化工厂工艺管道防冻保温设计方法

在化工厂管道设计中，管道的保温和伴热虽然常见，但管道的防冻保温设计却容易忽略，特别是在我国北方的寒冷和严寒地区，管道的防冻保温设计更是马虎不得。在恶劣的气候条件下，曾出现蒸汽管支管冻裂的情况，因此北方地区的管道配管有其特殊的要求，不能按普通的要求设计。目前国内实行的设计标准中尚无一个系统完善的设备、管道防凝、防冻准则，设计人员通常依据自身的现场经验和沿用的习惯做法进行设计。笔者试图结合工程现场遇到的问题，重点阐述工艺管道防冻保温的设计方法和相关注意事项，以期为北方地区工业管道设计提供参考和借鉴。工艺管道内介质冻结机理当介质在管道内流动时，由于散热损失的存在，介质的温度沿流程逐渐降低。在有限的管道长度内，在一般的散热损失情况下，通常介质温度不至于降低到介质的凝固点或冰点；但当管内介质停止流动时，由于介质得不到热量的补充，温度就有可能降至凝固点或冰点，甚至更低，从而发生冻结，轻则堵塞管道，重则导致管道破裂。通常在管内介质冻结时，首先是紧靠管内壁的介质开始冻结，圆形管道中冻结的介质沿管壁呈环状，然后逐渐增加冻结层厚度，直至冻结到管中心而堵塞管道。由上述介质冻结过程分析可知，管内介质冻结是一个不稳定的传热过程。由于不稳定传热过程的计算比较复杂，因此，在工程上一般采用简化方法，即按照稳定传热的热平衡方法计算防止冻结的保温层厚度，并适当考虑安全因素。工艺管道防冻保温设计方法工艺管道的防冻在寒冷或严寒地区，对于介质内含水的设备和管道，如果是连续操作且管道长而集中，则采用保温、伴热的方式防冻，亦或采用设置排液、吹扫或辅助管道的方式防冻。从工艺介质角度来说，有下列情况之一的管道必需进行防冻设计：①气体冷凝时会产生腐蚀性的介质；②气体含有水分，同时在压力下降时有可能生成冷凝水或结冰的介质。保温是为了减少设备管道及其附件向周围环境散热而在其外表面采取的包覆措施。管道的防冻方式一般有保温和伴热2种。为了防止管道或设备被冻坏，必须根据介质间断的时间计算出保温层的厚度，以防止或延长冻结时间。加热保温是化工物料输送管道常用的一种保温形式。加热保温是将输送管道向环境中的散热量用加热的办法加以补偿，使输送管道中物料温度保持不变或不冻结。有实验表明，对于管径小于DN40mm的管道，即使外加保温层，在夜间低流速工况下如果没有热源伴暖，壁温通常会在3h内从12°C降至0°C,这是十分危险的。管道内物料向周围空气的散热量应由伴热管来补充。加热保温常见的形式有蒸汽伴热管、热水伴热管和电加热带3种。管道蒸汽伴热的设计选用可参照文献［1］。保温计算的原则保温设计应符合减少散热损失、节约能源、满足工艺要求、保持生产能力、提高经济效益、改善工作环境等基本原则。由于国家标准GB8175—87《设备及管道保温设计导则》与GB50264—97《工业设备及管道绝热工程设计规范》的考虑方法不同，故导出2种计算公式。GB8175—87专指介质停止流动时的管道，在计算中取介质在管内允许形成的冻结层截面积为管道总截面积的1／4左右，管径大时可取大于1／4的数值，管径较小时可取小于1／4的数值。对于小管径的管道，由于其单位容积的散热面积较大，发生冻结的危险较大，因而在计算中要特别注意加大安全系数。GB50264—97考虑到不少物料在温度接近凝固点时，黏度及流体阻力急剧增加，当贴管壁的物料凝固后还会引起安全阀、止回阀及仪表管件不能正常工作，故公式中未计入贴附在管壁上物料凝固时放出的热量。保温层厚度的计算和确定管道和圆筒形设备外径大于1020mm时，可按平面计算保温层厚度(经大量核算，按圆筒面计算与按平面汁算，其结果基本一致)，其余均按圆筒面计算保温层厚度。计算公式和有关参数可在GB8175—87和GB50264—97中查找。为了减少保温结构散热损失的保温层厚度，应按“经济厚度”的方法进行计算，并且其散热损失不得超过GB4272—92《设备及管道保温技术通则》规定的数值。设备及管道内介质在允许或指定温度降条件下输送时，保温层厚度按熟平衡方法计算。为延迟管道内介质冻结、凝固的保温层厚度按热平衡方法计算。延迟管道内介质冻结、凝固、结晶的保温厚度计算，应使绝热层厚度满足如下恒等式要求：式中，6为绝热层厚度，m；D为管道外径，m；D为内层绝热层外径，当为单层时即为绝热层外径，10m；K为管件及管道支吊架附加热损失系数，K=l.l〜1.2(大管径取值应靠下限，反之应靠上限)；入为绝r r热材料在平均温度下的导热系数，W/(m2・C)。入的取值应符合下列规定：导热系数应取绝热材料在平均设计温度下的导热系数，对软质材料应取安装密度下的导热系数。T为管道的外表面温度，C；T为介质0 fr凝固点，°c；T为环境温度，。C,室外管道应取冬季极端平均最低温度。t为介质在管道内不出现冻结的a fr停留时间，h；a为冬季最多风向平均风速下的放热系数，按公式s算。式中，W为年平均风速，m/s，当无风速值时可取为11.63[W/(m2・C)]；在防冻计算中，风速取冬季最多风向平均风速；V和V为介质体积和管壁体积，m3；p和p为介质密度和管壁密度，kg/m3；Cp p和c分别为介质热容和管壁热容，J/(kg・°C)。相关参数可在GB50264—97附录中查找。p保温材料的选择原则保温材料制品的允许使用温度应高于正常操作时介质的最高温度。相同温度范围内有不同材料可供选择时，应选用导热系数小、密度小、造价低、易于施工的材料制品，其经济效益高者应优先选用。在高温条件下保温材料可选用复合材料。防冻保温管道的布置要求和防冻措施在寒冷地区，所有易冻管道，如循环水管道、新鲜水管道、间断性用水管道、间断性用蒸汽管道、冷凝液管道、冲洗水管道及地漏排污管等，均要按照防冻要求配管，压缩机、水泵、安全阀、泄压阀、公用工程管道也有其特殊防冻措施，处理方法如下。埋地水管道工业用水管道一般直径较大，且在寒冷地区需考虑防冻，故多采用埋地敷设的方法。直径较大的管道一旦发生结冰只是在管道内壁结1圈冰，虽然不会堵塞管道，但其流量会受到限制，考虑到埋地管道不易清理，通常将其埋至冰冻线以下，以保证管道内介质不会结冰。3.2冰冻线以上的水管道布置要求在寒冷地区埋地敷设的水管道引出地面时，应根据工艺要求，在冷却水出入口总管上设置切断阀、防冻排水阀和长流水等措施。寒冷地区冰冻线以上水管的防冻管道安装形式见图1〜图4。其中，循环水时可采用图1所示防冻措施；新鲜水附近无回水管道可采用图2或图3所示防冻措施；最冷月平均气温等于或低于0C地区的循环水、新鲜水等管道可采用图4所示防冻措施(断流时间过长时需伴热)。

EEI離坯朮防理詳道靈詭西式^2严球的北方地国購冻胃页安堆瞬式^iLELtO.000砂J!立djUlS3新邸木刑址旳回球的肪帐脣遺餐韭时式0B4锻曙月平均气温艺。弋地区的肪冻釋道寒冷地区的管壳式冷却器或其他冷却设备，其进出口管道阀门处应设置防冻排液阀和防冻循环旁通管，以便在停工或检修时，将设备和管内的存水排净，以避免冻裂设备。防冻循环旁通管和防冻排液阀应尽量靠近阀门，而且也需保温防冻。(3)任何介质的管线，在任何场所都不应有“盲肠”管段，以避免管内介质冻结、凝固、局部腐蚀及吹扫不净等。寒冷地区架空敷设的水管道应避免死端、盲肠、袋状管段，可以将有易冻管道的盲端改至最短，或将盲肠管段改造为假管支撑，见图5。对难以避免的袋状管段应考虑设置低点排液阀。

11Vi.Hi團£石驕彗義改扔蝦诗支據防冻措施为防止室外地上管道不使用时发生管道冻裂，应设置排水阀。平时没有水流动的管道，如孔板流量计的仪表管，应设置蒸汽伴热管，以防冻结。(2)在装置运行时有可能暂时停车的设备，其冷却水管道的切断阀采用阀门保温箱或对阀门伴热的方法防冻。(3)安装在垂直管道上的切断阀或止回阀的出口排放阀应尽量靠近切断阀或止回阀，若有可能可在阀体上排放。泵或压缩机的冷却水排放管道应设置成坡向管道，并将其沿坡向接至回水或下水管道。压缩机入口管道压缩机入口管道的防冻多采用热水或蒸汽伴热以及外敷保温层的方法。当然，伴热保温也是相对的,其热量是否满足要求还需考察其他因素。如果环境温度太低，可将压缩机放置在压缩机房内，采取统一供暖的方式。这时的压缩机入口管道可以不防冻，但暴露在室外的入门管道仍需保温防冻。水泵水泵的防冻常采用在泵的进、出口管道设置旁通管道的方式。为防止备用泵内介质冻结凝固，可采用配置设有限流孔板的防冻循环管道，使流体从备用泵的防冻循环管道经泵体返回入口管。一般防冻循环管道设置在泵出口切断阀前与泵出口之间，限流孔板须经过核算，防冻管线仍需保温。水泵防冻管道的安装形式见图6。图6水泵防冻管线的设计图6中启用泵的出口端(C和B)压力应大于入口端(A)的压力，备用泵的出口端(D)压力小于B点的压力。由于止回阀的存在，使得止回阀上段至B点处有积液，因此设置了旁通线，使积液从B端通过旁通线流经泵返回A点，以此达到防冻的目的。安全阀、泄压阀所有易冻介质或安全阀蒸汽放空、蒸汽放空阀放空后易产生冷凝液(无害)介质，应在靠近安全阀出口管底部处开设©8mm泪孔，以防止安全阀出口结冰引起憋压爆炸。若泄压阀排放至密闭系统，并且在最低环境温度下泄放总管中的气体有可能冷凝时，应在泄压阀的排出口凝液可能有积聚的部分伴热。配管应从泄压阀出口坡向泄压总管，绝对避免出现“袋形”，否则气体凝液将冻结在泄压阀出口管道内而引起阻寒，从而导致泄压不畅，发生事故。公用工程物料管道公用工程物料管道的防冻一般只是防止凝液的积聚，在工业装置中不仅要采取保温的方式防冻，还要在适当的位置设置排放阀或疏水阀等，以便及时将产生的凝液排放掉。蒸汽管道过热蒸汽管道上的低点应设置排放阀，阀的位置应靠近蒸汽主管。饱和蒸汽管道上有可能积聚冷凝水的低点或末端需设置疏水阀。如果蒸汽分配集合管和冷凝液集合管在靠近主管的地方，则应设置切断阀或止回阀，且阀门要水平设置。蒸汽伴热的每根支管末端应设置分液包和疏水阀，在蒸汽可能积聚凝液的低点要设置排放阀，以便在系统停止供气时，凝液能及时导出，避免冻结在管道内。蒸汽伴管在回冷凝液收集站时应尽量减少液袋(蒸汽伴管液袋是蒸汽伴管结冻的主要原因)，在不可避免的伴管液袋中，液袋高度按规范不能超4m。1个伴管最多只能有1个液袋，不能按规范可允许几个液袋同时存在。消防管设备的安全喷淋系统应在供水阀下游侧设置排放阀，当系统停止供水时应能排净，管道内不得留存液体，以免在冬季将管道冻裂。事故淋浴洗眼设施应尽量设在室内，如果必须设在室外时，应靠近建筑物的墙边安装，供水管道及其阀门应安装在建筑物内。空气系统管道装置内空气系统(工厂空气和仪表空气)是管道防冻保温容易忽略的地方，因为工厂空气和仪表空气介质中含有少量水蒸气。防冻处理方法是在缓冲罐底部管口导淋阀后增加疏水阀或在缓冲罐底部增加伴热，在空气经过过滤器、分离器时，其中的水蒸气就会凝结积留在设备底部。缓冲罐需设置排放阀以排除凝液。在空气系统管道的低点有可能积聚冷凝水的地方也应设置排放阀。放空和导淋在通常的设计中，放空阀和导淋阀前短管按规范其长度为75〜100mm，根据笔者在神华煤气化工程现场和其他北方工程现场经验证明，放空阀和导淋阀前短管长度在75〜100mm时经常出现冻结现象，应采用小于50mm的短管为宜，且焊接时必须采用有效的冷却措施。结