在化工廠管道設計中，管道的保溫和伴熱雖然常見，但管道的防凍保溫設計卻容易忽略，特別是在我國北方的寒冷和嚴寒地區，管道的防凍保溫設計更是馬虎不得。在惡劣的氣候條件下，曾出現蒸汽管支管凍裂的情況，因此北方地區的管道配管有其特殊的要求，不能按普通的要求設計。目前國內實行的設計標準中尚無乙個系統完善的裝置、管道防凝、防凍準則，設計人員通常依據自身的現場經驗和沿用的習慣做法進行設計。
1 工藝管道內介質凍結機理
當介質在管道內流動時，由於散熱損失的存在，介質的溫度沿流程逐漸降低。在有限的管道長度內，在一般的散熱損失情況下，通常介質溫度不至於降低到介質的凝固點或冰點；但當管內介質停止流動時，由於介質得不到熱量的補充，溫度就有可能降至凝固點或冰點，甚至更低，從而發生凍結，輕則堵塞管道，重則導致管道破裂。通常在管內介質凍結時，首先是緊靠管內壁的介質開始凍結，圓形管道中凍結的介質沿管壁呈環狀，然後逐漸增加凍結層厚度，直至凍結到管中心而堵塞管道。
由上述介質凍結過程分析可知，管內介質凍結是乙個不穩定的傳熱過程。由於不穩定傳熱過程的計算比較複雜，因此，在工程上一般採用簡化方法，即按照穩定傳熱的熱平衡方法計算防止凍結的保溫層厚度，並適當考慮安全因素。
2 工藝管道防凍保溫設計方法
2.1 工藝管道的防凍
在寒冷或嚴寒地區，對於介質內含水的裝置和管道，如果是連續操作且管道長而集中，則採用保溫、伴熱的方式防凍，亦或採用設定排液、吹掃或輔助管道的方式防凍。從工藝介質角度來說，有下列情況之一的管道必需進行防凍設計：①氣體冷凝時會產生腐蝕性的介質；②氣體含有水分，同時在壓力下降時有可能生成冷凝水或結冰的介質。
保溫是為了減少裝置管道及其附件向周圍環境散熱而在其外表面採取的包覆措施。管道的防凍方式一般有保溫和伴熱2種。為了防止管道或裝置被凍壞，必須根據介質間斷的時間計算出保溫層的厚度，以防止或延長凍結時間。
加熱保溫是化工物料輸送管道常用的一種保溫形式。加熱保溫是將輸送管道向環境中的散熱量用加熱的辦法加以補償，使輸送管道中物料溫度保持不變或不凍結。有實驗表明，對於管徑小於dn40 mm的管道，即使外加保溫層，在夜間低流速工況下如果沒有熱源伴暖，壁溫通常會在3 h內從12℃降至0℃，這是十分危險的。
管道內物料向周圍空氣的散熱量應由伴熱管來補充。加熱保溫常見的形式有蒸汽伴熱管、熱水伴熱管和電加熱帶3種。管道蒸汽伴熱的設計選用可參照文獻［1］。
2.2 保溫計算的原則
保溫設計應符合減少散熱損失、節約能源、滿足工藝要求、保持生產能力、提高經濟效益、改善工作環境等基本原則。由於國家標準gb 8175－87《裝置及管道保溫設計導則》與gb 50264－97《工業裝置及管道絕熱工程設計規範》的考慮方法不同，故匯出2種計算公式。gb 8175－87專指介質停止流動時的管道，在計算中取介質在管內允許形成的凍結層截面積為管道總截面積的1／4左右，管徑大時可取大於1／4的數值，管徑較小時可取小於1／4的數值。
對於小管徑的管道，由於其單位容積的散熱面積較大，發生凍結的危險較大，因而在計算中要特別注意加大安全係數。gb 50264－97考慮到不少物料在溫度接近凝固點時，黏度及流體阻力急劇增加，當貼管壁的物料凝固後還會引起安全閥、止回閥及儀表管件不能正常工作，故公式中未計入貼附在管壁上物料凝固時放出的熱量。
2.3 保溫層厚度的計算和確定
(1)管道和圓筒形裝置外徑大於1020mm時，可按平面計算保溫層厚度(經大量核算，按圓筒面計算與按平面汁算，其結果基本一致)，其餘均按圓筒面計算保溫層厚度。計算公式和有關引數可在gb 8175－87和gb 50264－97中查詢。
(2)為了減少保溫結構散熱損失的保溫層厚度，應按「經濟厚度」的方法進行計算，並且其散熱損失不得超過gb4272－92《裝置及管道保溫技術通則》規定的數值。
(3)裝置及管道內介質在允許或指定溫度降條件下輸送時，保溫層厚度按熟平衡方法計算。
(4)為延遲管道內介質凍結、凝固的保溫層厚度按熱平衡方法計算。延遲管道內介質凍結、凝固、結晶的保溫厚度計算，應使絕熱層厚度滿足如下恒等式要求：
式中，δ為絕熱層厚度，m；d1為管道外徑，m；d0為內層絕熱層外徑，當為單層時即為絕熱層外徑，m；kr為管件及管道支吊架附加熱損失係數，kr＝1.1～1.2(大管徑取值應靠下限，反之應靠上限)；λ為絕熱材料在平均溫度下的導熱係數，w／(m2·℃)。
λ的取值應符合下列規定：導熱係數應取絕熱材料在平均設計溫度下的導熱係數，對軟質材料應取安裝密度下的導熱係數。t0為管道的外表面溫度，℃；tfr為介質凝固點，℃；ta為環境溫度，℃，室外管道應取冬季極端平均最低溫度。
tfr為介質在管道內不出現凍結的停留時間，h；αs為冬季最多風向平均風速下的放熱係數，按公式計算。式中，w為年平均風速，m／s，當無風速值時可取為11.63［w／(m2·℃)］；在防凍計算中，風速取冬季最多風向平均風速；v和vp為介質體積和管壁體積，m3；ρ和ρp為介質密度和管壁密度，kg／m3；c和cp分別為介質熱容和管壁熱容，j／(kg·℃)。
相關引數可在gb 50264－97附錄中查詢。
2.4 保溫材料的選擇原則
(1)保溫材料製品的允許使用溫度應高於正常操作時介質的最高溫度。
(2)相同溫度範圍內有不同材料可供選擇時，應選用導熱係數小、密度小、造價低、易於施工的材料製品，其經濟效益高者應優先選用。
(3)在高溫條件下保溫材料可選用複合材料。
3 防凍保溫管道的布置要求和防凍措施
在寒冷地區，所有易凍管道，如迴圈水管道、新鮮水管道、間斷性用水管道、間斷性用蒸汽管道、冷凝液管道、沖洗水管道及地漏排汙管等，均要按照防凍要求配管，壓縮機、水幫浦、安全閥、洩壓閥、公用工程管道也有其特殊防凍措施，處理方法如下。
3.1 埋地水管道
工業用水管道一般直徑較大，且在寒冷地區需考慮防凍，故多採用埋地敷設的方法。直徑較大的管道一旦發生結冰只是在管道內壁結1圈冰，雖然不會堵塞管道，但其流量會受到限制，考慮到埋地管道不易清理，通常將其埋至冰凍線以下，以保證管道內介質不會結冰。3.
2 冰凍線以上的水管道
3.2.1 布置要求
(1)在寒冷地區埋地敷設的水管道引出地面時，應根據工藝要求，在冷卻水出入口總管上設定切斷閥、防凍排水閥和長流水等措施。寒冷地區冰凍線以上水管的防凍管道安裝形式見圖1～圖4。其中，迴圈水時可採用圖1所示防凍措施；新鮮水附近無回水管道可採用圖2或圖3所示防凍措施；最冷月平均氣溫等於或低於0℃地區的迴圈水、新鮮水等管道可採用圖4所示防凍措施(斷流時間過長時需伴熱)。
(2)寒冷地區的管殼式冷卻器或其他冷卻裝置，其進出口管道閥門處應設定防凍排液閥和防凍迴圈旁通管，以便在停工或檢修時，將裝置和管內的存水排淨，以避免凍裂裝置。防凍迴圈旁通管和防凍排液閥應盡量靠近閥門，而且也需保溫防凍。
(3)任何介質的管線，在任何場所都不應有「盲腸」管段，以避免管內介質凍結、凝固、區域性腐蝕及吹掃不淨等。寒冷地區架空敷設的水管道應避免死端、盲腸、袋狀管段，可以將有易凍管道的盲端改至最短，或將盲腸管段改造為假管支撐，見圖5。對難以避免的袋狀管段應考慮設定低點排液閥。
3.2.2 防凍措施
(1)為防止室外地上管道不使用時發生管道凍裂，應設定排水閥。平時沒有水流動的管道，如孔板流量計的儀表管，應設定蒸汽伴熱管，以防凍結。
(2)在裝置執行時有可能暫時停車的裝置，其冷卻水管道的切斷閥採用閥門保溫箱或對閥門伴熱的方法防凍。
(3)安裝在垂直管道上的切斷閥或止回閥的出口排放閥應盡量靠近切斷閥或止回閥，若有可能可在閥體上排放。
(4)幫浦或壓縮機的冷卻水排放管道應設定成坡向管道，並將其沿坡向接至回水或下水管道。
3.3 壓縮機入口管道
壓縮機入口管道的防凍多採用熱水或蒸汽伴熱以及外敷保溫層的方法。當然，伴熱保溫也是相對的，其熱量是否滿足要求還需考察其他因素。如果環境溫度太低，可將壓縮機放置在壓縮機房內，採取統一供暖的方式。
這時的壓縮機入口管道可以不防凍，但暴露在室外的入門管道仍需保溫防凍。
3.4 水幫浦
水幫浦的防凍常採用在幫浦的進、出口管道設定旁通管道的方式。為防止備用幫浦內介質凍結凝固，可採用配置設有限流孔板的防凍迴圈管道，使流體從備用幫浦的防凍迴圈管道經幫浦體返回入口管。一般防凍迴圈管道設定在幫浦出口切斷閥前與幫浦出口之間，限流孔板須經過核算，防凍管線仍需保溫。
水幫浦防凍管道的安裝形式見圖6。
圖6中啟用幫浦的出口端(c和b)壓力應大於入口端(a)的壓力，備用幫浦的出口端(d)壓力小於b點的壓力。由於止回閥的存在，使得止回閥上段至b點處有積液，因此設定了旁通線，使積液從b端通過旁通線流經幫浦返回a點，以此達到防凍的目的。
3.5 安全閥、洩壓閥
所有易凍介質或安全閥蒸汽放空、蒸汽放空閥放空後易產生冷凝液(無害)介質，應在靠近安全閥出口管底部處開設φ8 mm淚孔，以防止安全閥出口結冰引起憋壓**。若洩壓閥排放至密閉系統，並且在最低環境溫度下洩放總管中的氣體有可能冷凝時，應在洩壓閥的排出口凝液可能有積聚的部分伴熱。配管應從洩壓閥出口坡向洩壓總管，絕對避免出現「袋形」，否則氣體凝液將凍結在洩壓閥出口管道內而引起阻寒，從而導致洩壓不暢，發生事故。
3.6 公用工程物料管道
公用工程物料管道的防凍一般只是防止凝液的積聚，在工業裝置中不僅要採取保溫的方式防凍，還要在適當的位置設定排放閥或疏水閥等，以便及時將產生的凝液排放掉。
3.6.1 蒸汽管道
(1)過熱蒸汽管道上的低點應設定排放閥，閥的位置應靠近蒸汽主管。
(2)飽和蒸汽管道上有可能積聚冷凝水的低點或末端需設定疏水閥。如果蒸汽分配集合管和冷凝液集合管在靠近主管的地方，則應設定切斷閥或止回閥，且閥門要水平設定。蒸汽伴熱的每根支管末端應設定分液包和疏水閥，在蒸汽可能積聚凝液的低點要設定排放閥，以便在系統停止供氣時，凝液能及時匯出，避免凍結在管道內。
(3)蒸汽伴管在回冷凝液收集站時應儘量減少液袋(蒸汽伴管液袋是蒸汽伴管結凍的主要原因)，在不可避免的伴管液袋中，液袋高度按規範不能超4m。1個伴管最多只能有1個液袋，不能按規範可允許幾個液袋同時存在。
3.6.2 消防管
(1)裝置的安全噴淋系統應在供水閥下游側設定排放閥，當系統停止供水時應能排淨，管道內不得留存液體，以免在冬季將管道凍裂。
(2)事故淋浴洗眼設施應盡量設在室內，如果必須設在室外時，應靠近建築物的牆邊安裝，供水管道及其閥門應安裝在建築物內。
3.6.3 空氣系統管道
裝置內空氣系統(工廠空氣和儀表空氣)是管道防凍保溫容易忽略的地方，因為工廠空氣和儀表空氣介質中含有少量水蒸氣。防凍處理方法是在緩衝罐底部管口導淋閥後增加疏水閥或在緩衝罐底部增加伴熱，在空氣經過過濾器、分離器時，其中的水蒸氣就會凝結積留在裝置底部。緩衝罐需設定排放閥以排除凝液。
在空氣系統管道的低點有可能積聚冷凝水的地方也應設定排放閥。
3.7 放空和導淋
在通常的設計中，放空閥和導淋閥前短管按規範其長度為75～100 mm，根據筆者在神華煤氣化工程現場和其他北方工程現場經驗證明，放空閥和導淋閥前短管長度在75～100 mm時經常出現凍結現象，應採用小於50 mm的短管為宜，且焊接時必須採用有效的冷卻措施。
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