蒸汽管網保溫材料選擇及保溫厚度計算分析

丁真裔*

（華東理工大學工程設計研究院有限公司）

0 前言

節約能源是我國的基本國策，國家實施“節約與開發并舉、把節約放在首位”的能源發展戰略。同時，隨著“碳中和“和“碳達峰”的目標出臺，能源有效利用越來越受到重視。在熱電聯產項目中，城市供熱工程熱網輸送綜合熱效率需要達到92%以上。因此必須對蒸汽管道進行保溫，從而減少管道運行過程中的散熱損失，達到節約能源的目的。然而目前市場上的保溫材料種類繁多，保溫效果參差不齊，在選用材料和確定保溫厚度時往往會產生較多問題。目前，對蒸汽管道進行保溫設計時有以下兩種情況值得注意：一是大量高效保溫材料用于低要求的管道或者保溫厚度選取過大，造成資源和成本浪費；二是許多保溫要求較高的地方，選用了低效保溫材料或者保溫厚度過小，達不到理想的保溫效果，管道熱量損失過大。因此正確選擇保溫材料，對于控制蒸汽管網的熱損以及確保項目的經濟性具有重要意義。

1 保溫材料的選用

1.1 標準對蒸汽管道保溫材料的要求

GB/T 8175—2008《設備及管道絕熱實際導則》標準中規定：保溫材料在平均溫度為298 K 時熱導率值不大于0.08 W/（m·K），并應有在使用密度和使用溫度范圍下的熱導率方程或圖表。用于保溫的絕熱材料及其制品，硬質絕熱制品密度不大于220 kg/m3，半硬質絕熱制品密度不得大于200 kg/m3，軟質絕熱制品密度不得大于150 kg/m3。用于保溫的硬質無機成型絕熱制品，其抗壓強度不得小于0.3 MPa，有機成型絕熱制品的抗壓強度不得小于0.2 MPa。絕熱材料及其制品的化學性能應穩定，不得對金屬有腐蝕作用。當用于奧氏體不銹鋼設備或管道上時，其氯化物、氟化物、硅酸鹽、鈉離子的含量應符合國家現行標準GB/T 17393—2008《覆蓋奧氏體不銹鋼用絕熱材料規范》中有關規定。

選用保溫材料的時候，確保其物理、化學性能滿足工藝要求的前提下，應優先選用導熱系數低、密度小、濕阻因子大、吸水率低、價格低廉、施工及維護方便的保溫材料。為了減少管道的散熱損失，保溫層厚度應按經濟厚度方法來計算。

1.2 蒸汽管道常用保溫材料的性能參數與組合

蒸汽管道常用保溫材料可分為四種：硅酸鋁管殼制品、微孔硅酸鈣管殼制品、輕質超細玻璃棉管殼制品及巖礦棉管殼制品。其保溫性能及價格可見表1。

表1 蒸汽管道保溫材料的性能及價格

硅酸鋁是一種硅酸鹽，以硬質黏土熟料為原料，經電阻或電弧爐熔融、噴吹成纖工藝生產制成。硅酸鋁保溫材料有很多種類，主要包括硅酸鋁棉、毯、板、氈及模塊等。其優勢是耐高溫，熱穩定性好，化學穩定性好，熱傳導率較小等；而其劣勢是抗壓抗折力比較差，防水性能差，且造價高。

玻璃棉是以玻璃球為原料，經高溫熔制、拉絲等工藝制造而成，是一種無機質纖維。其優勢是成型好、體積密度小、熱導率小且機械強度高；而劣勢是不耐水、不耐擠壓，可承受溫度小于400 ℃。

巖棉產品常采用優質玄武巖、白云石等作為主要原料。巖棉可根據不同的用途制成巖棉氈或巖棉條等。其優勢是質量小、熱導率小、彈性好，不容易燃燒及造價低；而劣勢是吸水率大，水分容易聚集在巖棉內，長期以往會增加保溫層的質量，導致保溫層脫落返修，且巖棉可能致癌。

硅酸鈣保溫制品是以氧化硅、氧化鈣和增強纖維為主要原料制成的。其優勢是抗壓強度大、使用壽命長、耐酸堿、不易腐蝕、不易變形且防水性能好；而劣勢是后期維護、維修難度較大，工程安裝較為繁瑣，且其密度較大，從而縮短了管道跨距。

2 保溫厚度的計算

2.1 計算依據選取

目前蒸汽管道保溫計算方法繁多，為了有效減少管道散熱損失，推薦根據保溫層表面散熱損失的方法來計算保溫層厚度。蒸汽管道保溫厚度計算結果需滿足GB 50264—2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》中規定的最大允許熱損失量Q，詳細數據可見表2。

表2 最大允許熱損失量

2.2 計算實例

某室外架空的DN 200 mm 蒸汽管道介質溫度為250 ℃，周圍常年平均環境溫度為20 ℃，年平均風速為3.8 m/s。由于保溫材料眾多，不同保溫材料會得到不同的計算結果，首先選用硅酸鋁制品作為保溫材料進行計算。

（1）保溫層內、外表面平均溫度值計算

保溫層內、外表面平均溫度值可按下式計算：

把常溫時熱導率及保溫層內、外表面平均溫度數據代入可得λ=0.069 W/( m·K)。

（3）保溫層外表面散熱損失計算

保溫層外表面散熱損失可按下式計算：

測量保溫厚度后不斷試算求出保溫層外表面散熱損。試算結果如下：當保溫厚度δ=0.1 m 時，Q=145.9 W/m2＜163 W/m2，滿足要求。

（4）保溫外層表面溫度計算

保溫外層表面溫度可按下式計算：

式中：Ts——保溫外層表面溫度，℃；

把表面傳熱系數，保溫層外表面散熱損失及環境溫度代入上式后可得出Ts=25.78 ℃。

（5）單位長度保溫費用計算

單位長度保溫費用可按下式計算：

式中：F——單位長度保溫費用，元/m；

C——保溫材料價格，元/m3。

把保溫材料價格、管道外徑、保溫層外徑代入上式后可得出F=120 元/m。

2.3 不同保溫材料計算結果對比

采用上述方法，對每種保溫材料的熱損失及保溫費用進行了計算。表3 列出了滿足最大允許熱損失量時，管道采用不同保溫材料時所需的厚度、費用等相關數據。

表3 管道采用不同保溫材料時各數據計算表

3 結論

影響蒸汽管道保溫效果的因素有很多。在同樣熱損失的情況下，通常導熱系數λ及保溫層表面放熱系數a越小，保溫層厚度也越小。所處環境的平均氣溫越高，平均風速越小，所需的保溫層厚度就越小。選擇保溫材料時必須考慮外部環境條件對計算結果的影響，具體選用何種保溫材料也需結合工程實際情況及造價等多種因素決定。但無論何種外部環境或者工程環境，保溫厚度和材料的選取均應進行詳細計算，從而選出最經濟合理的方案，真正做到節約能源，節省資金。