直埋蒸汽管道保温结构计算

孙枫然， 王卓胤

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司第六设计研究院,天津300381)

1 概述

近年来直埋蒸汽管道敷设在供热工程中得到了越来越多的应用，随着供热规模的发展，对直埋蒸汽管道的造价控制、减少散热损失也提出了严格要求。直埋蒸汽管道保温结构直接关系到温度降、散热损失以及工程造价等。本文将对多个直埋蒸汽管道保温方案进行经济技术比较。

2 保温材料特性

目前国内直埋蒸汽管道保温材料主要有以下几种：传统保温材料微孔硅酸钙、超细离心玻璃棉毡和新型保温材料气凝胶绝热毡等。3种保温材料性能对比见表1[1-3]。

表1 3种保温材料性能对比

续表1

3 保温方案

本文以北方某电厂室外直埋蒸汽管道为例进行讨论。工作钢管外直径为820 mm，蒸汽温度为300 ℃。本工程直埋蒸汽管道的保温结构[4]有以下3种方案：

方案1：气凝胶绝热毡+超细离心玻璃棉毡+空气层复合保温结构；

方案2： 超细离心玻璃棉毡+空气层复合保温结构；

方案3：微孔硅酸钙+聚氨酯复合保温结构。

方案1为外滑动型式，此种保温结构形式设计思路来自于热力管沟，在外护管内设置支架，使工作钢管及其相应的保温材料与外护管之间产生滑动(即外滑动)，形成“钢管沟”的构造。这种保温结构形式的特点是：工作钢管与保温材料之间紧密接触，工作钢管通过支架支撑在外护管内，使支架在外护管内部产生滑动。保温结构中20 mm的空气层，既起到保温作用，又是排潮的良好通道。

方案2也是外滑动型式，只是将方案1中气凝胶绝热毡+超细离心玻璃棉毡复合保温结构变为单层的超细离心玻璃棉毡。与方案1相比，由于超细离心玻璃棉毡热导率大于气凝胶绝热毡，因此，保温层厚度与外护管外直径比方案1增大。

方案3为内滑动型式，该种结构形式设计思路来自于热水预制保温管，一般在工作钢管外表面与保温结构内层之间有厚度为5 mm的减阻层，与工作钢管牢固地连成一体，其材质为耐高温的硅酸铝毡，保温结构内层为耐温较高的微孔硅酸钙，外层为聚氨酯。这种保温结构形式的特点是：工作钢管与内层微孔硅酸钙之间产生滑动(即内滑动)，微孔硅酸钙与外护管之间采用聚氨酯材料将其粘结为一体。此种结构型式的缺点在于：微孔硅酸钙要承受工作钢管的荷重。

4 保温层厚度计算及经济技术比较

保温层厚度及外护管规格的计算方法执行CJJ/T 104—2014《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》(以下简称CJJ/T 104—2014)。根据CJJ/T 104—2014第6.1.5条的规定，在计算保温层厚度的过程中，应控制外护管外表面温度不大于50 ℃。同时根据GB/T 8174—2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》(以下简称GB/T 8174—2008)第9.1.4条，常年运行的直埋蒸汽管道外表面温度≤50 ℃时，允许最大单位面积散热损失为52 W/m2。

本文计算以方案1为例，方案2和方案3的计算方法同方案1，计算过程不再详细列出。

4.1 保温材料热导率计算及选取

① 超细离心玻璃棉毡

超细离心玻璃棉毡热导率根据文献[5]的计算公式进行计算：

λa=0.041+0.000 17(ta-70)

(1)

式中λa——超细离心玻璃棉毡的热导率，W/(m·K)

ta——超细离心玻璃棉毡层的平均温度(取超细离心玻璃棉毡层内外表面的算术平均温度)，℃

② 微孔硅酸钙

微孔硅酸钙热导率根据文献[5]的计算公式进行计算：

λb=0.062+0.000 11(tb-70)

(2)

式中λb——微孔硅酸钙的热导率，W/(m·K)

tb——微孔硅酸钙层的平均温度(取微孔硅酸钙层内外表面的算术平均温度)，℃

③ 气凝胶绝热毡

根据厂家提供的产品样本的数据，气凝胶绝热毡热导率计算公式为：

λc=0.017 5·

(3)

式中λc——气凝胶绝热毡的热导率，W/(m·K)

tc——气凝胶绝热毡层的平均温度(取气凝胶绝热毡层内外表面的算术平均温度)，℃

④ 聚氨酯

根据GB/T 29047—2012《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》第5.4.8条，聚氨酯的热导率λd取0.033 W/(m·K)。

⑤ 空气层

空气层等效热导率λair参照文献[5],取0.024 W/(m·K)。

4.2 单位长度初算散热损失计算

单位长度初算散热损失根据CJJ/T 104—2014第6.4.1条的公式(6.4.1-3)进行计算：

(4)

式中qcs——单位长度初算散热损失，W/m

tws——外护管外表面初设温度，℃,按设计要求取值，取50 ℃

ten——直埋蒸汽管道周边土壤环境温度，℃，取10 ℃

λen——土壤热导率，W/(m·K)，取1.2 W/(m·K)

h——直埋蒸汽管道中心埋深，m，取1.5 m

Dws——根据经验初设的最外层保温层的外直径，m，对于方案1，最外层保温层为空气层

4.3 保温层厚度计算

① 第1层

对于方案1，第1层保温材料为气凝胶绝热毡，其厚度根据CJJ/T 104—2014第6.4.1条的公式(6.4.1-4)、(6.4.1-5)进行计算：

(5)

(6)

式中D1——第1层保温材料的外直径，m

D0——工作钢管外直径，m

λ1——第1层保温材料在运行温度下的热导率，W/(m·K)

t0——工作钢管外表面温度，℃，按蒸汽温度取值，取300 ℃

t1，s——第1层保温材料外表面设定温度，℃，按设计要求取值，取216 ℃

δ1——第1层保温层厚度，m

对于λ1，按公式(3)计算，公式(3)中，tc按公式(7)计算。

(7)

由于气凝胶绝热毡价格较高，本方案气凝胶绝热毡层厚度选取为0.03 m。

② 第2层

对于方案1，第2层保温材料为超细离心玻璃棉毡，其厚度根据CJJ/T 104—2014第6.4.1条的公式(6.4.1-6)、(6.4.1-7)进行计算：

(8)

(9)

式中D2——第2层保温材料的外直径，m

λ2——第2层保温材料在运行温度下的热导率，W/(m·K)

t2，s——第2层保温材料外表面设定温度，℃，按设计要求取值，取79 ℃

δ2——第2层保温材料厚度，m

对于λ2，按公式(1)计算，公式(1)中，ta按公式(10)计算。

(10)

③ 空气层

空气层外直径计算公式如下：

Dout=D2+2δair

(11)

式中Dout——空气层外直径，m

δair——空气层厚度，m，根据CJJ/T 104—2014第6.3.1条的规定，取0.02 m

④ 外护管外直径

外护管外直径计算公式为：

Dw=Dout+2δ3

(12)

式中Dw——外护管外直径，m

δ3——外护管壁厚，m，根据CJJ/T 104—2014第7.2.2条的规定，取0.012 m

4.4 热阻计算

① 空气层等效热阻

空气层等效热阻依据CJJ/T 104—2014的第6.4.1条的公式(6.4.1-8)进行计算：

(13)

式中Rair——空气层等效热阻，m·K/W

λair——空气层等效热导率，W/(m·K)

② 直埋蒸汽管道环境热阻

直埋蒸汽管道的周围环境为土壤，其热阻根据CJJ/T 104—2014第6.4.3条的公式(6.4.3-1)进行计算：

(14)

式中Ren——直埋蒸汽管道环境热阻， m·K/W

4.5 单位长度散热损失校核计算

单位长度校核散热损失根据CJJ/T 104—2014第6.4.3条的公式(6.4.3-1)进行计算：

(15)

式中qjh——单位长度校核散热损失，W/m

4.6 单位长度散热损失相对差值计算

单位长度散热损失相对差值计算公式如下：

(16)

式中δh——单位长度散热损失相对差值

4.7 保温层外表面校核温度计算

① 第1层

第1层保温材料外表面校核温度根据CJJ/T 104—2014第6.4.4条的公式(6.4.4-1)进行计算：

(17)

式中t1——第1层保温材料外表面校核温度，℃

② 第2层

第2层保温材料外表面校核温度根据CJJ/T 104—2014第6.4.4条的公式(6.4.4-1)进行计算：

(18)

式中t2——第2层保温材料外表面校核温度，℃

③ 外护管

外护管外表面校核温度根据CJJ/T 104—2014第6.4.4条的公式(6.4.4-2)进行计算：

(19)

式中tw——外护管外表面校核温度，℃

4.8 单位面积散热损失计算

直埋蒸汽管道单位面积散热损失计算公式如下：

(20)

式中qmj——单位面积散热损失，W/m2

4.9 计算过程

① 已知参数：D0=0.82 m，t0=300 ℃，ten=10 ℃，λen=1.1 W/(m·K)，λair=0.024 W/(m·K)，h=1.5 m。气凝胶绝热毡层厚度δ1=0.03 m，δair=0.02 m。

② 设定t1，s=230 ℃。将t0及设定的t1，s代入公式(7)，得到tc=265 ℃，将tc代入公式(3)，得到λ1=0.0232 W/(m·K)。

③ 设定t2，s=85 ℃。将设定的t1，s和t2，s代入公式(10)，得到ta=157.5 ℃，将ta代入公式(1)，得到λ2=0.056 W/(m·K)。

④ 根据经验初设最外层保温层外直径Dws=1.098 m, 设定tws=50 ℃。将Dws、tws、ten、λen和h代入公式(4)，得到单位长度初算散热损失qcs=162.7 W/m。

⑤ 将D0和δ1代入公式(6)，得到D1=0.88 m；取Dout=Dws=1.098 m，将Dout和δair代入公式(11)，得到D2=1.058 m。

⑥ 将D1、D2、Dout、λair、λen和h代入公式(12)～(15)，计算得到单位长度校核散热损失qjh= 193.2 W/m和Dw=1.12 m。

⑦ 根据CJJ/T 104—2014第6.4.1条的要求，单位长度散热损失相对差值的绝对值︱δh|≤5%，将qjh、qcs代入公式(16)进行计算，得︱δh|为18.7%，不满足要求，应重新设定Dws，代入公式(4)计算qcs。

⑧ 重新设定最外层保温层外直径Dws=1.196 m，返回步骤④～⑦重新计算，可得qcs=171.3 W/m，D2=1.156 m，Dw=1.22 m，qjh=168.6 W/m。将qjh、qcs进行比较，︱δh|为1.6%，满足CJJ/T 104—2014第6.4.1条的要求。

⑨ 将D0、D1、D2、λ1、λ2、t0和qjh代入公式(17)和(18)，计算得到保温层外表面校核温度t1=218 ℃，t2=87 ℃，与所设定的t1，s和t2，s有一定的差距，应重新设定t1，s和t2，s。

⑩ 重新设定t1，s=218 ℃、t2，s=87 ℃，返回步骤②～⑦和⑨重新计算，可得tc=259 ℃，ta=152.5 ℃，λ1=0.023 W/(m·K)，λ2=0.055 W/(m·K)，qcs=171 W/m，qjh= 167 W/m，t1=218 ℃，t2=87 ℃。将qjh、qcs进行比较，︱δh|为2.6%，满足CJJ/T 104—2014第6.4.1条的要求。t1和t2计算结果与所设定的t1，s和t2，s均一致。

4.10 材料价格

由于方案3中减阻层厚度较小，因此，方案比较中忽略方案3中减阻层造价，同时为了便于计算分析，忽略直埋蒸汽管道土建造价及外护管的焊接、探伤以及防腐造价。由于3种方案工作钢管外直径相同，因此，方案比较中不考虑工作钢管造价，仅对外护管及保温材料进行造价比较。

本方案外护管管材为螺旋缝焊接钢管，螺旋缝焊接钢管价格为5 000 元/t，气凝胶绝热毡价格为12 000元/m3，超细离心玻璃棉毡价格为800 元/m3，微孔硅酸钙价格为470 元/m3，聚氨酯价格为650 元/m3。

4.11 计算结果

经上述公式计算，直埋蒸汽管道保温方案对比见表2， 单位长度外护管及保温材料工程造价比较见表3。表2及表3中“—”表示无此项数据。

表2 直埋蒸汽管道保温方案对比

表3 单位长度外护管及保温材料工程造价比较

由于气凝胶绝热毡热导率最低，因此，采用气凝胶绝热毡保温层厚度最小，外护管外直径最小，既减少了保温材料的使用量，又减少了外护管钢材的使用量，同时减少了直埋蒸汽管道占用的空间。由表3可见，方案1造价位于中等水平，如果考虑土建造价及外护管的焊接、探伤以及防腐造价，方案1与方案2的造价之差应进一步降低。因此，综合技术及经济比较，方案1的优势是比较明显的。