異形結(jié)構(gòu)柔性保冷結(jié)冰的原因及對(duì)策研究

劉曦澤，屈定榮，張艷玲，許 可

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

1 研究背景

保冷是絕熱的一種形式，主要用于隔離內(nèi)部介質(zhì)的低溫與周圍的環(huán)境溫度，減少其在輸送過程中的無效冷損失，維持介質(zhì)工藝參數(shù)，滿足生產(chǎn)和工藝的需求。保冷材料主要有柔性和硬質(zhì)2種，目前保冷工程中常用的保冷材料主要為硬質(zhì)材料，包括聚氨酯泡沫、聚異腈脲酸酯泡沫和泡沫玻璃等。

泡沫玻璃在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和施工方面，存在著較大的缺點(diǎn)，在工程中對(duì)閥門、三通、彎頭、過濾器等異性結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工時(shí)，需要切割和拼接的工作量很大，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量邊角料，造成浪費(fèi)。聚氨酯泡沫和聚異腈脲酸酯泡沫雖然可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行澆注發(fā)泡，避免了泡沫玻璃的施工缺點(diǎn)，但在發(fā)泡加工制作過程中，發(fā)泡效果受到環(huán)境因素、發(fā)泡時(shí)間、多組分?jǐn)嚢璧纫蛩氐挠绊懞艽螅瑲饪灼茐穆矢?，吸水防潮性能不好，?dǎo)致最終保冷效果受到影響。

柔性低溫保冷材料的出現(xiàn)有效解決了上述問題，其優(yōu)勢(shì)是與被保冷設(shè)備的貼合度較好，導(dǎo)熱系數(shù)較低(通常在0.03 W/(m·℃)以下)，同時(shí)還能避免運(yùn)輸、儲(chǔ)存、施工上的不便[1,2]；其缺點(diǎn)是材料會(huì)隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)而老化，伴隨著材料老化保冷性能會(huì)有一定程度的下降[3，4]。

2 失效現(xiàn)象

某公司部分低溫管線采用柔性保冷，管道的操作溫度為-155 ℃?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，內(nèi)層采用耐低溫性能較好的二烯烴彈性體發(fā)泡制品(LTD，簡(jiǎn)稱藍(lán)料)，可耐最低溫度為-200 ℃，外層采用造價(jià)較低的丁腈橡膠發(fā)泡制品(LT，簡(jiǎn)稱黑料)，可耐最低溫度為-50 ℃。丁腈橡膠發(fā)泡制品外層采用鍍鋅鐵皮保護(hù)。保冷材料的物理特性如表1所示。

表1 柔性保冷材料性能參數(shù)

經(jīng)過一段時(shí)間服役以后，發(fā)現(xiàn)大部分低溫管線的保冷效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求，但是個(gè)別異形部位如閥門等出現(xiàn)局部漏冷現(xiàn)象。本研究涉及的研究對(duì)象為一個(gè)頂裝式全通徑不銹鋼球閥，球閥與管道對(duì)焊連接，加長(zhǎng)閥桿手輪操作，球閥公稱直徑為DN50。為了方便維修，在閥體頂部設(shè)置了一個(gè)維修法蘭，球體通過頂部維修法蘭裝入閥腔。

將閥體金屬保護(hù)層打開后發(fā)現(xiàn)黑料表面出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象(圖1)，冰的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2.2 W/(m·℃)，是柔性保冷材料的70倍，可以認(rèn)為一旦結(jié)冰，保冷就接近失效。使用FLUKE福祿克Ti32紅外熱像儀對(duì)閥體表面進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖2所示，圖中閥體下半部分溫度在-3.8～0 ℃之間，低于水的冰點(diǎn)，閥體上半部分溫度較高，最高處為8 ℃。紅外成像的溫度分布情況與圖1基本吻合。

圖1 保冷外層結(jié)冰

將保冷層依次挖開，直至露出閥體表面，如圖3所示，沒有發(fā)現(xiàn)保冷層內(nèi)部結(jié)冰現(xiàn)象，冰塊主要存在于最外層，是由大氣中的水分冷凝而成。

為了保證生產(chǎn)的安全和工藝操作條件，需要對(duì)保冷結(jié)冰的原因進(jìn)行分析，因此對(duì)此閥門進(jìn)行了傳熱模擬計(jì)算。

圖2 紅外成像結(jié)果

圖3 保冷層開挖現(xiàn)場(chǎng)

3 傳熱分析

采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行傳熱分析。由于管道介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度保持一定，可以視為穩(wěn)態(tài)傳熱的過程，采用穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模塊進(jìn)行模擬[5]。

典型的三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程如式(1)所示。

(1)

式中：x，y，z——分別為笛卡爾坐標(biāo)x，y，z方向的坐標(biāo)分量；

λx，λy，λz——分別為x，y，z方向的熱導(dǎo)率；

ρ——材料的密度；

Q——物體內(nèi)部的熱源密度。

由于閥門外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在較多的曲面和凸起，采用先在三維繪圖軟件NX中繪制閥門的三維幾何模型，然后導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行分析的方法。閥體尺寸和閥體外側(cè)保冷層的厚度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)入后的傳熱有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元傳熱模型

假設(shè)保冷層與閥體之間、保冷層與閥桿之間均為緊密接觸，沒有間隙存在。保冷層與閥體之間、保冷層與閥桿之間的傳熱系數(shù)為0.95。閥門內(nèi)部介質(zhì)的操作溫度為-155 ℃，介質(zhì)與閥體、介質(zhì)與管道之間的對(duì)流換熱系數(shù)取0.33 W/(m2·℃)。不考慮金屬保護(hù)殼對(duì)傳熱效果的影響，假設(shè)保冷層外壁為流動(dòng)的空氣，空氣溫度取測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度，即10℃，空氣與保冷層外壁之間的對(duì)流換熱系數(shù)取0.014 7 W/(m2·℃)。閥體和閥桿的導(dǎo)熱系數(shù)取36 W/(m·℃)，閥體和閥桿的密度取7.75×103kg/m3，閥體和閥桿的比熱容取0.502×103J/(kg·℃)，保冷層的導(dǎo)熱系數(shù)取黑料和藍(lán)料的最大值0.033 W/(m·℃)，保冷層的密度取黑料和藍(lán)料的平均值60 kg/m3。

有限元單元采用SOLID90三維二十節(jié)點(diǎn)傳熱實(shí)體單元，以保證計(jì)算精度。由于閥門和保冷層的幾何形狀比較復(fù)雜，采用金字塔型自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法以提高計(jì)算精度，模型共劃分101 16個(gè)單元，143 382個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中閥體部分劃分4 165個(gè)單元，65 421個(gè)節(jié)點(diǎn)。

保冷層的平均導(dǎo)熱系數(shù)取0.033 W/(m·℃)，閥體保冷層外表面的溫度分布如圖5所示。從圖中可以看到，外表面的最低溫度為4.1 ℃，并未達(dá)到結(jié)冰溫度，與圖2現(xiàn)場(chǎng)紅外成像測(cè)試的結(jié)果不符合。由于管內(nèi)介質(zhì)和管外環(huán)境溫度是確定的，保溫層的厚度是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，偏差較小，因此推斷保冷層中可能存在空隙或者材料收縮老化，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)與理論值發(fā)生偏離。為進(jìn)一步確定實(shí)際保冷層實(shí)際的導(dǎo)熱系數(shù)，嘗試在有限元模型中增大保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)增大到0.05 W/(m·℃)時(shí)，閥體保冷層外表面的溫度分布如圖6所示，閥門保冷層外表面的最低溫度為-2.2 ℃，閥桿處的最高溫度為6.9 ℃，溫度最低處位于水平段和豎直段的交接處，與現(xiàn)場(chǎng)紅外成像測(cè)試的結(jié)果比較接近。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)為0.033 W/(m·℃)時(shí)的溫度分布

圖6 導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W/(m·℃)時(shí)的溫度分布

閥體表面的溫度分布如圖7所示，從圖中可以看到閥體與管道的溫度接近介質(zhì)溫度-155 ℃，維修法蘭處和閥桿連接處的溫度較高，溫度的最高值為-149 ℃。

圖7 閥體表面的溫度分布

閥體表面的熱通量如圖8所示，從圖中可以看到閥桿處的熱通量最大，說明此閥桿處的熱量傳遞最明顯，除此以外，在維修法蘭的邊緣處也存在比較明顯的熱量傳遞。

圖8 閥體的熱通量分布

4 結(jié)冰原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及數(shù)值模擬進(jìn)行分析，該部位產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象需要3個(gè)誘因：一是產(chǎn)生冰的空間，二是冰的來源，三是足夠低的溫度。

a) 經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，雖然該位置的金屬保護(hù)層并未發(fā)生嚴(yán)重破損，但隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)了金屬保護(hù)層脫垂的現(xiàn)象。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因一方面是由于柔性保冷材料的老化和收縮導(dǎo)致，另一方面則是由于金屬保護(hù)層的自重使柔性保冷材料產(chǎn)生了變形，兩個(gè)因素疊加，導(dǎo)致在柔性保護(hù)層與金屬保護(hù)層之間出現(xiàn)了“空洞”，進(jìn)而為結(jié)冰創(chuàng)造了空間。

b) 該公司地處我國(guó)沿海某市，空氣濕度較大，這一情況在夏季尤為明顯，由于金屬保護(hù)層脫垂，其中的空間被潮濕的空氣所占據(jù)，這一空間的溫度遠(yuǎn)低于大氣溫度，空氣受冷凝結(jié)出水，由于金屬保護(hù)層并未破損，水會(huì)一直存在于這個(gè)空間，當(dāng)保冷有效工作時(shí)，柔性保護(hù)層的表面溫度將高于0 ℃，傳熱分析也證實(shí)了這一點(diǎn)，其中的水不會(huì)發(fā)生相變，然而一旦溫度降至0 ℃以下，則凝結(jié)的水就會(huì)開始轉(zhuǎn)變?yōu)楸?/p>

c) 由于柔性保冷材料的包裹性較好，不需要像硬質(zhì)保冷材料一樣做成“盒子”的形狀，從傳熱分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于“包裹”得太貼合，水平段和豎直段的相貫線處(圖6)存在一個(gè)明顯的低溫區(qū)域。同時(shí)，從傳熱分析的結(jié)果來看，當(dāng)采用新材料的理論傳熱系數(shù)時(shí)，閥門表面溫度高于0 ℃，但是隨著使用年限的增長(zhǎng)，發(fā)泡體發(fā)生老化和收縮，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)上升，出現(xiàn)閥門表面溫度低于0℃的情況，這也與現(xiàn)場(chǎng)使用幾年以后才出現(xiàn)結(jié)冰的情況相符。另一方面，本文中的DN50低溫球閥采用全通徑結(jié)構(gòu)，閥體體積遠(yuǎn)大于DN50的管道。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的閥體保冷厚度來看，閥體的內(nèi)層藍(lán)料的厚度為50 mm，外層黑料的厚度為75 mm，總厚度為125 mm。查閱資料[6]發(fā)現(xiàn)此種規(guī)格為DN50的直管采用，由于全通徑的閥體已經(jīng)明顯大于DN50管道的尺寸，如果使用DN50的保冷厚度，在閥體部分可能存在保冷層厚度不足的情況。這一情況導(dǎo)致了球閥的部分區(qū)域由于保冷材料覆蓋不足出現(xiàn)了漏冷。

5 建議

綜合上述分析，對(duì)柔性保冷施工過程中遇到閥門等異形結(jié)構(gòu)做出如下建議。

a) 根據(jù)異形件的實(shí)際尺寸大小，選用比原直管段更厚一些的保冷厚度，避免出現(xiàn)直徑增大保冷厚度不足的情況。

b) 彈性發(fā)泡體柔性較好，包裹性好，無需做成“盒子”形狀，應(yīng)當(dāng)注意在施工過程中避免出現(xiàn)圖6中明顯的相貫線，可以在此處填充碎塊，使其過渡平緩。

c) 選用金屬外保護(hù)層時(shí)，應(yīng)在滿足需求的條件下優(yōu)先考慮自重較輕的材料，并在易脫垂部位增加支撐，避免產(chǎn)生明顯的脫垂。