夏 莉 楊樹斌 李蔚 馬志鵬

?

熱流計在低溫絕熱管道漏熱量測試中的應用

夏 莉 楊樹斌 李蔚 馬志鵬

（廣東省特種設備檢測研究院 廣州 510655）

在低溫絕熱管道的定期檢驗中，現(xiàn)有標準規(guī)定的方法難以實施在線而又精確的漏熱量測量。提出基于熱流計測量法的低溫管道漏熱量測量，可實現(xiàn)管道在管線上免拆裝的漏熱量在線測量。通過比較分別采用熱流計法和流量計法的管道漏熱量測試結果，證明了熱流計法測試結果的可靠性。

低溫絕熱管道；漏熱量；熱流計測量法；在線測量

0 引言

隨著低溫技術的發(fā)展，低溫液體從最早的高端技術應用逐步向工業(yè)生產和民用生活領域滲透。低溫液體適用領域的拓展帶動了低溫容器和低溫管道的設計及制造向著多元化方向改變[1]。低溫真空絕熱管道是近幾年隨著低溫液體的大規(guī)模使用以及抽真空技術的不斷提高才逐漸推廣使用的。由于帶有真空夾層的低溫絕熱管道的保冷效果大大優(yōu)于傳統(tǒng)的采用包扎、堆積等絕熱方式的低溫絕熱管道，因此該類低溫絕熱管道的用量越來越大，其性能也引起業(yè)內的廣泛關注[2-4]。由于低溫絕熱管道內部的低溫液體與環(huán)境存在約有200℃的溫差，因此低溫絕熱管道設備的漏熱量成為衡量其性能的重要指標參數(shù)[5]。目前，對低溫絕熱管道進行漏熱量測量的方法是依據(jù)標準GB/T18443.6《真空絕熱深冷設備性能試驗方法第6部分：漏熱量測量》[6]進行的。根據(jù)GB/T18443.6中的規(guī)定：漏熱量測試有兩種方法—流量計測量法和表面溫度測量法。在實際操作中這兩種方法均存在一些問題：標準中要求流量計測量法的試驗原理、方法和裝置應符合標準GB/T18443.5[7]中的規(guī)定—利用體積流量計或質量流量計測量單位時間內低溫液體的自然蒸發(fā)量，然后根據(jù)蒸發(fā)量計算得到漏熱量。對采用流量計法的漏熱量測試，要求管道一定要有氣相出口以便連接流量計進行蒸發(fā)氣體流量的測量，這樣就要求管道要在專門的實驗系統(tǒng)上進行測試，測試時管道必須從管線上拆卸下來，因此該方法對于在用管道的漏熱量檢驗是難以實施的；表面溫度測量法是通過測量低溫絕熱管的外表面及對應環(huán)境的溫度，然后按大空間自然對流計算漏入真空絕熱管的漏熱量。由于固定在管道表面的測溫元件（熱電偶或鉑電阻）在測溫時會同時受到管道表面以及環(huán)境的影響，所測結果不能準確地反映出管道表面的溫度，因此表面溫度測量法測得的漏熱量結果準確程度不高[5]。基于此，本文采用熱流計法進行低溫絕熱管道特別是在用低溫絕熱管道漏熱量的測量，旨在探尋出一種便捷、準確的低溫絕熱管道漏熱量在線測量方法，提高低溫絕熱管道在線檢驗實施的可操作性。

1 測試系統(tǒng)

在熱流計法進行低溫絕熱管道漏量測試的研究中，以DN80的真空絕熱管道作為測試對象，管長6米，管道外徑為159mm，管道工作壓力為1.59MPa，管道真空度為8.3×10-1Pa，管道中的工作介質為液氮。熱流計由DaqPRO5300手持式可編程數(shù)據(jù)記錄儀和法國Captec公司的高精度超薄熱流傳感器構成。測試前先將管道充滿液氮，靜置48小時，其間不斷補充液氮保持管道充滿。靜置后，待管道內外到達熱平衡，測試開始，熱流采集時間間隔為1s，采集時間不少于1200s。

利用熱流計進行低溫管道漏熱量測量時，參照文獻[6]對測溫點布置的要求進行熱流計探頭的布置：將熱流計探頭（如圖1）布置在被測管道中間3m長的外管表面底部，測點不少于6個，在被測管道與保護端連接處布置不少于兩個熱電偶，測點布置情況見圖2。

圖1 熱流計探頭

圖2 熱流計探頭位置示意圖

2 測試結果

2.1 熱流計法測試管道漏熱量的試驗結果分析

在被測管道中充滿液氮待其內外達到熱平衡后進行熱流量的測量，結果如圖3所示：其中（a）為測點1、（b）為測點2、（c）為測點3、（d）為測點5的熱流密度。測點1和2位于低溫絕熱管的陰接頭部位，測點3和5位于測試管段部位。

從圖3中可以看出每個測點的熱流密度在測試期間均有波動，這是因為在測試過程中管道內部以及外部環(huán)境只是相對的穩(wěn)定，實際上管道內部介質在不斷吸熱汽化、氣化后又有氣體的流動、管道外部環(huán)境溫度和氣流也在不斷地微小波動，這都會引起管道換熱條件的變化，從而導致熱流的波動。為將測試結果用于管道漏熱量的計算，進一步在測試結果的基礎上，通過計算得到測試過程中各測點的平均熱流密度，如表1所示。

從測試結果中可以看出測點1、測點2、測點9和測點10的熱流密度要比測點3～測點8的大得多。這是因為對于真空絕熱管，管接頭和管段部分的結構不同，接頭部位的結構較管段復雜，在接頭部位以熱傳導方式漏進內管低溫液體的熱量較多，因此總體的漏熱量增加。在TSG D7002-2006《壓力管道元件型式試驗規(guī)則》[8]中對這種差異也有體現(xiàn)，規(guī)則對低溫管接頭與低溫管段的漏熱損失技術指標要求是不同，接頭處的允許漏熱量大于管段允許漏熱量。對位于管道接頭的四個測點進行分析，發(fā)現(xiàn)測點1與測點10的熱流密度測試值分別大于測點2和測點9，這是因為越靠近連接法蘭處的漏熱量越大，法蘭處熱量直接通過導熱方式向管道其他部位傳遞，因此越靠近法蘭的測點其熱流密度值越大。而對于處于管段上的6個測點（測點3～測點8），它們的測試結果平均值差別不大（如表1）。這是因為低溫絕熱管的管段部分的結構固定，所以各處傳熱模式也固定，因此位于管段各測點測試的熱流密度相差不大。

表1 測點平均熱流密度

在TSG D7002-2006《壓力管道元件型式試驗規(guī)則》[8]中對管段和管接頭（陰接頭和陽接頭）的漏熱量指標是分別進行規(guī)定的。那么在定期檢驗中是否也要分別評價管段和管接頭的漏熱量？實際上，定期檢驗中只要對管段的漏熱量進行評價即可，這是因為：對于不同企業(yè)制造的低溫管道產品其管道接頭形式是不同的，這必將引起接頭測點的測量結果之間存在較大差異，另外在同一低溫管道的管接頭上布置的測點位置不同熱流密度的測試結果差別也很大，因此管接頭的漏熱量測試結果在定期檢驗中的意義不大。對于定期檢驗來說，由于真空絕熱管道內部結構形式已經固定，影響管道漏熱量大小的主要因素是管道的真空度，隨著使用過程中真空夾層的漏放氣，管道真空度產生變化，進而影響管道的絕熱效果。通過試驗發(fā)現(xiàn)，在位于低溫管道管段的測點的測試熱流密度差別不大，這樣，這些位置熱流密度的測量結果就很適合用于定期檢驗中對管道漏熱量的評價。

2.2 熱流計法測試管道漏熱量的計算

由于熱流計法測點的布置是不連續(xù)的，因此在進行漏熱量計算時作如下假定：管接頭的外表面熱流密度沿軸線方向呈線性分布；管段上的熱流密度取測量平均值。低溫管道兩端管接頭各長1m，中間管段長4m。

根據(jù)管段表面的熱流密度測試結果，可以計算得到管段的漏熱量：

=·π（1）

式中：為管道漏熱量，W；為測試管道外表面熱流密度，W/m2；為管道外徑，m；為管段部分的長度，m。

通過計算得到低溫絕熱管管段部分的總漏熱量為15.93W，管段單位長度漏熱量平均值為3.982W/m。

參照管段漏熱量的計算及對管接頭漏熱量作的線性分布假設，計算得到低溫管道陽接頭漏熱量為6.54W，陰接頭漏熱量為11.23W，低溫管的總漏熱量為33.7W。

根據(jù)GB/T 18443.6[6]，利用公式（2）計算管道標態(tài)漏熱量。

式中，Q為標態(tài)漏熱量，W；T為標準大氣壓下深冷液體飽和溫度，K；1為試驗時平均環(huán)境溫度，K；2為試驗時被檢件內平均壓力對應的深冷液體飽和溫度，K。

通過計算得到真空度為8.3×10-1Pa的真空絕熱管道標態(tài)漏熱量為30.98W。

2.3 流量計法與熱流計法測試結果的比較

另外，為驗證熱流計法測試的準確性，還利用流量計法對該管道的漏熱量進行了測試，測試過程按照GB/T 18443.5[7]中規(guī)定的步驟進行，流量計法測得的漏熱量是整個管道（包括管接頭和管段）的總漏熱量（單位：W）。

利用流量計法，測得蒸發(fā)氣體的平均質量流量為10.79g/min，根據(jù)GB/T 18443.6[6]采用流量計法測試時，管道漏熱量按下式計算：

流量計的校正系數(shù)為0.95，試驗壓力為0.1013MPa，根據(jù)公式（3）利用流量計法得到的管道總漏熱量為34.1W。

比較分別采用兩種方法的管道漏熱量測試結果（流量計法：34.1W，熱流計法：33.7W），二者相差不大，證明熱流計法的測試結果可靠。

3 結論

在低溫絕熱管道的定期檢驗中，現(xiàn)有標準規(guī)定的方法難以實施在線而又精確的漏熱量測量。因此，提出基于熱流計的低溫管道漏熱量測量方法：

（1）熱流計法可實現(xiàn)管道在管線上免拆裝的在線漏熱量測量。

（2）通過試驗發(fā)現(xiàn)，位于管接頭的測點的測試熱流隨測點位置不同變化較大，而位于低溫管道管段的測點的測試熱流密度差別不大，因此管段位置熱流密度的測量結果就很適合用于評價定期檢驗中管道的漏熱量。

（3）以DN80的真空絕熱管道作為測試對象，采用熱流計對其漏熱量進行測試，結果是當真空度為8.3×10-1Pa時低溫管的總漏熱量為33.7W。

（4）比較分別采用熱流計和流量計的管道漏熱量測試結果，二者相差不大，證明熱流計法的測試結果可靠。

[1] 劉志盈.高真空多層低溫絕熱管道抽真空工藝試驗研究[D].上海:上海交通大學,2013.

[2] 馮若飛,李學新,焦光偉,等.液化天然氣長輸管道輸送技術[J].天然氣與石油,2012,(4):8-10.

[3] 陳長琦,樂瑞文,歐陽崢嶸,等.真空多層絕熱LHe輸送管設計計算與傳熱分析[J].合肥工業(yè)大學學報,2006,29(8): 937-940.

[4] 張敏丹.LNG低溫輸送管路的絕熱保冷[J].低溫技術,2005,(5):18-21.

[5] 夏莉,黃鈞,譚粵,等.低溫絕熱管道漏熱量測試方法研究[J].制冷與空調,2014,28(1):68-71.

[6] 汪榮順,周偉明,徐惠新,等.GB/T18443.6-2010真空絕熱深冷設備性能試驗方法第6部分：漏熱量測量[S].北京:中國標準出版社,2010.

[7] 薛季愛,周偉明,汪榮順,等.GB/T18443.5-2010真空絕熱深冷設備性能試驗方法第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量[S].北京:中國標準出版社,2010.

[8] 謬春生,王曉鈞,吳素云,等.TSG D7002-2006 壓力管道元件型式試驗規(guī)則[S].北京:中國計量出版社, 2007.

Application of Heat Flow Meter in Heat Leakage Testing of Cryogenic Heat-insulation Pipeline

Xia Li Yang Shubin LiWei Ma Zhipeng

( Guangdong institute of special equipment inspection, Guangzhou, 510655 )

In the periodic inspection of cryogenic heat-insulation pipeline, it is difficult to carry out the online and accurate measurement of heat leakage. In this paper, the heat leakage testing method based on the heat flow meter is proposed, which can realize the on-line measurement of heat leakage of the pipeline. Meanwhile, by comparing the heat leakage testing results with the heat flow meter method and the flow meter method, the reliability of the testing results with the heat flow meter method is proved.

cryogenic heat-insulation pipeline; heat leakage; heat flow meter method; online measurement

1671-6612（2017）05-506-05

TB657.9

A

國家質檢總局科技計劃項目2015QK164資助

2016-09-06

作者（通訊作者）簡介：夏 莉（1978.8-），女，博士，高級工程師，E-mail：xiali0060202122@163.com