引言

在世界各國的石油化工行業(yè)中,每年因保溫層下的腐蝕造成的損失多達數(shù)十億美元。

金波從保溫層本身造成的腐蝕和管道自身腐蝕機理兩個方面說明了保溫層下的腐蝕原因,并提出了通過選擇合適的防腐涂料、采用合適的保溫材料以及加強現(xiàn)場施工管理來阻止或減緩保溫材料對管道的腐蝕。

陳廣等描述了長輸管道保溫層下易發(fā)生腐蝕的部位,提出了材料表面改性、研制新型緩蝕劑兩種防護措施。

以上研究均是針對保溫材料及防腐涂料的選擇,并沒有從保溫結構上進行改進來提高管道保溫節(jié)能效率及解決管道防腐問題。

同時,對帶空氣隔層的保溫結構,《工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范》(GB50264一2013)等標準規(guī)范中也未給出保溫層厚度設計計算方法。且在標準規(guī)范中,管道保溫層厚度的基本計算方法一經濟厚度法、表面溫度法等均存在一定不足。比如經濟厚度法,在工程設計中難以精確確定熱能價格、年復利率等參數(shù),工程中應用較少:表面溫度法則通過規(guī)定保溫層外表面最高年均溫度及允許的熱損確定保溫層厚度,但設計計算過程中并未考慮輻射散熱量,因而得到的保溫層厚度與實際需求也存在一定偏差。

基于此,首先提出了一種帶空氣隔層的管道保溫結構,即在傳統(tǒng)保溫層與介質輸送管道間增設一空氣隔層,避免保溫材料與管道直接接觸。然后根據(jù)能量守恒原理,采用迭代試算法,對帶空氣隔層保溫結構做了詳細的傳熱設計計算,并與傳統(tǒng)保溫結構熱散失量做了對比。

1帶空氣隔層管道保溫結構傳熱分析

1.1傳熱過程分析

帶空氣隔層的管道保溫結構及其傳熱計算模型如圖1所示。

如圖1所示,蒸汽管道帶空氣隔層保溫結構是在傳統(tǒng)保溫結構(即不帶空氣隔層,如圖2所示)保溫層靠近介質輸送管道壁面處留有空氣隔層,常規(guī)保溫材料與空氣隔層壁面直接接觸,避免了與管道壁面的接觸,減少了保溫材料對管道的腐蝕,大大增加了管道運行的安全性能。

以下計算中,各邊界面的壁溫均以字母1加相應的邊界面編號表示,例如介質輸送管道內表面的壁溫表示為11:相鄰兩個邊界面間的傳熱量均以字母Q加相應的邊界面編號表示,例如介質輸送管道內、外表面間的傳熱量表示為Q12:最終由保溫層向大氣環(huán)境的散熱損失表示為Q5四,總散熱損失量為Q散。

由于介質輸送管道內表面高溫介質輸送速度快,內表面處魯塞爾數(shù)Nu較大,從而可推知內表面膜傳熱系數(shù)h也很大,同時在保溫條件下散熱量絕對值并不大,由牛頓冷卻公式0=hAAr可知,介質溫度lf與管道內表面溫度l1差值也很小,經計算該差值基本都在0.1C的量級,因而工程計算中,完全可近似認為lf=l1。

根據(jù)能量守恒原理,圖1所示傳熱過程中,通過不同傳熱界面間的能量應相等,且均等于最終的散熱損失量0散,即有:

1.1.101℃計算

顯然,01℃屬于固體圓柱面壁面間的傳熱,應用傅里葉定律,可得輸送管道壁面間的傳熱量為:

式中,入1℃為介質輸送管道導熱系數(shù):d1為介質輸送管道內表面直徑:d℃為介質輸送管道外表面直徑。

1.1.℃0℃2計算

0℃2實際應包括兩部分:一是℃、2界面間的輻射傳熱0℃2輻射,二是℃、2界面間的空氣導熱(或自然對流)0℃2導熱。顯然0℃2輻射屬于一個物體包覆另一個物體的輻射傳熱模型,其輻射傳熱量為:

0℃2導熱根據(jù)有限空間空氣自然對流傳熱模型進行計算[4],夾層內空氣流動狀態(tài)取決于以夾層厚度6為特征尺寸的格魯曉夫數(shù)Gr,Gr準數(shù)計算如下:

式中,αV為熱膨脹系數(shù)。

當Gr≤℃320時,流動尚難展開,夾層中熱量傳遞為純導熱,此時0℃2導熱應按傅里葉公式計算。當Gr>℃320時,0℃2導熱則應按牛頓冷卻公式計算。

對于水平夾層(地面向上散熱):

綜上,可得0℃2計算如下:

1.1.2023、034計算

同01℃的計算,023、034都屬于固體圓柱面壁面間的傳熱,應用傅里葉定律可計算得到。

1.1.304。計算

04。實際應包括兩部分:一是界面4向大氣環(huán)境的輻射傳熱04。輻射,二是界面4與大氣環(huán)境間的自然對流傳熱04。對流。顯然04o輻射屬于一個小物體向無限大空間輻射傳熱模型,其輻射傳熱量計算如下:

04四對流參考水平管(因為介質輸送管道絕大多數(shù)長度段均為水平鋪設)自然對流傳熱量格魯曉夫數(shù)Gr,然后依據(jù)牛頓冷卻定律公式進行計算。

1.2傳熱量計算方法一試算法

由以上各傳熱界面間傳熱公式(傅里葉定律、牛頓冷卻定律、輻射傳熱計算公式)可見,傳熱量均可視為壁溫的一元函數(shù),即有:

因為其他參數(shù)如導熱系數(shù)入、黏度μ、密度p、計算輻射傳熱量的發(fā)射率s等均為(給定溫度下的)物性參數(shù),只要溫度確定,其值就是唯一確定的。

而要計算01℃、0℃2、023、034、04四,恰恰不知道的參數(shù)就是各邊界面1~4的溫度l1~l4,于是工程上就提出一種計算方法一試算法,即先假定各邊界面1~4的溫度l1~l4,然后分別計算得到01℃、0℃2、023、034、04。,再慢慢調整假定的l1~l4,使各邊界面?zhèn)鳠崃繚M足:01℃=0℃2=023=034=04。,且該值不超過《工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范》(GB40℃63一℃012)標準中規(guī)定的常年運行最大允許散熱量,即可認為假定的l1~l4與實際情況完全相符,且此時得到的各界面間的傳熱量就是最終的散熱損失0散。

對于介質管道而言,由于其導熱性能優(yōu)良(鋼材導熱系數(shù)一般在30~60w/(m·K)),加之管壁厚度較小,通常在10mm以內,尤其在有保溫條件下,內外壁之間溫差量級大都在0.1℃,因而設計計算中可進一步假設lf=l1=l℃、l2=l3以簡化迭代計算過程。

即只需假設6、l2和l4,并滿足0℃2=034=04。即可。實際計算過程中,為進一步簡化試算過程,取0℃2、034、04。三者間相對誤差在2%(或4%)以內時,可認為試算結果與理論相符,并取三者平均值作為最終散熱結果。

2傳熱計算結果

為使計算過程更加明了,先給出具體算例。

首先考慮圖1所示蒸汽管道帶空氣隔層保溫結構設計計算,保溫材料選用巖棉玻璃布縫板,管道材質取℃0#碳鋼,管內介質為飽和水蒸氣,溫度為240℃,管道常年運行,管道公稱直徑為DN100,壁厚為6mm,空氣層厚度為10mm,空氣隔層管道壁厚為3mm,介質輸送管道外表面和空氣隔層管道內表面均涂有高反射率的涂料或粘貼有鋁箔,反射率取為0.07,保溫保護層采用0.6mm厚鋁合金板。

以1m長管道為計算對象,其設計計算過程如下:

(1)取管道壁面溫度lf=l1=l℃=240℃:環(huán)境溫度l。按《石油化工設備和管道絕熱工程設計規(guī)范》(sH/T2010一℃012)取歷年年均溫度的平均值,該值可由裝置當?shù)厮臍庀髷?shù)據(jù)查詢,本文取l。=℃0℃。

(℃)根據(jù)假定的溫度值,查得介質輸送管道導熱系數(shù)入1=30.7w/(m·K)。保護層鋁合金板發(fā)射率按《工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范》(GB40℃63一℃012)表4.8.9查得s=0.14~0.2,為保守計算,本處取s=0.2。最大允許熱損失由GB40℃63一℃012附錄B查得[0]=188w/m℃。

(2)分別假定l2、l4及保溫厚度6,計算0℃2、034,04。:首先假定l2=210℃,l4=30℃,6=120mm。1)計算0℃2。

由式(2)計算得,格魯曉夫數(shù)Gr=℃24.07<℃320,則夾層中為純導熱,即:

則有Q23=Q23導熱+Q23輻射=99.81w。

2)計算Q45。

保溫材料導熱系數(shù)入45=0.0314+0.0001981=0.06605w/(m)K)(1為保溫層內外表面溫度算術平均值),由式(1)計算得:

3)計算Q5。。

由公式(7)計算得:

由公式Q5四對流=hA5(T5-T四)=82.44w,則有Q5四=Q5四對流+Q5四輻射=129.63w。

顯然,Q23≠Q45≠Q5四,還需對13、15、6三個參數(shù)進行調整,調整時保持6不變,13、15減小。經試算得13=308C、15=37C、6=130mm時,Q23=104.65w、Q45=104.39w、Q5。=106.87w。

由傳熱過程分析,取最終散熱量為Q散=(Q23+Q45+Q5四)/3=105.30w,則單位面積散熱量Q'=Q散/A=84.68w/m2,顯然小于[Q]=188w/m2,滿足標準規(guī)范GB50264一2013要求。

對傳統(tǒng)保溫結構(圖2)進行設計計算,同工況下,以1m長管道為計算對象,經試算得12=349.948℃、13=39C(即保溫層外表面溫度)、6=130mm時,Q12=112.84w、Q23=111.35w、Q3四=115.50w,則Q散=(Q12+Q23+Q3。)/3=113.23w,單位面積散熱量Q'=Q散/A=97.99w/m2,小于[Q]=188w/m2,滿足標準規(guī)范GB50264一2013要求。

以傳統(tǒng)保溫結構散熱量為比較基準,采用帶空氣隔層保溫結構單位面積散熱量比傳統(tǒng)保溫結構可減少

綜上,保持管道規(guī)格及空氣隔層厚度不變,對比計算了飽和水蒸氣在150~370℃范圍內,傳統(tǒng)保溫結構與帶空氣隔層保溫結構的單位面積熱散失量,具體如表1所示。

從表1得出,帶空氣隔層保溫結構在同保溫層厚度情況下,單位面積熱散失量比傳統(tǒng)保溫結構小,更有利于節(jié)能,同時還可以防止保溫材料與介質輸送管道壁面直接接觸,減少保溫材料對介質輸送管道壁面腐蝕,增加安全性能。

3結論

(1)本文提出了帶空氣隔層保溫結構,可有效避免保溫材料與介質輸送管道壁面的直接接觸,減少管道腐蝕發(fā)生概率:

并對其傳熱過程進行了詳細分析,介紹了用于帶空氣隔層保溫結構的傳熱量計算方法一試算法。

(2)以350℃飽和水蒸氣、管道規(guī)格DN100乂6、空氣隔層10mm為例,詳細給出了傳統(tǒng)保溫結構和帶空氣隔層保溫結構的保溫層厚度及熱損失計算過程,并得出在保溫層厚度為130mm情況下,以傳統(tǒng)保溫結構散熱量為比較基準,帶空氣隔層保溫結構比傳統(tǒng)保溫結構單位面積熱散失量減少13.58%。

(3)對比了飽和水蒸氣在150~370℃范圍內,傳統(tǒng)保溫結構與帶空氣隔層保溫結構在相同保溫層厚度情況下的單位面積熱散失量,以及帶空氣隔層保溫結構相對傳統(tǒng)保溫結構的節(jié)能率,計算結果表明,帶空氣隔層保溫結構節(jié)能率為12.68%~26.31%。