1 概述
石油化工装置为减少管道内介质热量损失, 或为稳定操作等原因, 经常在管道外壁设置隔热层, 以减少因热传导产生的热损失。影响保温效果有四个主要环节。
①正确选择保温材料和外保护材料。
②计算合理的保温厚度, 设计合理的保温结构。
③进行高质量的施工。
④进行经常性的维修和维护。
不同保温材料具有不同的性能参数, 有其对应的使用范围, 在计算管道保温厚度之前, 应当根据具体的操作参数选择合适的保温材料。最佳的保温设计是用尽可能少的投资取得尽可能大的节能效果, 使每年的总燃料费、维护费和保温费的年偿还数三者的综合达到最小, 而不是片面的增加保温厚度以求最低能耗, 行业内所推行的“经济保温厚度”设计, 就是为了达到这个目的。
本文主要是就石油化工装置中低温管道的保温材料选择和经济保温厚度的计算, 所做的一些简单说明和论述。
2 保温材料的选择
不同管道工艺条件差异很大, 选择保温材料要充分考虑操作温度、管道材质、自然环境等因素的影响, 并以节能和经济效益最大为目的。各种材料由于本身的耐热性能不同, 最高、最低允许使用温度也不同, 在某一个特定的运行温度范围内可以选用的保温材料有多种, 可一旦超过材料的允许使用温度范围, 可能使材料产生明显的变化, 如:破裂、变质或燃烧等, 因此选择保温材料时不应超过材料的极限使用温度。不同操作温度下, 保温材料的选择和注意事项如下。
2.1 中低温 (0~537.8℃)
中低温范围是石油化工系统最重要的工作温度范围, 用在这一范围内的保温材料主要有:硅酸钙、复合硅酸盐、岩棉或其他矿物纤维、矿渣棉、玻璃棉等
在这一温度范围内, 材料的选择主要考虑热传导率。其他因素, 如机械强度、可供选用的制品形式、保温材料成本等也有很大影响。因此, 要进行综合比较。几种比较常用的保温材料选用说明如下:
硅酸钙:由石灰和二氧化硅在高温高压下反应生成物, 再加入有机和无机纤维增强注模制成各种制品。I型最高使用温度650℃, 推荐使用温度≤550℃ ;II型最高使用温度1000℃, 推荐使用温度范围≤900℃[3]。由于抗弯强度及抗压强度高, 广泛应用于化学加工工业。硅酸钙保温制品能够满足奥氏体不锈钢关于防止应力腐蚀裂纹的规范要求。价格较低。缺点是吸水率较大。
复合硅酸盐:以硅酸盐矿物纤维、颗粒和粉末状材料为主要成分, 掺加渗透材料 ( 如快T) 、打浆材料 ( 如海泡石、温石棉、水镁石) 、凝胶材料等添加剂, 经打浆、发泡、成型、干燥而制成的绝热材料[1]。最高使用温度600℃, 推荐使用温度≤500℃[3]。复合硅酸盐保温制品能够满足奥氏体不锈钢关于防止应力腐蚀裂纹的规范要求。缺点是价格相对较高。
岩棉或其他矿物纤维:由耐高温粘结剂粘结而成, 最高使用温度650℃, 用作管壳时推荐使用温度350℃[3]。材料几乎为中性, 能满足奥氏体不锈钢关于防止应力腐蚀裂纹的规范要求。价格较低。缺点是吸水后造成腐蚀环境, 且对人身体造成刺痒等劳保方面的弊病。
2.2 高温 (≥537.8℃)
高温应用中, 工艺条件比较苛刻, 除保证耐高温要求外, 还要求耐火隔热材料具有抗火焰、冲刷、磨损和腐蚀性能。常用的保温材料主要有:矿物纤维 (537.8 ~1037.8℃) 、硅酸钙 (650 ~1093.3 ℃) 、Al2O3-Si2O2系陶瓷纤维系统 (871.1 ~1426.7℃) 和氧化物纤维 (1537.8 ~1648.9℃) 等。
3 保温厚度的设计
保温层厚度的设计计算, 应根据所要实现的目的以及相应的约束条件, 采用不同的设计计算方法[2]。工艺无特殊要求时, 应采用经济厚度法计算。当经济厚度偏小, 且散热损失量超过最大允许散热损失时, 应用最大允许热损失量的厚度公式进行校核[3]。对于以防烫为目的的保温计算, 可采用表面温度法进行计算, 控制保温层外表面温度不超过60℃。
管道在计算绝热层厚度时, 直径以1m为分界, 即直径大于1m时按平面计算厚度, 直径小于或等于1m时按圆筒计算绝热层厚度[3]。
4 保温厚度的理论计算方法[3]
4.1 经济保温厚度法
平面保温层的厚度计算公式:
圆筒保温层的厚度计算公式:
4.2 表面热损失法
平面保温层的厚度计算公式:
圆筒保温层的厚度计算公式:
最大允许人损失量应符合下表的规定
4.3 表面温度法
平面保温层的厚度计算公式:
圆筒保温层的厚度计算公式:
4.4 保温层厚度速查图[4]
工程设计中, 如果按照上述公式来进行计算是比较繁琐的。为此, 在一些设计标准中给出了通用的计算图表或经济厚度值, 为工程设计提供了方便。下图1 为我国石油化工行业内的保温层经济厚度速查图, 可作为项目前期或详细工程设计阶段参考使用。
5 结语
石油化工装置管道的保温设计需要综合多方面来考虑, 不仅仅是保温材料选择和保温厚度的计算, 还要考虑材料的采购和工程实施难易程度等方面。由于上述计算过程比较繁琐、需要数据较多, 在实际工程设计过程中, 往往无法完全按照上述理论计算过程来进行设计, 特别是检修改造项目, 因此上述计算过程仅仅是作为一个参考, 工程建设过程中还需要根据工程实际情况, 结合一定的工程经验或者是参考设计手册来确定保温厚度。
摘要：本文主要介绍了石油化工装置架空管道常用的几种保温材料, 以及经济保温厚度的理论计算方法。
关键词：石油化工,架空管道,保温材料选用,经济保温厚度
参考文献
[1] 复合硅酸盐绝热制品JC/T990-2006[S].
[2] 李少华, 刘宝玉, 戚积功, 刘璐, 李强.架空高温输油管道保温厚度的设计[J].当代化工, (40) 1.
[3] 石油化工设备和管道绝热工程设计规范SH/T 3010-2013[S].
[4] 张德姜、王怀义、刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册 (第三版) [S].北京:中国石化出版社, 2004.