石油化工設備及管道的保溫通用性研究

傅文興

（中石化上海高橋分公司工程處)

石油化工設備及管道的保溫通用性研究

傅文興*

（中石化上海高橋分公司工程處)

從分析石油化工相關設備及管道的熱損失入手，闡述保溫對設備及管道運行效率、節(jié)能增效和安全生產的重要性，進而分析了設備及管道保溫結構設計的幾個具體問題，并提出了保溫工程施工建議。

熱損失 保溫結構 保護層 絕熱層 管道 化工設備

0 引言

對石油化工裝置中設備和管道進行絕熱設計的主要目的是： （1）減少設備和管道及其組成件在儲存、運輸、生產過程中的熱量損失，以降低能耗； （2）減小輸送過程中介質的溫降，以利于物料及系統(tǒng)的良好運行； （3）降低或維持工作環(huán)境溫度，改善勞動環(huán)境，防止因熱表面而導致火災，防止操作人員燙傷等。因此，石油化工裝置中設備和管道的絕熱設計是關系到石油化工企業(yè)優(yōu)化工藝、穩(wěn)定操作、安全生產、提高生產能力、改善勞動環(huán)境、節(jié)能增效和技術管理的重要環(huán)節(jié)。

設備和管道的絕熱工作，涉及的方面非常之廣，且各個方面相互聯(lián)系、相互制約。絕熱工作主要包括下述幾方面內容： （1）設計過程中，絕熱層及保護層材料的選用，絕熱層經濟厚度的計算，保溫結構形式的選定； （2）施工過程中施工方法的選擇，施工質量的評定，以及整個保溫施工結束后對其保溫效果的測試評價，即熱損失檢測報告；（3）保溫設施在運行過程中的科學管理等。

通過計算和測定[1]，可分別得到裸露的和保溫的管道、閥門及法蘭的熱損失，如表1所示 （為計算方便，本文單列保溫結構）。

由表1數(shù)據可見，裸露結構和保溫結構的熱損失差別很大，這就充分說明絕熱結構選擇的重要性。然而在日常的設計、施工和運行管理中，有關絕熱的問題很多，例如保溫厚度和結構設計不正確，絕熱材料選用不合理，絕熱材料易老化、主要特性不符合設計文件要求，安裝難度高，絕熱結構不科學，保護層強度不夠，絕熱結構缺乏維護、保養(yǎng)等。這些問題造成了熱損失增大，以致在設計時限內不得不追加投資費用等，而且許多問題并未被部分設計、施工人員及管理人員充分認識。因此，在安全生產、節(jié)能增效、環(huán)境保護等意識日漸增強的今日，有必要對保溫相關問題進行深入討論，以便引起相關人員的重視。

表1 裸露和保溫的管道、閥門及法蘭熱損失比較

本文結合項目設計、施工和管理過程中經常出現(xiàn)的問題，就絕熱結構 （側重保溫）的相關問題進行詳細的闡述。

1 傳熱的基本形式

熱總是自發(fā)地由高溫介質傳到低溫介質，凡有溫度差的地方就會產生熱量轉移。保溫結構傳熱過程如圖1所示： （1）相對溫度高的介質以對流和輻射的方式傳熱給保溫結構內表面； （2）保溫結構內表面以固體傳熱和輻射的方式將熱量傳給保溫結構的外表面； （3）保溫結構外表面以空氣對流和輻射的方式向環(huán)境傳遞熱量。整個保溫結構傳熱過程包含熱傳導、熱對流、熱輻射三種基本傳熱方式。

圖1 保溫結構傳熱過程

穿過絕熱結構層的導熱量 （即熱損失）與絕熱結構兩側的溫度差成正比，與絕熱結構層的厚度成反比，同時也與絕熱結構層材料的特性緊密相關，其計算公式如下[2]：

式中 Q——穿過絕熱結構層的導熱量，W；

λ——絕熱結構層材料的導熱系數(shù)，W/(m·K)；

δ——絕熱層厚度，m；

△t——絕熱層兩側表面溫差，℃；

F——絕熱層面積，m2。

導熱系數(shù)λ是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1 m厚的材料，兩側表面的溫差為1℃，在1 h內通過1 m2面積所傳遞的熱量。導熱系數(shù)λ與材料的組成結構、密度、含水率、溫度等因素有關。非晶體結構、密度較低的材料，導熱系數(shù)較小。材料的含水率和溫度較低時，導熱系數(shù)較小。通常把導熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料，而把導熱系數(shù)在0.05 W/(m·K)以下的材料稱為高效保溫材料。

2 絕熱在工業(yè)生產中的作用

2.1 提高生產能力

溫度是石油化工裝置生產過程中非常重要的工藝參數(shù)。一般情況下，工藝精餾塔的釜溫、頂溫均有嚴格的操作溫度控制范圍。例如，某苯酚丙酮裝置的3臺（三級）氧化塔其溫度必須分別控制在101℃、96℃、92℃以內，溫度超標會導致氧化過程不充分，產生的副產品多，影響裝置的生產能力。只有將溫度控制在有效溫度范圍內，才能保證生產安全、平穩(wěn)并提高產能。

2.2 節(jié)約能源

蒸汽是精餾塔的主要熱能來源，若塔體保溫不良致使釜溫損失，就會加大再沸器蒸汽用量。按上述苯酚丙酮裝置脫丙烷塔計算，每提升塔釜溫度1℃，就要加大蒸汽用量約30 kg/h，以年計算蒸汽消耗量是相當可觀的。

2.3 延長設備的運行周期

熱力裝置如果沒有良好的保溫設施，就會使環(huán)境溫度上升，從而導致相關的傳動設備的軸承、控制電纜和電機溫度上升，影響設備的運行周期，甚至發(fā)生安全事故。

2.4 有效改善勞動環(huán)境

管道和設備保溫后，按GB 50264—2013、GB/ T 4272—2008等規(guī)范規(guī)定，其保溫層的表面溫度一般不應高于50℃。限制表面溫度，是為防止操作人員被燙傷。此外，長期在超溫條件下工作，勢必會降低操作人員的專注度，增加事故發(fā)生概率。

2.5 防凍防凝

在冬天，對相關管道采取有效的防凍保溫措施，可有效阻止外界溫度對內部介質的影響，從而提高產能。保溫措施還可有效防止管道表面結露，控制金屬表面的腐蝕。例如在外管廊管道上，常發(fā)生結露后導致管道嚴重腐蝕，甚至泄漏的情況，影響生產正常運行。此外，某些設備和管道內的介質凝固點高于環(huán)境溫度，防止介質凝固也需要保溫。

3 保溫結構的基本形式

保溫和保冷統(tǒng)稱為絕熱，本文以保溫為主進行相關敘述。通常保溫結構由保溫層和保護層組成，在埋地或相對潮濕環(huán)境下還需設置防潮層。保溫層的結構形式按保溫對象、保溫材料特性、保溫施工方式的不同，可分為捆扎、粘貼、纏繞、填充、拆卸、拼砌、噴涂、澆筑等多種結構形式。

圖2所示為典型的單層捆扎型保溫結構，由絕熱層、捆扎帶、保護層及識別層組成。該保溫結構利用捆扎帶將絕熱保溫材料捆扎在設備及管道的外表面，適用于各種絕熱材料。采用這種保溫結構，并通過設置各種形式的支撐件、鉤釘?shù)龋苫緷M足各類保溫對象的保溫要求。其捆扎帶常用的材料有鍍鋅鐵絲、鍍鋅鋼帶、膠合帶等。對于保冷結構，可采用不銹鋼和非金屬材料捆扎。

圖2 單層捆扎型保溫結構

4 保溫厚度的計算

4.1 經濟厚度計算法及計算公式[3]

工程上一般以經濟厚度計算法進行保溫厚度的計算。若保溫材料投資年分攤的費用為 [P]，保溫后的年散熱損失費用為 [fn]，則二者之和為年總費用 [C]。由圖3可見， [P]值隨保溫厚度δ的增加而增大 （曲線A）， [fn]值隨δ的增加而減少 （曲線B），總費用 [C] （曲線C）則在保溫厚度為δ0時有最小值Cmin，則δ0即為保溫層的經濟厚度。

圖3 保溫厚度與年費用的關系

按GB/T 8175規(guī)定，圓筒設備或管道直徑D＞1000 mm時，其保溫層厚度以平面形式計算。

散熱損失的計算

全年散熱損失費用 [fn]的計算

保溫材料投資年分攤費用 [P]的計算

全年的總費用

4.2 計算舉例

在上海地區(qū)有一直徑為2000 mm、內部具有283℃介質的圓筒形設備，需要的保溫厚度計算如下 （選用的絕熱層材料為長纖超輕硅酸鋁）。

（1）保溫材料費用 Pi（僅為絕熱層的費用）按長纖超輕硅酸鋁計，為1500元/m3。

（2）保溫工程投資年分攤率S的確定：

式中 n——計息年限，取8年；

i——利率，i取10%。

經計算得S=0.187 4。

（3）導熱系數(shù)λ，一般按材料給定的導熱系數(shù)計算式計算或查表。

本例經計算，λ=0.037 W/（m·K）。

（4）熱能價格fn在上海取4.8～6.0元/(106kJ）。

（5）年運行時間τ=300×24=7200 h。

（6）表面放熱系數(shù)α，絕熱結構外表面放熱系數(shù)α是輻射放熱系數(shù)αr與對流放熱系數(shù)αc的綜合值。影響表面放熱系數(shù)的因素很多，主要涉及放熱表面的形狀、表面溫度、環(huán)境溫度、對流和反射等。通常取值為α=11.6 W/(m2·K)。

（7）環(huán)境溫度tα，查表得上海室外年平均溫度為15.7℃。

將以上參數(shù)代入經濟厚度計算公式，得

計算得絕熱層經濟厚度為70 mm。

5 保溫工程的施工

5.1 前期準備工作

5.1.1 施工組織設計及開工條件

絕熱工程施工前，應依據絕熱工程設計內容，做好絕熱工程的施工組織設計及施工方案，并報批。其一般應包含工程概況及特點，施工工藝，人員組織及平衡，各種規(guī)格材料清單及采購進度，材料存放及保管地點、時間，施工機具的準備，需要其它工序配合的進度要求，質量管理體系，安全技術措施，施工進度計劃，竣工驗收等。

開工前，施工組織設計必須審批完成。對材料及其制品進行質量檢查并符合要求，相關的設備及管道工程完成并驗收合格，強度試驗、嚴密性試驗、防腐工程驗收合格。相關支撐件、管道支吊架以及相關設備安裝完成并驗收合格，儀表接管等部件安裝到位。

5.1.2 絕熱材料的采購和保管

按國家及化工系統(tǒng)施工圖設計內容規(guī)定，設計文件 （設計施工藍圖）內必須在設計說明及統(tǒng)計表中詳盡說明絕熱材料規(guī)格、型號以及主要物理、化學性能。主要包括：導熱系數(shù)計算式或圖表、容重、規(guī)格、抗壓強度、最低最高使用溫度、材料燃燒性能級別 （即氧指數(shù)）、腐蝕性、耐蝕性、熱穩(wěn)定性等性能。對于不銹鋼管道的保溫材料還必須提供其氯化物、氟化物、硅酸根及鈉離子的含量，應符合GB/T 17393—2008的有關規(guī)定。

絕熱材料必須嚴格按設計文件的要求采購，嚴禁施工單位在未征得設計人員同意的情況下，隨意更改相關參數(shù)并進行采購。例如，設計文件中規(guī)定軟質絕熱材料的容重為95 kg/m3，施工單位擅自選購容重為155 kg/m3。這不僅不符合國家相關規(guī)定，而且還增加管道或設備的自重，進而增加了承重支架和支吊架的材料，對管道應力計算的合理性以及支架的設置都是挑戰(zhàn)，最終增加了費用。

絕熱材料保管要防止材料劣化。這里所謂的材料劣化，通常是指在其被保管期間，受大氣環(huán)境、儲存條件、期限和外力的影響，而致使其物理和化學性能變化的現(xiàn)象。因此，絕熱材料保管期間應堆放規(guī)整，避免擠壓、變形；不同規(guī)格、型號的材料歸類存放；對受潮易固化的材料須做好防潮措施；做好相應的防火措施；材料必須在規(guī)定年限內使用等。在材料出庫前必須核對其規(guī)格、品種、使用年限，并做好外觀檢查，合格方可出庫。

5.2 保溫結構的施工工藝

保溫結構的施工必須嚴格按設計文件以及施工組織設計進行。保溫結構按保溫對象及結構形式可分為捆扎、 粘貼、 纏繞、 填充、 拆卸、 拼砌、 噴涂、澆筑、嵌裝等，其在GB 50126—2008、GB/T 4272—2008、GBJ 126—1989、GB 50185—2010、SH/T 3010—2013等規(guī)范、標準中均有詳細規(guī)定。本文對最常用的捆扎法施工工藝及相關要點進行大致介紹。

捆扎法施工，即先將絕熱材料敷設于設備或管道表面，再用捆扎材料將其固定，然后敷設保護層的施工工藝。捆扎法施工具有施工簡單、方便，施工周期短等優(yōu)點，適用于各類絕熱材料制品。對于大型設備或大口徑管道，須依托支承件或保溫鉤釘來固定保溫材料。

絕熱層施工必須遵循施工的一般要求，即捆扎帶不得采用螺旋式纏繞形式，必須按規(guī)范標準符合捆扎間距，且做到每塊保溫材料捆扎不少于二道；立式設備或大口徑垂直管道，需按要求設置支承件，從支承件開始自下而上進行，然后進行環(huán)向捆扎或用鐵絲網包裹捆扎；需熱處理的設備或管道其保溫層支承件應在制作單位焊接并處理完成；經常需要拆卸的部位，宜采用可拆卸的結構；絕熱層施工時，同層應錯縫，上下應壓縫；支吊架、支座等須按設計文件進行保溫；絕熱材料采用硬質制品時，應留有伸縮縫；煙風道和傳動設備可采用留置空氣層的保溫結構；對埋地的保溫管道等，其外表面應設置防潮層。

選擇良好的絕熱結構保護層可以起到防止雨水滲入、防塵防沙、防止絕熱層受外力損壞、改善絕熱效果、美化外觀、延長使用年限等作用。因此保護層的施工不能馬虎和偷工減料。絕熱結構保護層一般采用鋁板、鍍鋅板、彩鋼板和不銹鋼板等。

金屬保護層的接縫可采用搭接、咬接、嵌接、插接和S型掛接等 （具體見圖4）。

圖4 保護層接縫連接形式

保護層須緊貼絕熱層。對于硬質的絕熱材料，保護層軸向接縫可用咬接；對于軟質的絕熱材料，保護層軸向接縫可用插接或搭接，并用自攻螺絲或抽芯鉚釘固定。插接用自攻螺絲或抽芯鉚釘，搭接用抽芯鉚釘連接，須布置在水平中心線下方15°～45°范圍內，縫口向下。環(huán)向接縫應采用搭接或插縫 （室外用搭接）。膨脹部位的金屬保護層應采用活動接縫，大型立式設備、儲罐伸縮縫應采用S型掛接。

管道保護層施工要注意以下幾項要點。

（1）直管段：環(huán)向、軸向搭接一端應壓出凸筋，搭接尺寸分別不得少于50 mm和30 mm，金屬保護層所有環(huán)向接縫順水搭接，軸向接縫順坡度搭接，縫口向下，且接縫應布置在水平中心線下方15°～45°范圍內。

（2）管道三通處：主管和支管相交部位宜翻邊固定，順水搭接。垂直管和水平管在水平管下部相接，應先包垂直管；垂直管和水平管在水平管上部相接，應先包水平管 （如圖5所示）。

圖5 垂直管與水平管不同位置的管道三通處保護層

（3）管道彎頭處：其軸向接縫采用釘口形式，環(huán)向接縫采用咬接或嵌接形式，軸向、環(huán)向接縫也應順水搭接，但在直管和彎頭搭接處不得固定。

除上述規(guī)定外，對于露天、潮濕環(huán)境中的保溫設備、管道和室內外的保冷設備、管道與其附件的金屬保護層以及保冷管道的直管段與其附件的金屬保護層接縫部位、管道支吊架穿出保護層部位，必須在其金屬保護層處嵌填密封劑，或在接縫處包裹密封帶，以防止雨水滲入。

對于大型儲罐、煙道，由于設計剛度和費用等方面的需要，一般采用瓦楞板，其安裝必須與底下支承件固定；另采用硬質絕熱材料時，其寬面應向外安裝；采用半硬質或軟質絕熱材料時，其寬面應向內安裝。

6 保溫工程的竣工驗收和效果測試

絕熱工程驗收分為中間驗收和竣工驗收。對于一項絕熱工程而言，每個分項或分部工程的施工質量直接影響絕熱工程的整體質量。在施工過程中，每個施工工序的施工質量也將影響到下一道工序或整個工程的質量。因此，應按工程項目及規(guī)范、標準進行必要的驗收，確認合格后，方能進行下一道工序（如管道除銹后方可敷設絕熱層）或驗收。

在 GB 50185—2010、 GBJ 126—1989、 GB 50645—2001、SH 3010—2013等標準、規(guī)范中，對于絕熱工程涉及的材料驗收、施工質量驗收以及驗收要求和驗收表格均有詳細的說明。

需要說明的是，當施工質量不符合設計文件規(guī)定和相關標準、規(guī)范要求時，必須返工，在返工驗收合格后，方可辦理交工手續(xù)。

還需要說明的是，交工資料內必須含有相關材料出廠合格證書或檢驗試驗資料；如有相關設計變更必須附上；如有材料代用單同樣須附上；須有隱蔽工程驗收記錄和質量檢查記錄。

按GB/T 4272—2008、GB/T 8174—2008、GB/T 8175—2008等相關標準及規(guī)范的要求，應對保溫工程相關設備及管道的表面溫度和熱損失進行測定，并提出相應的報告。保溫工程的表面溫度和熱損失測試，通常是在設備或管道運行后進行的。

7 保溫工程施工過程中易被忽視的事項

7.1 材料方面

7.1.1 絕熱層材料

絕熱層材料的采購必須符合設計文件或相關標準規(guī)定的要求，其中設計文件中對絕熱材料的導熱系數(shù)、容重、氧指數(shù)、允許使用溫度范圍、不燃性，以及對敷設于不銹鋼管道或設備上的絕熱材料，應對絕熱材料中可溶出氯離子、氟離子、硅酸鹽離子以及鈉離子的含量有明確要求。

在工程施工過程中，施工單位及業(yè)主方往往對此未嚴格要求，從而讓容重大、導熱系數(shù)大的不符合設計要求的材料混入施工現(xiàn)場，嚴重影響保溫效果。本文在第1章中已經述及，絕熱層的熱量損失與絕熱層厚度成反比，與材料的導熱系數(shù)成正比。選用不同導熱系數(shù)的絕熱材料，絕熱層的容重、所需的絕熱層厚度就不同。容重對于保溫以及整個工程的重要性也往往被忽視。絕熱材料一般為多孔結構，通常其容重越小，導熱系數(shù)越小，保溫效果就越好，耗材相對也越少，投資費用就會較少。另一方面，對于大型管廊以及大型儲罐而言，容重的變化，可能給儲罐基礎結構設計或者管廊桁架及基礎的設計帶來費用的增加，或者給管道的安全運行帶來不確定性，因此，采購哪一種容重的絕熱材料應嚴格按照設計文件的規(guī)定執(zhí)行。另外，對于需要蒸汽吹掃的管道和設備來講，絕熱材料的允許使用溫度范圍是一個很重要的參數(shù)。對敷設于奧氏體不銹鋼管道和設備的絕熱材料，其應符合 GB/T 17393—2008《覆蓋奧氏體不銹鋼用絕熱材料》規(guī)范的相關規(guī)定。

7.1.2 保護層材料

保護層材料的使用應嚴格按設計文件或相關標準規(guī)定的要求。如需使用替代材料，必須征得設計人員書面同意方可替換。例如，設計給出的保護層為0.5 mm的鍍鋅瓦楞板 （GB/T 2518—2008），波高50 mm、波距50 mm，長×寬3200 mm×1000 mm。由于庫存或采購等原因，施工時采用相同規(guī)格的鋁板代用。但是，這樣代用有很大的弊端。一是瓦楞鋁板的強度達不到相同規(guī)格的瓦楞鋼板，影響整個絕熱結構的強度，對使用周期等帶來不可預測的影響；二是會對整個絕熱工程的費用控制帶來麻煩。

總之，材料的替代必須征得原設計人員的書面同意并符合相關標準、規(guī)范。

7.2 施工方面

絕熱工程必須有其專項施工技術方案，并經監(jiān)理等審批，施工過程中應嚴格按其相關要求進行。

這里需要說明的是，每一道工序完成后必須對已完工序進行自檢，然后組織相關施工方、監(jiān)理、建設單位等進行驗收并做好記錄，驗收合格后方可進行下一道工序的施工。

另外，在絕熱工程施工過程中還必須落實安全技術工作，要充分認識到其重要性。

7.3 工程驗收

工程移交后，對于保溫效果的評價，相關部門很少進行相關的評估，這對于設計、施工和運行費用控制，以及如何有效提高保溫技術都是不利的，對于有效管理以及節(jié)能降耗也是不利的。

8 結語

總之，對于絕熱工程應明確如下幾點認識：

（1）不能忽視絕熱工程中材料的供貨質量，尤其對材料的導熱系數(shù)、容重等指標，必須按設計文件執(zhí)行。

（2）施工單位安裝時必須嚴格按設計文件、相關標準和規(guī)范進行，嚴控偷工減料，必須嚴格按工序施工。

（3）對于絕熱工程的驗收、日常運行以及維護等各個環(huán)節(jié)，都必須引起足夠的重視。

[1]張得姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊 [M].北京：中國石化出版社，2013.

[2]李鴻發(fā).設備及管道的保冷與保溫 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

[3]中國石油化工集團公司.石油化工設備和管道絕熱工程設計規(guī)范：SH/T 3010—2013[S].北京：中國石化出版社，2014.

Universal Study on the Thermal Insulation of Petrochemical Equipment and Pipe

Fu Wenxing

Based on the analysis of the heat loss of petrochemical equipment and piping,the importance of thermal insulation to the operating efficiency of equipment and piping,the energy saving and the production safety is expounded.Furthermore,several concrete problems in the design of insulation structure of equipment and pipeline are analyzed.And the construction proposals of thermal insulation engineering are put forward.

Heat loss;Insulation structure;Protective layer;Heat-insulating layer;Piping;Chemical equipment

TQ 050.4

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.008

2016-08-18)

*傅文興，男，1967年生，工程師。上海市，200137。