管伴热时,伴热管与伴热管之间应有隔热措施。21.3.1伴管设计伴热管管径及根数的确定(1)伴管管径(用硬质圆形保温材料制品)的计算：(21.3.1.1—1)式中d----伴管计算直径(m);Di──保温层内径(m);DO──保温层外径(m);K──热损失附加系数，取1.15～1.25;t──被伴介质温度℃；ta──环境温度℃；tst──饱和蒸汽温度℃；α──保温层外表面向大气的放热系数w/m2·k;αt──伴管向保温层内加热空间的放热系数w/m2·k;di──保温层内加热空间空气向保温层的放热系数，w/m2·k一般取13.95w/m2·k;λ──保温材料制品导热系数w/m2·k。（2）伴热管的根数n≥—2)式中n──伴热管根数，根；do伴热管外径（m）。蒸汽伴热伴管管径及根数(用硬质圆形保温材料制品)按表21.3.1-2选用。伴管长度的确定(1)伴管的供汽点至排凝点之间的最大允许伴热长度按下式近似计算：—1)式中Lmax──伴热管的最大允许长度(m);gmax──伴热管在允许压力降下的最大蒸汽用量kg/h；g1──主管伴热用的蒸汽耗量kg/m·h;AX──修正系数，一般取0.6～0.7。表—2伴管根数及管径(mm×根)伴管长度可按表.2.2-2选用。当伴热用蒸汽的冷凝水不回收时，表中伴热长度可延长20～30％。表—2伴管最大允许伴热长度表蒸汽压力(MPa)伴管管径DN(mm)最大允许伴热长度(m)被伴管管径DN(mm)≤100150～300350～5000.3～0.515602010080251501300.6～0.9151002020015012025300200170热水伴热的规定热水伴热管管径与根数可按表-1选用；热水伴热管的伴热长度，从热水总管的分支口起到回水总管入口处止，不应超过200米。表21.4.1-1热水伴热管管径及根数选用表（mm）工艺管径DN伴热管管径×根数≤15025×1200～40025×2450～50040×221.4.1.2热水伴热流程如图所示。图21.4.1.2热水伴热流程21.4.2蒸汽耗量的确定伴热管的蒸汽耗量可按表5.4-1选用。表—1外伴热管的蒸汽用量表（kg/m.h）蒸汽压力MPa伴管直径DN(mm)被伴管管径DN(mm)≤100150～300350～5000.3150.150.250.30200.300.32250.6～1.0150.17200.180.300.32250.210.320.36伴热管道的保温伴管伴热和夹套管伴热的管道保温宜选用硬质园形保温材料制品，其保温层厚度和热损的计算公式可按中石化总公司标准《石油化工企业蒸汽伴管及夹套管设计规范》SHJ40—91第条和第条执行。伴热管的安装设计蒸汽外伴热管（1）伴热管必须从主管或蒸汽分配管顶部引出，并靠近因出处设切断阀。（2）每根伴热管宜设蔬水阀。（3）在3米半径范围内如有三个或三个以上供汽点或排凝点时，则应在该处设蒸汽分配管或冷凝水集合管，并应在分配管或集合管上设置备用接头；分配管(集合管)的直径可按表21选用。表21.5.1.1-1分配管(集合管)直径名称伴管直径(DN15～25)伴热管根数(根)3～67～25供汽引入管DN（mm）4050供汽分配管DN（mm）5080冷凝水集合管DN（mm）5080（4）通过疏水阀后不回收的凝液水，宜集中引入一汽水分离器内，将废汽高空排放，冷凝水应引入附进近排水沟。（5）每根伴热管应尽量高点供汽，沿工艺管线由高向低敷设，在最低点排凝；并尽量减少“U”形水袋，以防产生液阻和气阻。（6）当主管要求伴热而支管不要求伴热时，该支管的第一个切断阀（靠近主管处）应予伴热。要求伴热的管道上的取样阀、放气阀、扫线阀和排液阀等均应伴热。（7）伴热管可不设低点排放阀。（8）蒸汽外伴热管流程如图21.5.1.1-1所示。图21.5.1.1-1蒸汽外伴热管流程图热水外伴热管（1）每根加热环管的最高点应设放气阀。（2）每根加热环管上应设两个切断阀，一个设在供热管的分支线处，一个设在回水总管的入口处。（3）每根加热环管的入口处，应设置配有切断阀的软管接头，以作为扫线用压缩空气或化冰用的蒸汽入口，出口处设排空阀。（4）热水伴热应从低点供热，高点回水，热管宜从分配管、集合管或热水干管底部加阀连接；（5）考虑加热环管之间的压力平衡，可在环管上设置节流孔板，孔板直径不小于5mm。（6）加热环管不宜直接从总管上接出；一般情下，可以8～12根设一集合管。集合管与总管的连～接管上应设有阀门以便调节。外管热管必需采用无缝钢管。采用法兰连接。伴管经过阀门、管件时应沿其外形敷设，且宜避免或减少袋形；伴管在经过阀门、法兰处可采用法兰连接。被伴热管为水平敷设时，伴管应安装在被伴管下方一侧或二侧;当被伴管为垂直敷设而伴管等于或多于二根时,宜沿被伴管四周均匀布置。21.5.1.6安装在同一侧的两根伴热管，每隔5米设置一个间隔板（焊在伴热管上），以控制两管间距。21.5.1.7伴管可用金属扎带或镀锌铁丝扎在被伴管上，捆扎间距为1～1.5m。有垫层的伴管在垫层处捆扎材料与被伴热有接触腐蚀时，在接触处应加石棉布隔离垫。伴管不得直接焊在伴管上作固定点。需要固定时，要将伴管焊在被伴管的管卡上。21.5.1.8伴热管的热补偿，可采用:(1)当伴热管的供热管供汽点至排凝点之间的直线段不超过40m时，可采用中间固定方式，不设补偿器。(2)当伴热管供汽点至排凝点之间的直线段大于40m时，除“L”型自然补偿器的管段外，每隔30~～40m设一补偿器。（3）补偿器可采用“U”型、“Ω”型或螺旋缠绕型。（4）伴管随被伴管转弯作自然补偿时，伴管固定点的设置应使被伴管弯头处的保温结够不受损坏。21.5.2伴热管安装结够图21.5.2.1外伴热管安装如图所示。图21.5.2.1圆形保温结构注:1.外伴热管应安装在工艺管道的侧下方(一侧或两侧),并使伴热管与工艺管道两管管底相平。2．安装在同一侧的两根伴热管，每隔5米设置一个间隔板（焊在伴热管上），以控制两管间距。3.若工艺管道内输送腐蚀性或热敏性介质时，应采用Ⅱ型，即在伴热管与工艺管之间每隔1.0m夹入一块石棉板，或用∮5mm的石棉绳绕在伴热管上，缠绕长度为50mm,的工艺管道材质为不锈纲，伴热管材料为碳纲时，用同样方法处理，以避免产生接触腐蚀。供汽分配管（或集合管）均应设置一个DN25的放空阀；分配管和集合管可依具体情况单独或共同水平。垂直安装在管架柱或管墩上。供汽分配管(或集合管）安装适用于管架敷设的工艺管道。(1)供汽分配管垂直安装如图21所示。图21.5.3.1-1供汽分配管垂直安装（2）供汽分配管水平安装如图21所示。图21.5.3.1-2供汽分配管水平安装注：1。每根供汽集合管应予留两个备用接头。2．A型适用于冷凝水不回收系统，B型适用于冷凝水回收系统，冷凝水通过引出管排到总管。冷凝水集合管的安装适用于管架敷设的工艺管道垂直安装的冷凝水集合管如图21所示。图21.5.4.1-1垂直安装的冷凝水集合管水平安装的冷凝水集合管见图21.5.4.1-2.其集合管的直径可按表21表21.5.4.1-1冷凝水集合管的直径名称伴管直径(DN15～25)伴热管根数(根)3～67～25冷凝水集合管DN（mm）5080冷凝水引出管DN（mm）4050夹套管设计夹套管工艺设计管道热损失可按下式计算:(21.6.1.1)式中q2-------夹套管管道热损失，w/m；Di──保温层内径(m);DO──保温层外径(m);T----主管内介质温度，℃；ta──环境温度℃；α──保温层外表面向大气的放热系数w/m2·k;λ──保温材料制品导热系数w/m2·k。蒸汽耗量可按下式计算：(21.6.1.1)式中q2-------夹套管管道热损失，w/m；Hv----饱和蒸汽的焓，KJ/Kg；HI-------饱和水的焓，KJ/Kg；∑QI---夹套管系统总的热损失或所需的热量总和，W/M,∑QI=q2+q3+q4q3--------无夹套部分管道的热损失，W/M;q4-------被伴介质温升所需热量，W/M;K----热损失附加系数，一般取1.15～1.25.夹套管的组合尺寸21.6.1.2.1夹套管的组合尺寸可按表21.6.1.2-1选用。表21.6.1.2-1夹套管组合尺寸管径DN(mm)(mm)名称15152025405080100150200250300350套管404040508080125150200250300350400供汽、排凝管15151515151520202025252540跨越管1515151515152020202525254021.6.1.2.2夹套管的蒸汽引入口至冷凝水排出口的距离（称为伴热长度），应根据供汽压力及供汽管直径确定，一般情况下可按表21.6.1.2-2选用。表21.6.1.2-2套管伴热长度(m)套管供汽伴热蒸汽管DN长度压力DN(mm)(mm)0.3～0.4(MPa)0.5～0.6(MPa)0.7～0.9(MPa)≤10015455560125～20020556570250～350255565704004010011012021.6.2夹套管安装设计21.6.2.1夹套管水平敷设要求有坡向时，套管内介质流向应与坡向一致，蒸汽应由套管上方引入，冷凝水应由套管下方排出，供汽管、排凝管分别设切断阀。21.6.2.2-1～所示。图21-1法兰连接夹套管图21-2跨越管连接21.6.2.3每个夹套管长度不宜超过6米，每一夹套管伴热系统应单独设置疏水阀。21.6.2.4夹套管的内管应采用无缝钢管,套管可采用无缝钢管或焊制钢管。21.6.2.5在夹套中与内管连接的零件材质应与内管相同。当夹套中与内管材质不同，而两者热胀差异产生的许用应力时，则可改用同种材质或线膨胀系数相近的材质。当夹套管与内管介质的温差大或材质不同时，应对夹套管管系进行应力校核；夹套管由于介质温度、布置位置而产生的热胀量需补偿时，宜考虑自然补偿或设置补偿器。夹套管组装及其配件基本型式，夹套管内管的定位板布置图及定位板间距表，均按中石化总公司标准《石油化工企业蒸汽伴管及夹套管设计规范》SHJ40—91中第条，第条执行。21.6.3蒸汽夹套管的安装结构图21.6.3.1供汽管、排凝管及跨越管安装图如图21-1～21.6.3.1-3。图-1管帽连接夹套管图-2管帽连接夹套管—跨弯头的跨越管水平管道（正视）垂直管道（图中H=150mm）图-3管帽连接夹套管—跨法兰阀门的跨越管电伴热的方法21.7.1.1感应加热法是在管道上缠饶电线或电缆，当接通电源后，由于电磁感应效应产生热量。以补偿管道的散失损失。电感应加热虽有热能密度高的优点，但费用太高，限制了它的发展。21.7.1.2直接通电法是在管道上通以低压交流电，利用交流电的表皮效应产生的热量，维持管道温度，使之不出现降温。直接通电法的优点是：投资省，加热均匀。但在有支管、环管（成闭路的管道）、变径和阀件的管道上，很难应用。只适于长输管道上应用。21.7.1.3电阻加热法是利用电路上电阻体体发热的原理开发的，目前国内外广为应用的也是这类电伴热产品。利用电阻体发热的电伴热带又分两种基本类型：一种是电阻体串联在电路上，另一种是在并联两平行电路上跨接电阻。自限性电伴热带与其它固定输出功率的电热电缆有不同的使用特性：电热电缆的电阻和输出功率不随壳壁温度改变。自限性电伴热带的电阻与壳壁温度成正比，输出功率与壳壁温度成反比。21.7.2电伴热的应用21.7.2.1对于热敏介质管道，电伴热能有效的进行温度控制，防止管道温度过热；21.7.2.2需要维持较高温度的管道伴热，一般超过150℃，蒸汽伴热就难以实现，电伴热则有充分的条件；非金属管道（如塑料管）的伴热，一般无法采用蒸汽；无规则外型的设备（如泵），电伴热产品柔软、体积小，可以有效地进行伴热；较边远地区，如油田井场，井口装置的管道和设备的伴热；长输管道的伴热以及较窄小空间内管道的伴热等等。电伴热产品的应用，已不再局限于管道伴热的范围。电伴热已广泛应用于石油、石油化工、塑料、医药、电力、矿山、机械以及农业等产业部门。21.7.3电伴热产品选型和计算合理地选用电伴热产品,主要依据:工艺条件、环境情况、管道设计和管道所在区域的爆炸危险性分类。管道的散热损失计算可参照《石油化工装置工艺管道安装设计手册》第一篇（设计与计算）第二十一章有关公式计算。产品系列的选择工作电压，根据我国电力供应与电伴热产品工作电压，确定工作电压为220V（交流电）。由散热损失计算，确定需电伴热补偿的热量。确定电伴热带持续性温度，一般按管内介质温度。确定电伴热带短时间承受的最高温度，一般按短时间管内介质的最高温度，如用蒸汽扫线即按蒸汽温度。根据1～4项数据，可从电伴热产品技术参数表选用合适型号。核算维持温度下的输出功率，为能满足要求即可选定产品型号。21.7.3.3确定产品结构根据管道所处的区域的爆炸危险性分类，可查电伴热产品的结构特征表等确定。21.7.3.4电伴热带长度计算（1）管道所需电伴热带长度，一般每米管道所需电伴热带长度按管道长度的1.05倍计算。阀门、法兰、管件及支架所需电伴热带长度。阀门所需电伴热带长度可按公式计算Lv=n·Qv·△式中