低溫管道保冷復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

低溫管道保冷復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要:氮在化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、電子工業(yè)、食品工業(yè)、金屬冶煉及加工業(yè)等領(lǐng)域有著

廣泛的用途。在液氮的制取、利用過(guò)程中，通常需要有低溫液體輸送管路，為減少液態(tài)氮在

生產(chǎn)和輸送過(guò)程中的溫升或氣化［即減少冷量損失（熱量侵入）或控制冷損量］,需對(duì)設(shè)備

和管道進(jìn)行保冷，以確保保冷層外表面溫度高于環(huán)境的露點(diǎn)溫度，從而達(dá)到減少（控制）冷量

損失，節(jié)約能源的目的。

關(guān)鍵詞:低溫管道；選材；施工；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1低溫管路材料的選取

1.1輸送管道材質(zhì)的選取

管道的穩(wěn)定運(yùn)行需要依靠加壓泵站，來(lái)對(duì)沿線出現(xiàn)的地勢(shì)起伏阻礙進(jìn)行克服。加壓泵站

可以給液流提供足夠的壓力，進(jìn)而讓液流在管道內(nèi)的流動(dòng)更為有動(dòng)力。但是此運(yùn)輸過(guò)程中，

由于管道摩擦力的存在，會(huì)讓液流的流動(dòng)速度逐漸下降，壓力也會(huì)隨著距離的增加逐漸變小,

此時(shí)由于摩擦力的存在，管壁的溫度會(huì)慢慢升高，壓力降小、濕度升高等條件的作用下，液

流將會(huì)出現(xiàn)汽化的情況。但是驅(qū)動(dòng)液流流動(dòng)的壓力雖然減小了，管道內(nèi)因?yàn)槠瘑?wèn)題的出現(xiàn),

導(dǎo)致內(nèi)部的壓強(qiáng)增加。加上很多管道由于一些自然影響因素的存在，不得不敷設(shè)在地面之上,

暴露在自然環(huán)境中，此時(shí)就會(huì)受到陽(yáng)光的直射，而陽(yáng)光直射也會(huì)讓管道內(nèi)部的溫度上升，增

加液體汽化量。因此為了讓熱輻射問(wèn)題得到有效控制，減少汽化，需要對(duì)管道的材質(zhì)進(jìn)行選

擇，或是安裝合適的供熱泄放裝置。

1.2輸送管道絕熱材料的選取

低溫液體剛性輸送管道一共可以分為三種，非絕熱管、普通絕熱管和真空絕熱管。非絕

熱管造價(jià)方面較有優(yōu)勢(shì)，但是缺點(diǎn)是使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)“跑冷”問(wèn)題，因此一般會(huì)被用于間斷短

距離環(huán)境中。真空絕熱管由內(nèi)管、外管、支件組合而成的，管道外圍會(huì)因?yàn)檫@些組件的存在

形成一個(gè)絕熱的空間.進(jìn)而營(yíng)造出低壓與真空的環(huán)境，這樣的處理可以為絕熱效果提供更好

的保障。但是需要關(guān)注到的點(diǎn)是此種類型的絕熱管制作工藝復(fù)雜，且造管支出占用較大，同

時(shí)為了讓系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)作，需要大量的人力與物力組織維護(hù)工作。因而在項(xiàng)目的管道設(shè)計(jì)

中，管道走向復(fù)雜，管道上管件、儀表件等較多等情況下可以選擇綜合使用的方式，組合使

用管道材料，使用真空絕熱管道來(lái)保冷。但是從管路制作復(fù)雜性和管路投資成本進(jìn)行考慮時(shí),

3km以上的管道可以采用普通絕熱方式，而不采用真空絕熱方式。

2保冷層厚度的計(jì)算方法

根據(jù)規(guī)范規(guī)定保冷計(jì)算的目的在于“減少冷介質(zhì)在生產(chǎn)和輸送過(guò)程中的冷損失量；減少

冷介質(zhì)在生產(chǎn)和輸送過(guò)程中溫度升高或氣化;防止管道及設(shè)備表面凝露”。

絕熱層的厚度，取決于所需施加的絕熱層熱阻，而絕熱層熱阻的確定則取決于由絕熱目

的所提出的要求和其他限制條件，例如：

1）限定外表面溫度ts;

2）限定金屬壁溫度t;

3）限定吸熱熱流密度q;

4）限定內(nèi)部介質(zhì)溫升At;

5）獲得最佳經(jīng)濟(jì)效果（全年總費(fèi)用最低）。

可以看出，管道保冷計(jì)算的方法眾多，但因保冷的目的和限制條件不同，則采用不同對(duì)

應(yīng)的公式計(jì)算時(shí)得到的結(jié)果也不相同，因此選用合適的計(jì)算方法至為重要。在實(shí)際工程運(yùn)用

中發(fā)現(xiàn)，由于我國(guó)幅員遼闊、氣象差異懸殊，各地相對(duì)濕度差別很大，環(huán)境溫度Ta與露點(diǎn)

溫度Td的溫差最大為20.9℃,最小僅為1.7℃,如采用限定外表面溫度的方法來(lái)計(jì)算低

溫管道，得出的保冷層厚度往往不甚合理:對(duì)于沿海地區(qū)，因常年濕度較大，當(dāng)?shù)貧庀髼l件

下最熱月的露點(diǎn)溫度較高，則用上述公式計(jì)算出的保冷層厚度偏大;而對(duì)西北地帶，由于氣

候干燥、露點(diǎn)溫度較低，計(jì)算出的保冷層厚度又往往偏小，這顯然背離了經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。

為此在最新版GB50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中已不再將“以控制保

冷層外表面溫度Ts為露點(diǎn)溫度加1?3℃”作為保冷厚度計(jì)算的唯一原則，而是采用不會(huì)結(jié)

露的“允許冷損失量”下的厚度，并用經(jīng)濟(jì)厚度進(jìn)行校核與調(diào)整。

3低溫管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化施工要點(diǎn)

3.1低溫管道的焊接施工要求

1.對(duì)低溫管道的焊縫有以下兒點(diǎn)要求：

2.

焊接縫必須得到質(zhì)量保障，焊接縫上的抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性等指標(biāo)不能比母材更低。如果異

種鐵素體鋼材的焊縫要求較高，要求其抗拉強(qiáng)度與沖擊韌性與較高側(cè)母材指標(biāo)一致，如果無(wú)

法達(dá)到，可以使用熱處理方式增強(qiáng)處理。

焊接前應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，對(duì)焊接試板的焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行低溫沖出試驗(yàn),

其低溫沖出功的及格與否，應(yīng)與母材耍求相同。焊接試板熱處理狀態(tài)也應(yīng)與母材致。如異

種鐵素體鋼材焊接時(shí)，低溫沖出功與沖出功高的一側(cè)的母材也相匹配。

取樣方法、試樣數(shù)量和規(guī)格等應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。焊條、焊絲批號(hào)不一致時(shí)，應(yīng)重新作焊

接試板低溫沖擊試驗(yàn)。

奧氏體不銹鋼在低溫環(huán)境下使用時(shí)，要求用氧弧焊焊接的焊縫金屬含碳量W0.10%,如果

設(shè)計(jì)溫度＜-30℃時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行焊縫金屬（焊接試板）的低溫沖擊試驗(yàn)，其沖出功應(yīng)符合規(guī)定

的要求值。奧氏體不銹鋼焊條可按GB983-2012《不銹鋼焊條》選取，焊絲可按GB4233-

1984《惰性氣體保護(hù)焊接用不銹鋼棒及鋼絲》選取。

3.2低溫管道的安裝施工要求

1.開展管道安裝操作時(shí)，首先要對(duì)管道的位移問(wèn)題進(jìn)行考慮，尤其是管道與相鄰管道、

設(shè)備與梁之間應(yīng)進(jìn)行縫隙預(yù)留，防止管道因?yàn)橥饬ψ饔贸霈F(xiàn)位移時(shí)，發(fā)生摩擦或是碰

撞，給LNG液流的穩(wěn)定輸送造成影響；法蘭與閥門的位置因?yàn)楸＠涞暮穸容^大，因此

組織配管T作時(shí)，空隙的預(yù)留尺寸應(yīng)得到技術(shù)人員的合理安排：放空、放凈的最小安

裝尺寸應(yīng)得到專業(yè)人士的策劃，根據(jù)保冷的厚度進(jìn)行精確規(guī)劃。保冷的管道貫穿樓板

時(shí)，要在管道與梁之間進(jìn)行間隙預(yù)留，同時(shí)對(duì)預(yù)留孔的尺寸進(jìn)行精確確定，配管應(yīng)與

梁之間保有一定的距離；設(shè)備為立式類型時(shí)，上升管道的設(shè)備上應(yīng)進(jìn)行支架間距調(diào)整，

給出一個(gè)最為合理的安裝間距，同時(shí)預(yù)留出合適的保冷管道間距。

2.

低溫管道敷設(shè)過(guò)程中，執(zhí)行水平敷設(shè)步驟時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)管道的底部進(jìn)行硬

質(zhì)墊層設(shè)置，一般為硬質(zhì)聚氨酯保冷材料塊，這種材料的使用可以讓管道中的冷量損失降到

最低。

開展垂直方式的低溫管道敷設(shè)步驟時(shí)，支架的位置如果設(shè)置在了低溫設(shè)備上，那么設(shè)備與管

道上都需要進(jìn)行墊塊安裝。

對(duì)管架進(jìn)行安裝時(shí)，保證其質(zhì)量的同時(shí)，也要對(duì)管道的保冷結(jié)構(gòu)質(zhì)量水平進(jìn)行保證：低溫管

道的材料強(qiáng)度較低，所以其支架間距的設(shè)置應(yīng)得到專業(yè)人士的調(diào)整，應(yīng)比一般鋼制管道支架

的間跨距更小。

當(dāng)保冷管道無(wú)管托支承時(shí)，保冷管道管底標(biāo)高的確定取決于管架或枕梁上的保冷厚度，在管

徑變小的位置，保冷厚度也會(huì)變小。為了保持管道管底標(biāo)高，保冷墊木塊的厚度不應(yīng)該改變。

保冷墊木塊的厚度比保冷層的約大5mm,這樣做可以防止由于管子偏移與梁接觸而引起保冷

層的損壞。

低溫管道極易生銹，在管架的滑動(dòng)表面應(yīng)采用滑動(dòng)板。

低溫管道彎頭處應(yīng)力最大，彎頭處最容易發(fā)生脆裂，所以不宜在彎頭處焊接管道支吊架。

結(jié)語(yǔ)

管道由于內(nèi)部運(yùn)輸?shù)囊后w具備較強(qiáng)的特殊性，因此與普通的管道相比，設(shè)計(jì)水平、管道

材質(zhì)、施工工藝等方面的要求更高，所以工程技術(shù)人員必須對(duì)材料選擇與施工技術(shù)落實(shí)兩個(gè)

方面的工作進(jìn)行重視，保證從方案規(guī)劃到施工步驟操?gòu)秸麄€(gè)流程的質(zhì)量水準(zhǔn)都可達(dá)到要求，

維護(hù)管道運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定與安全。為此建議常規(guī)的低溫液氮管道采用限定散熱熱流損失的方法計(jì)

算保冷層厚度;而液氮儲(chǔ)槽至液氮泵之間的保冷管道宜采用限定內(nèi)部介質(zhì)溫