架空热油管道保温层厚度计算

于丽丽，王为民，张纯静，杜义朋，常艳兵

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

架空热油管道保温层厚度计算

于丽丽，王为民，张纯静，杜义朋，常艳兵

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

建立了管道保温计算的数学模型，通过具体实例，用计算机编程得出大量数据，通过origin8.0软件绘出保温层厚度分别与保温效率、管道总传热系数、保温层表面温度和沿程温降的关系图，不仅直观地体现了保温层厚度对管道传热的影响以及变化趋势，还可以从图中查出任意厚度下的保温情况，为求解热油管道保温层厚度提供一种新方法。

热油管道；保温层；保温效率

当输送凝点高于环境温度的易凝高粘油品时，工程上最常用的方法是加热降粘输送，为了减少热油管道的热损失，维持油温在凝点以上，对管路适当保温是相当必要的。目前工程上所用的经济保温厚度的计算存在不足，只考虑了满足经济上的条件，但不一定满足温降条件，也不能反应保温效率，本文通过曲线图直观地分析保温效率与保温层厚度的关系，可以根据不同输送要求从图中选择合理的保温层厚度，如果经济厚度在此范围内，就以经济厚度为标准。

1 数学模型的建立

1.1 保温效率

1.2 管道传热系数的求解

管道架空总传热系数的影响因素有很多，如管内外温差，管径，架空高度，保温层的厚度、导热系数、接口缝隙大小、含湿率等，其中保温层厚度是最主要的影响因素。这里只考虑理论计算的影响，紊流情况下内部放热系数通常大于100 W /(m2•℃) ，是层流内的数十倍，层流时a1必须计入；钢管壁的导热系数是保

h=(q-qb)q= (kwD-kbDb) (kwD)（1）式中：q、D、kw—无保温层单位管长的散热量，W/m；管外径，m；总传热系数， W /(m2•℃);

qb、Db、kb有保温层单位管长的散热量，W/m；管外径，m；及其总传热系数 W /(m2•℃)。温层的导热系数近1 000倍，热阻较小，可以忽略不计；凝油与结蜡层的导热系数比较小，它们对热阻的影响较大，管道结蜡有利于保温；外部放热包括对流和辐射，主要与环境温度、风速有关，保温层外有保护层，保护层应由不同材料保温层而定。

表1 架空热油管路总传热系数参数求解表Table 1 Analytical formulas of parameters of the total heat transfer coefficient of overhead hot oil pipeline

公式（2）适用于稳定传热条件，沿程管道的传热系数是随时间和管长变化的，工程上通常采用反算法计算同类地区已正常运行的热油管道的k值，在设计计算时，通常参照稳定条件下的k值，再适当加大作为新设计管道的总传热系数。

1.3 最经济保温层厚度

综合考虑保温投资费用和每年管路的热能消耗费用，使总费用最小，公式[3]如下：

2 约束条件

2.1 保温层表面温度

工程上，管内输送流体温度很高时，为了减少热损失和保证工作人员安全，限定保温层表面厚度一般不应超过50 ℃[4]，根据管道各层散热量守恒得出如式（4）。

式中：tm指保温层表面温度,℃。

2.2 沿程温降

沿程温降不能低于油品最低输送温度要求，温降公式[1]如式（5）。

3 计算机编程求解及绘图

利用数学模型设计程序代码，基本设计方法如下，程序1：(1) 输入基本参数及基本函数，先设保温层厚度为 0 mm；(2)求解各项热阻；(3)求解总传热系数；(4)校核钢管壁温；(5)输出总传热系数，保温效率，保温层壁面温度，经济保温厚度；(6)保温层厚度增加 1 mm，回到第(2)步，当保温效率达到95%时停止循环。程序 2：输入基本参数和基本函数，计算水力坡降[5]，用程序 1计算总传热系数的结果带入公式（5）中，使用循环语句计算每增加1 km管路不同保温效率的温降，输出数据。对上述数据保留三位小数，用origin8.0绘出曲线。

4 计算及分析

算例：某条管道输送某种原油，管径为 D720×15，输量2×107t/a，50 ℃油品运动粘度80 m2/s，20 ℃密度870 k g/m3，起点油温65 ℃，油品凝点为30 ℃，比热容为2 k J/(kg• ℃ ) ，70 km管长，环境温度为12 ℃，风速取3 m/s，无凝油和结蜡，沥青涂层厚度6 mm，沥青导热系数取0.15 W /(m •℃ ) ，钢管导热系数48 W /(m •℃ ) ，管道年运行时间8 000 h，计息年数10 a，保温层材料（聚氨酯硬质泡沫塑料导热系数 取0.026 W /(m •℃ ) ）单价1 600 元 /m3，热能价格29元/1 06kJ，设沿程水力坡降（经编程计算得i=0.004 37）、总传热系数为定值。计算经济保温层厚度及其对应的传热系数、保温效率和沿程温降。

图 1反应的是聚氨酯硬质泡沫塑料的传热系数、保温效率、保温层便面温度分别与保温层厚度的关系，曲线严格按每1 mm取计算一次的所得的数据绘制而来，为了保证精度，计算数据保留了三位有效数字。图中管道总传热系数（A）可取到 2位小数，保温效率（B）和保温层表面温度（C）读取到1位小数。图2分析了聚氨酯硬质泡沫塑料不同保温效率下管道的沿程温降，效率越高，温降越小，由于曲线密集，没有列出所有保温效率的曲线，可以采用差值求出，保留1位小数。

图1聚氨酯硬质泡沫塑料的温效图Fig. 1 Insulating efficiency of polyurethane rigid foam

图2 聚氨酯硬质泡沫塑料沿程温降与保温效率的关系Fig.2 Relationship between temperature decrease along the pipeline and insulating efficiency of polyurethane rigid foam

当保温效率达到 80%时所对应的保温层厚度24 mm，传热系数为1.81 W /(m2•℃) ，保温层表面温度为19.5 ℃。终点油温56.1 ℃，亦满足输送要求。经济保温层厚度在保证运输的条件下，考虑了保温层费用和热能费用的关系，但这种方法只考虑了经济费用，不一定都满足温降要求，为了解决这一问题，保温效率图还应该参照温降曲线图。图2中，无保温层的管道温降很快，70 km的管程终点温度（查图得29.2 ℃）低于油品凝点，管路必须保温，保温材料的保温效果显而易见。对于具体问题可以在满足输送要求的基础上适当选择保温效率，从而确定保温层的厚度，然后考虑经济厚度，本算例推荐使用经济保温层厚度。

图3比较了几种材料的保温效率：聚氨酯硬质泡沫塑料取0.026 W/(m •℃ )；玻璃棉毡取0.041 W /(m• ℃ ) ；矿渣棉毡取 0.060 W /(m •℃ )；石棉硅藻土取 0.081 W /(m• ℃ ) ；水泥泡沫混凝土l5取 0.100 W/(m• ℃ ) 。 保 温 层 导 热 系 数 减 少0.02 W /(m •℃ ) ，60 mm经济厚度下保温效率提高约4%，随着保温层厚度的增加，保温效率随之增加，保温效率在80%左右，增加趋势明显减缓，不同的材料应选择相应的最佳保温效率，如果效率过低即使达到了保温效果，也没有充分发挥出材料的性能，效率过高，会浪费保温材料。

图3 几种材料的保温层厚度与保温效率的关系Fig.3 Relationship between insulating layer thickness and insulating efficiency for some kinds of material

［1］杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营：中国石油大学出版社,2006：33-97.

［2］杨世铭，陶文栓.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998：424.

［3］郭光臣，董文兰，张志廉.油库设计与管理[M]. 东营：中国石油大学出版社, 1994：214-220.

［4］国家标准局.GB-8175-2008 设备及管道绝热设计导则[S]. 2008-6.

［5］马贵阳.工程流体力学[M].北京：石油工业出版社，2009：140-145.

Calculation of Thermal Insulating Layer Thickness of Overhead Hot Oil Pipelines

YU Li-li,WANG Wei-min,ZHANG Chun-jing,DU Yi-peng,CHANG Yan-bing
（Academy of Petrol and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The mathematical model of thermal insulating calculation of pipelines was established. Through a certain example, large amounts of data were achieved by the computer programming. It was drawn that the relational graph of insulating layer thickness respectively with the insulation efficiency, the total heat transfer coefficient of the pipeline,surface temperature of thermal insulation layer by origin8.0 software, and the relational graph between different insulation efficiency and temperature decrease along the pipeline was also drawn. These graphs not only can show effect of insulating layer thickness on heat transfer coefficient of the pipeline as well as change trend, but also can trace heat preservation condition under different insulating layer thicknesses, which may provide a new method to calculate the insulation layer thickness of hot oil pipelines.

Hot oil pipeline；Thermal insulating layer；Insulating efficiency

TQ 015

A

1671-0460（2012）01-0103-03

2011-00-00

于丽丽（1987-），女，黑龙江绥化人，在读研究生，2010年毕业于东北石油大学油气储运专业，研究方向：油气储运。E-mail：yulili95@163.com。