基于熱阻法的LNG 輸送管道保溫層厚度計算研究

劉 婷

（連云港杰瑞自動化有限公司，江蘇 連云港 222006）

0 引言

近年來采用液化天然氣（LNG）船遠洋運輸已成為補充國內天然氣供需缺口最有效、最經濟的方法。LNG 是-163 ℃左右的低溫液體，其在輸送過程中需通過一系列的技術手段來保持LNG 在輸送過程中的低溫狀態，采用特殊材料包覆在LNG 管道外表面以減少管道表面與周圍環境的熱量交換是最為常用的LNG 管道保溫方法[1]。中交設計院的張炎利用有限元分析軟件對LNG 管道保冷層內的溫度場及熱流量數值進行了數值分析[2]；遼寧石油化工大學的劉玉晗等應用有限元分析軟件對LNG 低溫長輸管道進行了穩態熱力分析[3]；中核蘇閥公司的汝強利用仿真軟件對LNG 管道保溫結構溫度及應力進行了分析[4]。綜上所述，目前LNG 管道保溫相關研究多通過仿真軟件開展，在理論分析推導上存在一定欠缺。基于熱阻法對LNG 輸送管道保溫層厚度進行計算研究，可為LNG管道結構保冷設計提供依據。

1 LNG 管道保溫層結構與材料

如圖1 所示，典型的外保溫LNG 輸送管道由不銹鋼管道、保溫層和外保護層組成。不銹鋼管道直接與低溫LNG 介質接觸，多選用304/304L、316/316L 等奧氏體不銹鋼材料；外保護層需要具有良好的機械強度、防腐防水性和耐候性，多選用鋁合金薄板。保溫層材料一般需要具備低導熱系數、化學性能穩定、抗水性、耐久性等特點，多選用硬質聚異三聚氰酸酯泡沫（PIR）。

圖1 典型外保溫LNG 輸送管道結構

2 等效熱網絡建模及溫度分布分析

2.1 熱阻法基本理論

由傅里葉定律可知，熱傳導速率方程可寫為：

式中：q為熱流，W；k為熱導率，W/（m·k）；A為面積，m2；L為距離；△T為溫差。

由牛頓冷卻定律可知，物體的冷卻速率正比于物體和周圍介質的溫度差，牛頓冷卻方程可寫為：

式中：q為熱流，W；h為對流換熱系數，W/（m2·k）；A為面積，m2；△T為溫差。

另外，兩個物體或介質之間接觸面上同樣存在熱量傳遞的阻力，即接觸熱阻，接觸熱阻一般通過試驗測得[5]。

2.2 等效熱網絡建模

為方便計算，假設：（1）不同組分的LNG 介質溫度均為-165 ℃[6]；（2）各材料熱物性不隨溫度變化；（3）忽略熱輻射、接觸熱阻影響。

設不銹鋼管道、保溫層、外保護層及外保護層與空氣間的熱對流熱阻分別為R1、R2、R3、R4，LNG 介質溫度為T1，環境溫度為T0，外保護層外表面溫度為T，建立LNG 輸送管道等效熱網絡如圖2 所示。

圖2 LNG 保溫輸送管道等效熱網絡模型

由（2）式可知，熱阻與面積成反比，即與傳熱面的半徑平方成反比，在不銹鋼管道直徑方向上取微小距離，通過積分可得不銹鋼管道熱阻為：

式中，l為管道長度，k1為不銹鋼管道熱導率（W/（m·K）），r1 為不銹鋼管道內徑，r2 為不銹鋼管道外徑。

同理可得等效熱網絡模型各部分熱阻值，見表1。

表1 LNG 保溫輸送管道等效熱網絡模型各部分熱阻值

由式（1）～（4）可得，

LNG 管道熱流為：

保護層外表面溫度T為：

保護層外表面熱流密度為：

同理，通過管道熱流和累計熱阻，可計算出LNG輸送管道任意位置處的溫度值。

2.3 計算實例

某LNG 外保溫輸送管道（304 材質）工作參數及材料熱物性見表2。

表2 某LNG 外保溫輸送管道工作參數

把參數帶入式（7）（8）可得，該算例中保護層外表面溫度為-21.79 ℃，熱流密度為17.89 W/m2。

2.4 模型驗證與分析

利用有限元分析軟件，依據表2 建立模型并設置旋轉接頭內表面溫度、環境溫度、對流換熱系數等熱參數，如圖3 所示。利用有限元軟件進行穩態熱分析，分析結果如圖4 所示。

圖3 穩態熱邊界條件設置

圖4 管道穩態熱有限元分析結果

有限元算例分析結果為：保護層外表面溫度為-21.765 ℃，熱流密度為17.71 W/m2，這與2.3 節中的采用的熱阻法計算結果非常相近，理論計算結果準確。

3 LNG 保冷層計算方法與分析

3.1 LNG 保冷層計算方法選擇

根據《工業設備及管道絕熱工程設計規范》，計算保冷層的厚度有3 種方法[8]：（1）經濟計算法：受建造費用、使用年限等因素影響較多；（2）防表面凝露法：通過計算表面溫度和環境條件，確定保冷層厚度以避免凝露發生；（3）控制熱流法：控制最大允許的冷損失量為目標。防表面凝露法和控制熱流法可用熱阻法進行計算。

在夏季潮濕環境下，空氣露點溫度一般比環境溫度低1～2 ℃，按1 ℃計算，由式（8）可知，為防止表面凝露，應滿足外保護層外表面溫度與空氣溫度差小于1 ℃，即：

設允許的熱流為[q]，則由（6）式可知，熱流控制法計算公式為：

比較（10）式和（11）式可知，當許用熱流小于對流熱阻的倒數，即時，采用熱流控制法計算出的保溫層厚度大于采用防表面凝露法計算出的保溫層厚度，反之防表面凝露法計算厚度更大。

3.2 LNG 保冷層厚度影響因素分析

影響LNG 保溫層厚度的因素有結構尺寸、材料的熱導系數、對流換熱系數等。工程項目中保溫層材料一般是確定的，通常只需要考慮管徑、保溫層厚度、環境溫的影響。

選取DN100、DN300、DN500 三種典型管徑對LNG 保冷層厚度影響因素進行分析，由（6）（7）式可得，環境溫度和對流換熱系數一定時（分別取20 ℃、10 W/（m2·K）），不同管徑下LNG 管道外表面溫度隨保溫層厚度變化如圖5 所示。LNG 管道冷（熱流）損失隨保溫層厚度變化而變化，如圖6 所示。

圖5 外表面溫度隨保溫層厚度變化規律圖

圖6 熱流密度隨保溫層厚度變化規律圖

由圖5 可知，保溫層較薄時，外表面溫度隨著保溫層的增加增速較快，當保溫層厚度增長到一定程度后，保溫層厚度繼續增大對外表面溫度影響很小；保溫層厚度相同時，管道直徑越小，管道外表面溫度與環境間的溫差越小，且隨著管道直徑的增大，這種差距也在減小。由此可得，管徑越小，管道外表面溫度與環境間的溫差越小，管道外表面與空氣間的熱流密度絕對值（冷損量）也越小，即熱流密度和外表面溫度隨保溫層厚度有著相同的變化規律，如圖6 所示。

選取-20 ℃、0 ℃、20 ℃三種溫度分析環境溫度對DN100、DN300 兩種管徑管道的熱流密度影響進行分析，由（6）（7）式可得，對流換熱系數一定時（10 W/（m2·K）），變化規律如圖7 所示。

由圖7 可知，管徑越大，熱流密度受環境溫度影響越大，隨著保溫層厚度的增加，環境溫度變化對熱流密度的影響在減小，當保溫層厚度達到一定數值后，熱流密度幾乎不受環境溫度變化的影響。

圖7 熱流密度受環境溫度影響圖

4 結論

采用熱阻法推導了LNG 輸送管道任意位置處溫度值和熱流密度的計算公式，對LNG 輸送管道保冷層計算方法選擇和保冷層厚度影響因素進行了分析研究，主要結論如下：

（1）當許用熱流小于對流熱阻的倒數時，采用熱流控制法計算出的保溫層厚度大于采用防表面凝露法計算的保溫層厚度。

（2）LNG 輸送管道外表面溫度增長速度隨著保溫層厚度的增加而逐漸趨緩，保溫層厚度相同時，管道直徑越小，管道外表面溫度與環境間的溫差越小，熱流密度和外表面溫度隨保溫層厚度有著相同的變化規律。

（3）管徑越大，熱流密度受環境溫度影響越大，當保溫層厚度達到一定數值后，熱流密度幾乎不受環境溫度變化影響。