LNG管道復合保冷結構保冷厚度的計算與討論

陳玨伶，付現橋，王珍峰，劉志田，賈光猛，付立欣，郭 旭，趙清娜

（1. 中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062522； 2. 華北石油管理局橡膠制品廠，河北 任丘 062522）

LNG管道復合保冷結構保冷厚度的計算與討論

陳玨伶1，付現橋1，王珍峰2，劉志田1，賈光猛1，付立欣1，郭 旭1，趙清娜1

（1. 中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062522； 2. 華北石油管理局橡膠制品廠，河北 任丘 062522）

闡述了最大冷損失法對兩種保冷材料的復合保冷結構厚度的計算方法，討論了復合保冷結構參數的選擇。結果表明，內層絕熱層外表面溫度T1的取值影響復合結構保冷層的總厚度和分層厚度。通過實例計算，采用最大允許冷損失法計算結果經校核結果滿足要求。

復合結構保冷計算；LNG管道；保冷厚度；最大允許冷損失法

液化天然氣(LNG)，作為清潔能源，廣泛受到關注[1]。在LNG工程低溫輸送管道設計中，保冷材料的選擇、保冷結構設計和保冷層厚度計算十分重要。

常用的保冷材料性能見 GB 50264-2013 表A.0.2的內容[2]。可見，用于深冷管道的保冷材料可選用聚異氰脲酸酯（PIR）和泡沫玻璃(CG或FG)，這兩種材料都是比較理想的保冷材料。對于這兩種保冷材料，PIR優點是導熱系數低，保冷效果好，有一定柔軟性，可承受管道的輕微抖動；缺點是吸水率稍高，防火等級一般只能達到B1級，會老化。CG優點是吸水率很低，透濕率低，不易老化，在低溫下穩定性好，熱膨脹系數小，完全不燃；缺點是導熱系數較PIR高，因此厚度增大。

保冷結構設計通常采用一種材料的保冷結構，或采用兩種材料組合的復合保冷結構。如PIR和CG兩種保冷材料的復合結構為最外層采用 CG，里面采用一層或多層PIR。由于復合保冷結構的保冷性能、經濟性能以及安全性較好，國內越來越多的工程項目采用這種復合結構。

關于保冷厚度的計算，杜義朋等人研究了迭代法計算制冷管道保冷層經濟厚度，推導了計算單一保冷材料保冷層經濟厚度的迭代公式，通過實例分析及對比得出保冷層的經濟厚度[3]；張月靜等人研究了 LPG低溫管道單一保冷材料經濟保冷厚度的計算，建立了計算保冷層厚度的數學模型，對該模型進行了求解分析，幵編制了相應的計算程序，輔以實例說明該程序的正確性[4]；孫佳燕研究了凍結站氨制冷系統橡塑海綿保冷材料及其厚度計算，幵進行了經濟性比較[5]；尤海英研究了適用于LNG長距離管道輸送、幵限定LNG低溫管道末端的單一保冷材料的保冷層厚度的計算方法，同時建立了計算保冷層厚度的模型，幵對該模型進行了分析求解[6]；謝剛等人研究了 LNG管路單一保冷材料的保冷厚度的計算，推薦控制冷損失量的計算方法是確定保冷層厚度的最佳計算方法[7]。文獻報道的計算方法主要是針對采用一種保冷材料的厚度計算，而現在越來越多的LNG工程項目采用復合保冷結構，保冷總厚度及每種保冷材料厚度的計算研究較少。因此，

本文對兩種保冷材料的復合保冷結構進行了保冷厚度計算幵進行討論。

1 保冷計算方法

目前，國內計算保冷層厚度的標準主要有《工業設備及管道絕熱工程設計規范》（GB 50264-2013）、《設備及管道絕熱設計導則》（ GB/T 8175-2008）、《石油化工設備和管道隔熱技術規范》（ SH 3010-2000）。這3個標準中關于保冷計算的方法大致相同，本文根據2013年新發行的《工業設備及管道絕熱工程設計規范》（GB 50264-2013）進行計算。GB 50264-2013規定，當無特殊要求時，保冷層厚度應采用最大允許冷損失法進行保冷計算，計算公式如下。

（1）一種絕熱材料單層保冷層厚度計算公式

（2）兩種材料雙層或多層保冷厚度計算公式

當Ta－Td≤4.5時：

當Ta－Td＞4.5時：

式中：δ—外層保冷層層厚度，m；

δ1—內層保冷層層厚度，m；

δ2—外層保冷層層厚度，m；

D1—單層絕熱層的外徑或內層層外徑，m；

D2—外層層外徑，m；

D0—管道或設備外徑，m；

K—保冷層厚度修正系數；

λ1—內層絕熱材料在平均溫度下的導熱系數，W/(m?K) ；

λ2—外層絕熱材料在平均溫度下的導熱系數，W/(m?K)；

T0—管道或設備的外表面溫度，℃；

Ta—環境溫度，℃；

T1—內層絕熱層外表面溫度，℃；

αs—絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數，W/(m2?K）；

[Q] —以每平方米絕熱層外表面積為單位的最大允許冷損失量，W/m2。

通過以上公式可以看出，當λ1=λ2時，公式（1）和公式（5）相同。這也說明，兩種保冷材料復合保冷結構的保冷層總厚度，是這兩種保冷材料單獨作為保冷層時厚度的綜合。另外，T1的取值會影響兩種保冷材料的保冷層總厚度。

2 保冷參數選擇

保冷計算應根據工藝要求確定保冷參數。采用最大允許冷損失法進行計算時，參數選擇如下。

（1）T0—管道或設備的外表面溫度

保冷計算時，T0應取為介質的最低操作溫度。

（2）Ta—環境溫度

Ta應取夏季空氣調節室外計算干球溫度，可根據GB50264附錄C.0.1或氣象資料確定。

（3）T1—內層絕熱層外表面溫度

復合保冷結構的不同材料界面處以攝氏度計的溫度T1的絕對值應小于或等于外層保冷材料的推薦使用溫度下限值絕對值的0.9倍。有熱介質掃線要求的保冷結構，其界面溫度尚不得超過保冷材料的推薦使用溫度上限值的0.9倍。

（4）αs—絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數

允許冷損失量的厚度計算中，αs應取值為8.141 W/(m2?K)。

（5）[Q]—以每平方米絕熱層外表面積為單位的最大允許冷損失量

最大允許冷損失量根據GB 50264-2013標準第5.4章節計算獲得，即本文的公式（7）和（8）。

3 管道復合保冷結構保冷厚度計算

根據某工程的工程概況，對兩種保冷材料的復合保冷結構進行計算，本文以常用的且性能較好的兩種保冷材料——PIR和CG組成的復合保冷結構為例，對以PIR為內層，CG為外層的復合保冷結構的保冷厚度進行計算幵討論。

3.1 保冷工程概況及參數

某LNG項目，建于山西境內，其夏季空氣調節室外計算干球溫度為31 ℃，露點溫度為24 ℃，管內介質溫度T0=-166 ℃，管道外徑D0為0.100 m、0.250 m、0.500 m。內層為PIR，外層為CG，其平均溫度下的導熱系數λ1和λ2根據方程式（9）和（10）確定。

其中，λ0為常用導熱系數，W/(m·K)；Tm為

平均溫度。經計算在上述工程條件下 λ1=0.021 W/(m·K)，λ2=0.034 W/(m·K)。由于Ta－Td＞4.5，因此[Q]=－4.5αs=－36.635 W/m2。

3.2 復合結構保冷計算及討論

復合保冷結構的保冷層的總厚度和每種材料的厚度的計算是根據公式（3）～（6）進行計算。PIR和CG的導熱系數不一樣，采用一種保冷材料的保冷層厚度必然不同，由于PIR的導熱系數小于CG，相同情況下采用 PIR的保冷層厚度薄。根據公式（1）、（2）計算結果見表1。

相同條件下，采用PIR為內層、CG為外層的復合保冷結構的保冷層總厚度δ復合應滿足：δPIR＜δ復合＜δCG。同時，δ復合的值由于公式（5）中 T1值的不同而不同。由分析可得，T1值越接近T0，其復合結構總厚度δ復合越接近δCG的值，當T1=T0時，δ復合=δCG；T1值越接近Ta，其復合結構總厚度δ復合越接近δPIR的值，當T1= T0時，δ復合=δPIR。因此，需要對T1的取值進行討論。

表1 單一保冷材料保冷厚度計算結果Table 1 Insulation thickness of single cold insulation materials

對T1取不同值進行討論。根據公式（3）～（6）計算PIR和CG組成的復合保冷結構的保冷厚度，T1取不同值時的結果見表2。表2中的厚度值為未乘系數K的保冷層厚度值。

由表2可知：

（1） 表2中的計算結果也證明了T1值越接近T0，其復合結構總厚度δ復合-計算越接近采用單一保冷材料時δCG-計算的值，T1值越接近Ta，其復合結構總厚度δ復合-計算越接近采用單一保冷材料δPIR-計算的值。

（2）隨著T1的降低，保冷層的總厚度δ復合-計算越厚，這主要是由于復合結構中采用了較多的導熱系數較大的CG。

T1的取值不僅和經濟厚度有關，也和設計要求有關，在CG作為最外層時，其厚度往往根據工程經驗取值。PIR和CG組成的復合保冷結構，采用CG為外層主要是因為CG吸水率、透濕率低，且不燃燒，由此降低了整個保冷結構的吸水性和透濕性，提高了防火等級。由于上述原因，最外層CG的厚度可根據工程經驗確定，本文根據管徑大小和 CG生產情況，確定D0為0.100 m、0.250 m、0.500 m管道的保冷結構外層CG厚度采用70 mm。

表2 不同T1值的復合保冷結構的保冷層計算厚度Table 2 Calculated thickness of composite cold insulation structure at different T1value

表3 復合保冷結構的保冷層設計厚度（未圓整）（T1=-60～-40）Table 3 Design thickness of composite cold insulation structure（T1=-60~-40 ℃）

表2為計算出未乘系數K的保冷層厚度值，在工程設計中，根據保冷材料的不同以及公式（3）、

（4），保冷層計算出來的厚度需乘以系數幵進行圓整。本文所采用的PIR的KPIR可取1.2～1.35[2]，在此取1.35；CG的KCG可取1.1～1.2[2]，在此取1.2。 設計的復合結構總厚度（未圓整）為δ ’復合，內層和外層的設計厚度（未圓整）分別為那么δ ’PIR（內）和δ ’CG（外）。則有：δ ’PIR（內）=1.35×δPIR（內）和δ ’CG（外）=1.2×δCG（外）。當δ ’CG（外）=70 mm時，δCG（外）=58.3 mm。通過表3中的數據可知T1的取值在-60～-40 ℃乊間時，能滿足δCG（外）在58.3 mm左右。計算T1的取值在-60℃～-40℃乊間時，保冷層厚度。表3為計算結果。

由表3可知，滿足最外層CG厚度為70 mm時，D0=0.100 m，T1取-55 ℃；D0=0.250 m，T1取-45 ℃；D0=0.500 m，T1取-41 ℃。如此取值比較繁瑣，本文尋求了一種方法，通過一種近似算法求得T1，如下所述。采用一種保冷材料單層保冷厚度的計算公式（2）進行計算。將公式（2）中的T0看做T1。將管道和內層絕熱層看成一整體，由于內層絕熱層的厚度未知，將只采用PIR作為保冷材料時的保冷層厚度δPIR看做是復合結構中的內層PIR的厚度進行計算，近似求出T1，即公式（2）中的D0為（D0+2 δPIR），D1為[（D0+2δPIR）+2δCG（外）]，δCG（外）=58.3 mm。整理公式（2）為：

求解的T1（計算）結果及根據T1（計算）計算出的復合保冷結構厚度見表4所示。其結果與表3確定的結果相差不大。因此采用該方法獲得近似T1值可行。

表4 T1(計算)結果及其復合保冷結構的保冷層設計厚度（未圓整）Table 4 The results of T1(caculaion)and the design thickness of composite cold insulation structure

根據上述結果將獲得的保冷厚度圓整，幵按照GB50264-2013中的規定，進行分層，結果見表5。

表5 復合保冷結構的保冷層設計厚度Table 5 Design thickness of composite cold insulation structure

3.3 校核

求得保冷層的厚度后，需要對冷損失量Q、絕熱層表面溫度Ts及雙層絕熱時內外層界面處溫度T1核算。

根據GB50264-2013中的第5.4章節，冷損失量應按下式計算：

經計算Q、Ts及T1的結果見表6所示。一般要求核算的冷損失量Q核算小于25 W/m2，核算的Ts-核算大于露點溫度，核算的T1-核算在外層表冷材料推薦使用溫度下限值的0.9倍的范圍內。由表6的結果表明，D0為0.100 m、0.250 m、0.500 m管道的保冷結構的設計厚度滿足要求。T1-核算與乊前的T1不同，是由于采用設計厚度（在根據T1計算出的厚度的基礎上乘了系數幵圓整后）進行核算的。

表6 校核結果Table 6 Check results

4 結 論

（1）本文根據GB50264-2013標準對兩種保冷材料的復合結構的保冷厚度進行計算，采用最大允許冷損失法計算的不同管徑的復合保冷層厚度，幵經過核算滿足要求。

（2）在對于復合保冷結構的保冷厚度的計算中，T1的取值影響保冷層的總厚度和分層厚度。

T1值越接近T0，其復合結構總厚度越接近只采用CG作為單一保冷材料時的值，T1值越接近Ta，其復合結構總厚度越接近只采用PIR作為單一保冷材料的值。同時對T1的取值迚行了探討，給出了近似的求算方法。

［1］施林圓，劍林．LNG液化流程及管道輸送工藝綜述[J]. 天然氣與石油，2010，28(5)：37-40．

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Calculation and Discussion on Composite Cold Insulation Thickness of the LNG pipeline

CHEN Jue-ling1，FU Xian-qiao1，WANG Zhen-feng2，LIU Zhi-tian1，JIA Guang-meng1，FU Li-xin1，GUO Xu1，ZHAO Qing-na1
（1. China Petroleum Engineering Co.,Ltd. Huabei Company, Hebei Renqiu 062522，China；2. Rubber Products Factory of Huabei Petroleum Administration Bureau, Hebei Renqiu 062522, China）

The maximum allowable cold loss calculation method for the thickness of composite cold insulation structure composed with two kinds of cold insulation materials was described. The parameters choice of composite cold insulation structure was discussed. The results show that, the external surface temperature of inner insulation layer T1can affect the composite cold insulation structure total thickness and every layer thickness. The example calculation has proved that, the calculation results calculated by the maximum allowable cold loss method can meet the requirements.

Calculation of composite cold insulation structure; LNG pipeline; Insulation thickness; Maximum allowable cold loss calculation method

TE 083

A

1671-0460（2014）10-2182-04

2014-08-06

陳玨伶（1980-），女，河北任丘人，工程師，研究方向：從事設備管道絕熱及腐蝕與防護研究。E-mail：2301196718@qq.com。