石油化工架空管道保溫材料選用及經濟保溫厚度的計算

仇志康（北京燕山玉龍石化工程有限公司， 北京 102500）

石油化工架空管道保溫材料選用及經濟保溫厚度的計算

仇志康（北京燕山玉龍石化工程有限公司， 北京 102500）

本文主要介紹了石油化工裝置架空管道常用的幾種保溫材料，以及經濟保溫厚度的理論計算方法。

石油化工；架空管道；保溫材料選用；經濟保溫厚度

1 概述

石油化工裝置為減少管道內介質熱量損失，或為穩定操作等原因，經常在管道外壁設置隔熱層，以減少因熱傳導產生的熱損失。影響保溫效果有四個主要環節。

①正確選擇保溫材料和外保護材料。

②計算合理的保溫厚度，設計合理的保溫結構。

③進行高質量的施工。

④進行經常性的維修和維護。

不同保溫材料具有不同的性能參數，有其對應的使用范圍，在計算管道保溫厚度之前，應當根據具體的操作參數選擇合適的保溫材料。最佳的保溫設計是用盡可能少的投資取得盡可能大的節能效果，使每年的總燃料費、維護費和保溫費的年償還數三者的綜合達到最小，而不是片面的增加保溫厚度以求最低能耗，行業內所推行的“經濟保溫厚度”設計，就是為了達到這個目的。

本文主要是就石油化工裝置中低溫管道的保溫材料選擇和經濟保溫厚度的計算，所做的一些簡單說明和論述。

2 保溫材料的選擇

不同管道工藝條件差異很大，選擇保溫材料要充分考慮操作溫度、管道材質、自然環境等因素的影響，并以節能和經濟效益最大為目的。各種材料由于本身的耐熱性能不同，最高、最低允許使用溫度也不同，在某一個特定的運行溫度范圍內可以選用的保溫材料有多種，可一旦超過材料的允許使用溫度范圍，可能使材料產生明顯的變化，如：破裂、變質或燃燒等，因此選擇保溫材料時不應超過材料的極限使用溫度。不同操作溫度下，保溫材料的選擇和注意事項如下。

2.1 中低溫（0～537.8℃）

中低溫范圍是石油化工系統最重要的工作溫度范圍，用在這一范圍內的保溫材料主要有：硅酸鈣、復合硅酸鹽、巖棉或其他礦物纖維、礦渣棉、玻璃棉等

在這一溫度范圍內，材料的選擇主要考慮熱傳導率。其他因素，如機械強度、可供選用的制品形式、保溫材料成本等也有很大影響。因此，要進行綜合比較。幾種比較常用的保溫材料選用說明如下：

硅酸鈣：由石灰和二氧化硅在高溫高壓下反應生成物，再加入有機和無機纖維增強注模制成各種制品。I型最高使用溫度650℃，推薦使用溫度≤550℃；II型最高使用溫度1000℃，推薦使用溫度范圍≤900℃［3］。由于抗彎強度及抗壓強度高，廣泛應用于化學加工工業。硅酸鈣保溫制品能夠滿足奧氏體不銹鋼關于防止應力腐蝕裂紋的規范要求。價格較低。缺點是吸水率較大。

復合硅酸鹽：以硅酸鹽礦物纖維、顆粒和粉末狀材料為主要成分，摻加滲透材料（如快T）、打漿材料（如海泡石、溫石棉、水鎂石）、凝膠材料等添加劑，經打漿、發泡、成型、干燥而制成的絕熱材料［1］。最高使用溫度600℃，推薦使用溫度≤500℃［3］。復合硅酸鹽保溫制品能夠滿足奧氏體不銹鋼關于防止應力腐蝕裂紋的規范要求。缺點是價格相對較高。

巖棉或其他礦物纖維：由耐高溫粘結劑粘結而成，最高使用溫度650℃，用作管殼時推薦使用溫度350℃［3］。材料幾乎為中性，能滿足奧氏體不銹鋼關于防止應力腐蝕裂紋的規范要求。價格較低。缺點是吸水后造成腐蝕環境，且對人身體造成刺癢等勞保方面的弊病。

2.2 高溫（≥537.8℃）

高溫應用中，工藝條件比較苛刻，除保證耐高溫要求外，還要求耐火隔熱材料具有抗火焰、沖刷、磨損和腐蝕性能。常用的保溫材料主要有：礦物纖維（537.8～1037.8℃）、硅酸鈣（650～1093.3℃）、Al2O3-Si2O2系陶瓷纖維系統（871.1～1426.7℃）和氧化物纖維（1537.8～1648.9℃）等。

3 保溫厚度的設計

保溫層厚度的設計計算，應根據所要實現的目的以及相應的約束條件，采用不同的設計計算方法［2］。工藝無特殊要求時，應采用經濟厚度法計算。當經濟厚度偏小，且散熱損失量超過最大允許散熱損失時，應用最大允許熱損失量的厚度公式進行校核［3］。對于以防燙為目的的保溫計算，可采用表面溫度法進行計算，控制保溫層外表面溫度不超過60℃。

管道在計算絕熱層厚度時，直徑以1m為分界，即直徑大于1m時按平面計算厚度，直徑小于或等于1m時按圓筒計算絕熱層厚度［3］。

4 保溫厚度的理論計算方法［3］

4.1 經濟保溫厚度法

平面保溫層的厚度計算公式：

圓筒保溫層的厚度計算公式：

4.2 表面熱損失法

平面保溫層的厚度計算公式：

圓筒保溫層的厚度計算公式：

最大允許人損失量應符合下表的規定

管道外表面溫度t，℃ 絕熱層表面最大允許熱損失量，W/m2常年運行 季節運行50 52 104 100 84 147 150 104 183 200 126 220 250 147 251 300 167 272 350 188 -400 204 -450 220 -500 236 -

4.3 表面溫度法

平面保溫層的厚度計算公式：

圓筒保溫層的厚度計算公式：

4.4 保溫層厚度速查圖［4］

工程設計中，如果按照上述公式來進行計算是比較繁瑣的。為此，在一些設計標準中給出了通用的計算圖表或經濟厚度值，為工程設計提供了方便。下圖1為我國石油化工行業內的保溫層經濟厚度速查圖，可作為項目前期或詳細工程設計階段參考使用。

5 結語

石油化工裝置管道的保溫設計需要綜合多方面來考慮，不僅僅是保溫材料選擇和保溫厚度的計算，還要考慮材料的采購和工程實施難易程度等方面。由于上述計算過程比較繁瑣、需要數據較多，在實際工程設計過程中，往往無法完全按照上述理論計算過程來進行設計，特別是檢修改造項目，因此上述計算過程僅僅是作為一個參考，工程建設過程中還需要根據工程實際情況，結合一定的工程經驗或者是參考設計手冊來確定保溫厚度。

［1］復合硅酸鹽絕熱制品JC/T990-2006［S］.

［2］李少華，劉寶玉，戚積功，劉璐，李強.架空高溫輸油管道保溫厚度的設計［J］.當代化工，（40）1.

［3］石油化工設備和管道絕熱工程設計規范SH/T 3010-2013［S］.

［4］張德姜、王懷義、劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊（第三版）［S］.北京:中國石化出版社，2004.

圖1 保溫層經濟厚度速查圖