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(dá)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(jī)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(qiáng)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(hù)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(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)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(jié)構(gòu),《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》(GB50264一2013)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中也未給出保溫層厚度設(shè)計計算方法。且在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中,管道保溫層厚度的基本計算方法一經(jīng)濟(jì)厚度法、表面溫度法等均存在一定不足。比如經(jīng)濟(jì)厚度法,在工程設(shè)計中難以精確確定熱能價格、年復(fù)利率等參數(shù),工程中應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu),即在傳統(tǒng)保溫層與介質(zhì)輸送管道間增設(shè)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(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的傳熱設(shè)計計算,并與傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)熱散失量做了對比。

1帶空氣隔層管道保溫結(jié)構(gòu)傳熱分析

1.1傳熱過程分析

帶空氣隔層的管道保溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)(即不帶空氣隔層,如圖2所示)保溫層靠近介質(zhì)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(yùn)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(yīng)的邊界面編號表示,例如介質(zhì)輸送管道內(nèi)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(yīng)的邊界面編號表示,例如介質(zhì)輸送管道內(nèi)、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(zhì)輸送管道內(nèi)表面高溫介質(zhì)輸送速度快,內(nèi)表面處魯塞爾數(shù)Nu較大,從而可推知內(nèi)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(zhì)溫度lf與管道內(nèi)表面溫度l1差值也很小,經(jīng)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(rèn)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(yīng)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(yīng)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(zhì)輸送管道導(dǎo)熱系數(shù):d1為介質(zhì)輸送管道內(nèi)表面直徑:d℃為介質(zhì)輸送管道外表面直徑。

1.1.℃0℃2計算

0℃2實際應(yīng)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(dǎo)熱(或自然對流)0℃2導(dǎo)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(dǎo)熱根據(jù)有限空間空氣自然對流傳熱模型進(jìn)行計算[4],夾層內(nèi)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(zhǔn)數(shù)計算如下:

式中,αV為熱膨脹系數(shù)。

當(dāng)Gr≤℃320時,流動尚難展開,夾層中熱量傳遞為純導(dǎo)熱,此時0℃2導(dǎo)熱應(yīng)按傅里葉公式計算。當(dāng)Gr>℃320時,0℃2導(dǎo)熱則應(yīng)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(yīng)用傅里葉定律可計算得到。

1.1.304。計算

04。實際應(yīng)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(zhì)輸送管道絕大多數(shù)長度段均為水平鋪設(shè))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(jìn)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(dǎo)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(diào)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(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》(GB40℃63一℃012)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的常年運(yùn)行最大允許散熱量,即可認(rèn)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(zhì)管道而言,由于其導(dǎo)熱性能優(yōu)良(鋼材導(dǎo)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(nèi),尤其在有保溫條件下,內(nèi)外壁之間溫差量級大都在0.1℃,因而設(shè)計計算中可進(jìn)一步假設(shè)lf=l1=l℃、l2=l3以簡化迭代計算過程。

即只需假設(shè)6、l2和l4,并滿足0℃2=034=04。即可。實際計算過程中,為進(jìn)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(nèi)時,可認(rèn)為試算結(jié)果與理論相符,并取三者平均值作為最終散熱結(jié)果。

2傳熱計算結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計計算,保溫材料選用巖棉玻璃布縫板,管道材質(zhì)取℃0#碳鋼,管內(nèi)介質(zhì)為飽和水蒸氣,溫度為240℃,管道常年運(yùn)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(zhì)輸送管道外表面和空氣隔層管道內(nèi)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(hù)層采用0.6mm厚鋁合金板。

以1m長管道為計算對象,其設(shè)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(shè)備和管道絕熱工程設(shè)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(dāng)?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(zhì)輸送管道導(dǎo)熱系數(shù)入1=30.7w/(m·K)。保護(hù)層鋁合金板發(fā)射率按《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)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(dǎo)熱,即:

則有Q23=Q23導(dǎo)熱+Q23輻射=99.81w。

2)計算Q45。

保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)入45=0.0314+0.0001981=0.06605w/(m)K)(1為保溫層內(nèi)外表面溫度算術(shù)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≠Q(mào)45≠Q(mào)5四,還需對13、15、6三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整時保持6不變,13、15減小。經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB50264一2013要求。

對傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)(圖2)進(jìn)行設(shè)計計算,同工況下,以1m長管道為計算對象,經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB50264一2013要求。

以傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)散熱量為比較基準(zhǔn),采用帶空氣隔層保溫結(jié)構(gòu)單位面積散熱量比傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)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(nèi),傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)與帶空氣隔層保溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)小,更有利于節(jié)能,同時還可以防止保溫材料與介質(zhì)輸送管道壁面直接接觸,減少保溫材料對介質(zhì)輸送管道壁面腐蝕,增加安全性能。

3結(jié)論

(1)本文提出了帶空氣隔層保溫結(jié)構(gòu),可有效避免保溫材料與介質(zhì)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(jìn)行了詳細(xì)分析,介紹了用于帶空氣隔層保溫結(jié)構(gòu)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(xì)給出了傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)和帶空氣隔層保溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)散熱量為比較基準(zhǔn),帶空氣隔層保溫結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)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(nèi),傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)與帶空氣隔層保溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)保溫結(jié)構(gòu)的節(jié)能率,計算結(jié)果表明,帶空氣隔層保溫結(jié)構(gòu)節(jié)能率為12.68%~26.31%。