秦 楠，王 玉

（中國(guó)輕工業(yè)武漢設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430060）

寒冷地區(qū)的廠區(qū)管道時(shí)有凍裂事件發(fā)生，由此帶來(lái)停車檢修、疏通、整改甚至要拆除管道、更換設(shè)備等影響，給企業(yè)帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)損失。本文結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)和前人總結(jié)，提出了廠區(qū)常見(jiàn)管道防凍設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題。

能源是人類生存和發(fā)展所必須的資源，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球能源緊缺問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)能源的重視程度越來(lái)越高，節(jié)能減排政策理念在廠區(qū)設(shè)計(jì)中貫徹始終。本文也從管道保溫材料及厚度方面分析了節(jié)省能源的設(shè)計(jì)。

1 管道敷設(shè)方式

設(shè)備的優(yōu)化布置能夠降低設(shè)備及管道的凍裂風(fēng)險(xiǎn)和防凍設(shè)計(jì)難度。常見(jiàn)有利用框架封閉布置，利用管廊封閉布置，半封閉布置，以及蒸汽凝結(jié)水回收系統(tǒng)布置于低處等[1-2]。

管道敷設(shè)方式有架空敷設(shè)、埋地敷設(shè)和管溝敷設(shè)三種[3]。不同的敷設(shè)方式相對(duì)應(yīng)的防凍及保溫設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)不同。對(duì)于工藝常見(jiàn)的幾種管道而言，埋地敷設(shè)的工藝循環(huán)冷卻水管道（32～37℃）可裸管敷設(shè)于凍土層以下地下水位線以上。對(duì)于管溝敷設(shè)的管道，水管道可以敷設(shè)于蒸汽管道旁借助蒸汽管道來(lái)防凍。

2 管道防凍設(shè)計(jì)

管道需要進(jìn)行防凍設(shè)計(jì)的情況有[4]：

1）氣體中含有水分，且露點(diǎn)溫度低于外界環(huán)境溫度的氣體管線；

2）輸送液體的凝固點(diǎn)高于外界環(huán)境溫度的液體管線；

3）用于保護(hù)人身安全作用的設(shè)備的管線；

4）環(huán)境溫度降低時(shí)或在環(huán)境溫度下輸送過(guò)程中物料特性發(fā)生變化的管線；

5）流體可能存在不流動(dòng)狀態(tài)而導(dǎo)致凝固的管線。

2.1 工藝循環(huán)冷卻水管道的防凍設(shè)計(jì)

工藝循環(huán)冷卻水用于前處理車間等位置時(shí)，做間接冷卻的用途對(duì)水質(zhì)沒(méi)有像純水那么嚴(yán)格，優(yōu)先采取埋地敷設(shè)的形式。對(duì)于室外部分，工藝循環(huán)冷卻水總管的防凍采用以下兩種形式：

1）工藝循環(huán)冷卻水給水總管和回水總管末端之間加裝連通管，連通管盡量靠近總管末端并保持小流量長(zhǎng)流水狀態(tài)來(lái)保持系統(tǒng)防凍。

2）工藝循環(huán)冷卻水總管末端安裝連通管無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，給水總管盡量靠近末端出安裝小支管來(lái)保持系統(tǒng)防凍。

2.2 純水管道的防凍設(shè)計(jì)

對(duì)于化工廠、藥廠、食品廠等純水管道而言，由于流體靜止或滯留對(duì)水質(zhì)有影響，因此在管道設(shè)計(jì)和布置時(shí)要盡可能使純水在管道中處于流動(dòng)狀態(tài)，避免袋型和死點(diǎn)的出現(xiàn)，支管短且易排空，低點(diǎn)設(shè)置排空閥等。在管理上若水流處于靜止?fàn)顟B(tài)也要及時(shí)排空管道。這些設(shè)計(jì)均對(duì)純水管道的防凍設(shè)計(jì)有利。

除此之外，對(duì)于不能及時(shí)排空的純水管道按照管理上的要求來(lái)進(jìn)行防凍層設(shè)計(jì)。

2.3 洗眼器管道的防凍設(shè)計(jì)

室外布置的洗眼器管道的防凍是保證安全性等緊急措施的必要條件，對(duì)此類管道的防凍設(shè)計(jì)如下：

切斷閥設(shè)置于凍土層以下，閥后管線加排放孔及沙坑以便排空管內(nèi)存水。

洗眼器及管道系統(tǒng)采用電伴熱。

2.4 蒸汽及蒸汽冷凝水管道的防凍設(shè)計(jì)

在實(shí)際工廠運(yùn)行情況中鮮有蒸汽主管道和蒸汽冷凝水主管道凍裂情況，其防凍設(shè)計(jì)考慮以下幾個(gè)方面：

1）盡量避免液袋。

2）室外蒸汽管道輸水閥組考慮取消旁通。

3）蒸汽安全閥的出口管道在靠近安全閥出口附近低處開(kāi)淚孔。

2.5 壓縮氣體管道的防凍設(shè)計(jì)

壓縮氣體管道中，當(dāng)室外溫度低于氣體露點(diǎn)時(shí)，考慮低點(diǎn)加導(dǎo)淋閥，且導(dǎo)淋閥與主管距離要短。

3 管道保溫設(shè)計(jì)

設(shè)備和管道的熱量和冷量損失是能源損失的重要部分，不保溫的管道的熱損是保溫管道熱損失的10～40 倍，并且設(shè)備和管道散熱損失隨設(shè)備和管道本身直徑增大和介質(zhì)的溫度增高而增大[5]。設(shè)備和管道的保溫設(shè)計(jì)對(duì)于能源的節(jié)省和工人的操作環(huán)境以及工藝的良好運(yùn)行情況都有很大的影響。我國(guó)地域遼闊，各地氣候差異大，并且各地材料價(jià)格供求和價(jià)格并不相同，因此在選擇保溫材料時(shí)要結(jié)合工程實(shí)際情況來(lái)對(duì)管道的保溫情況做具體分析。

設(shè)備和管道添加保溫層是為了減少熱損失進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的目的，添加保溫層以便降低保溫層外表面溫度。與此同時(shí)，保溫層厚度增加使其與外界對(duì)流輻射面增大，使其熱損失增加。因此存在一個(gè)保溫層臨界半徑，當(dāng)含保溫層管道的外半徑厚度大于保溫臨界半徑時(shí)，增加保溫層厚度可以減少熱損失。保溫臨界半徑可以根據(jù)單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)速率方程求得，一般為10mm 以內(nèi)，但是工程中的保溫層厚度取30mm 以上，所以在工程中的保溫層厚度的增加熱損失會(huì)降低。

進(jìn)行保溫層厚度計(jì)算的方法有經(jīng)濟(jì)厚度法和表面溫度法，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于無(wú)特殊工藝要求時(shí)，采用經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算。但是，隨著能源價(jià)格的急劇提高，采用不同來(lái)源的能源保溫層厚度相差非常大。

以內(nèi)蒙古某項(xiàng)目的蒸汽保溫和能源節(jié)省為例。基本情況：管徑DN300，介質(zhì)溫度184℃，當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?.7℃，年平均風(fēng)速1.65m/s，年運(yùn)行時(shí)間8000h；投資計(jì)息年數(shù)5 年，年利率為10%（復(fù)利）；采用燃煤鍋爐得到的能源價(jià)格為20～35 元/GJ，采用市政供蒸汽的能源價(jià)格為80 元/GJ；保溫材料選取防水性硅酸鋁材料，造價(jià)為2600 元/m3。根據(jù)GB50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算保溫厚度如下：

計(jì)算保溫層表面溫度：

得到保溫層表面溫度為9.6℃。

式（1） （2）中：Do 為絕熱層的外直徑，m；Di為設(shè)備或管道的外直徑，m；PE 為能量?jī)r(jià)格，元/GJ；λ 為絕熱材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；t 為年運(yùn)行時(shí)間，h；t0為管道或設(shè)備的外表面溫度℃；ta為環(huán)境溫度，℃；S 為絕熱工程投資年攤銷率，%；α 為絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；q 為保溫厚的散熱量，W/m。

按現(xiàn)在市政供蒸汽能源價(jià)格計(jì)算出的管道保溫厚度比較大，保溫厚散熱料小，熱損失少，并且防水性硅酸鋁材料是一種價(jià)格比較高的保溫材料，在該溫度下使用巖棉等相對(duì)便宜的保溫材料計(jì)算出來(lái)的壁厚會(huì)相當(dāng)厚。在此情況下，可能采取表面溫度法計(jì)算才更加符合現(xiàn)在工程情況。使用同樣的方法可以得到其他蒸汽管道的保溫厚度以及熱損失量，將本項(xiàng)目涉及的蒸汽保溫厚度列表如表1。

從表1 看出，選取同一保溫材料的情況下，能源的價(jià)格對(duì)經(jīng)濟(jì)厚度法得到的保溫厚度有決定性的影響因素。使用經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算得出的室內(nèi)外的保溫厚度差異并不大，這是因?yàn)榘凑找?guī)范要求室外管道保溫厚度的計(jì)算方法中環(huán)境溫度為年平均環(huán)境溫度，但是如果在北方極端天氣下環(huán)境溫度比年平均環(huán)境溫度低非常多。對(duì)于呼和浩特而言，冬季歷年極端最低溫度平均值比年平均溫度低30.4℃，在極端天氣下室外熱損耗會(huì)增大。從0.5MPa 飽和蒸汽看出，隨著管徑的增大，保溫厚度增加，在能源價(jià)格便宜時(shí)厚度增加不明顯，在能源價(jià)格貴使得厚度增加明顯增大。

表1 蒸汽保溫厚度

4 結(jié)束語(yǔ)

工廠的防凍需要根據(jù)廠區(qū)地理位置和物料的性質(zhì)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)物料性質(zhì)、場(chǎng)地情況和地質(zhì)情況等首先判斷地下布置還是地上布置。地上布置時(shí)工藝管道從布置上盡量滿足不積水的要求，并且從管理上來(lái)控制管道里沒(méi)有死水存積。對(duì)于不同的物料和位置可以采取不同的防凍方式，或使用蒸汽、熱水、電伴熱，或采用絕熱層，或保持小流量長(zhǎng)流水等。

工廠的保溫應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，廠區(qū)所處的地理位置氣候情況、能源情況、管內(nèi)介質(zhì)情況來(lái)選取保溫材料和綜合確定保溫厚度，以達(dá)到節(jié)能和保障工廠安全順利運(yùn)營(yíng)的目的。