蒸汽管网保温材料选择及保温厚度计算分析

丁真裔*

（华东理工大学工程设计研究院有限公司）

0 前言

节约能源是我国的基本国策，国家实施“节约与开发并举、把节约放在首位”的能源发展战略。同时，随着“碳中和“和“碳达峰”的目标出台，能源有效利用越来越受到重视。在热电联产项目中，城市供热工程热网输送综合热效率需要达到92%以上。因此必须对蒸汽管道进行保温，从而减少管道运行过程中的散热损失，达到节约能源的目的。然而目前市场上的保温材料种类繁多，保温效果参差不齐，在选用材料和确定保温厚度时往往会产生较多问题。目前，对蒸汽管道进行保温设计时有以下两种情况值得注意：一是大量高效保温材料用于低要求的管道或者保温厚度选取过大，造成资源和成本浪费；二是许多保温要求较高的地方，选用了低效保温材料或者保温厚度过小，达不到理想的保温效果，管道热量损失过大。因此正确选择保温材料，对于控制蒸汽管网的热损以及确保项目的经济性具有重要意义。

1 保温材料的选用

1.1 标准对蒸汽管道保温材料的要求

GB/T 8175—2008《设备及管道绝热实际导则》标准中规定：保温材料在平均温度为298 K 时热导率值不大于0.08 W/（m·K），并应有在使用密度和使用温度范围下的热导率方程或图表。用于保温的绝热材料及其制品，硬质绝热制品密度不大于220 kg/m3，半硬质绝热制品密度不得大于200 kg/m3，软质绝热制品密度不得大于150 kg/m3。用于保温的硬质无机成型绝热制品，其抗压强度不得小于0.3 MPa，有机成型绝热制品的抗压强度不得小于0.2 MPa。绝热材料及其制品的化学性能应稳定，不得对金属有腐蚀作用。当用于奥氏体不锈钢设备或管道上时，其氯化物、氟化物、硅酸盐、钠离子的含量应符合国家现行标准GB/T 17393—2008《覆盖奥氏体不锈钢用绝热材料规范》中有关规定。

选用保温材料的时候，确保其物理、化学性能满足工艺要求的前提下，应优先选用导热系数低、密度小、湿阻因子大、吸水率低、价格低廉、施工及维护方便的保温材料。为了减少管道的散热损失，保温层厚度应按经济厚度方法来计算。

1.2 蒸汽管道常用保温材料的性能参数与组合

蒸汽管道常用保温材料可分为四种：硅酸铝管壳制品、微孔硅酸钙管壳制品、轻质超细玻璃棉管壳制品及岩矿棉管壳制品。其保温性能及价格可见表1。

表1 蒸汽管道保温材料的性能及价格

硅酸铝是一种硅酸盐，以硬质黏土熟料为原料，经电阻或电弧炉熔融、喷吹成纤工艺生产制成。硅酸铝保温材料有很多种类，主要包括硅酸铝棉、毯、板、毡及模块等。其优势是耐高温，热稳定性好，化学稳定性好，热传导率较小等；而其劣势是抗压抗折力比较差，防水性能差，且造价高。

玻璃棉是以玻璃球为原料，经高温熔制、拉丝等工艺制造而成，是一种无机质纤维。其优势是成型好、体积密度小、热导率小且机械强度高；而劣势是不耐水、不耐挤压，可承受温度小于400 ℃。

岩棉产品常采用优质玄武岩、白云石等作为主要原料。岩棉可根据不同的用途制成岩棉毡或岩棉条等。其优势是质量小、热导率小、弹性好，不容易燃烧及造价低；而劣势是吸水率大，水分容易聚集在岩棉内，长期以往会增加保温层的质量，导致保温层脱落返修，且岩棉可能致癌。

硅酸钙保温制品是以氧化硅、氧化钙和增强纤维为主要原料制成的。其优势是抗压强度大、使用寿命长、耐酸碱、不易腐蚀、不易变形且防水性能好；而劣势是后期维护、维修难度较大，工程安装较为繁琐，且其密度较大，从而缩短了管道跨距。

2 保温厚度的计算

2.1 计算依据选取

目前蒸汽管道保温计算方法繁多，为了有效减少管道散热损失，推荐根据保温层表面散热损失的方法来计算保温层厚度。蒸汽管道保温厚度计算结果需满足GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》中规定的最大允许热损失量Q，详细数据可见表2。

表2 最大允许热损失量

2.2 计算实例

某室外架空的DN 200 mm 蒸汽管道介质温度为250 ℃，周围常年平均环境温度为20 ℃，年平均风速为3.8 m/s。由于保温材料众多，不同保温材料会得到不同的计算结果，首先选用硅酸铝制品作为保温材料进行计算。

（1）保温层内、外表面平均温度值计算

保温层内、外表面平均温度值可按下式计算：

把常温时热导率及保温层内、外表面平均温度数据代入可得λ=0.069 W/( m·K)。

（3）保温层外表面散热损失计算

保温层外表面散热损失可按下式计算：

测量保温厚度后不断试算求出保温层外表面散热损。试算结果如下：当保温厚度δ=0.1 m 时，Q=145.9 W/m2＜163 W/m2，满足要求。

（4）保温外层表面温度计算

保温外层表面温度可按下式计算：

式中：Ts——保温外层表面温度，℃；

把表面传热系数，保温层外表面散热损失及环境温度代入上式后可得出Ts=25.78 ℃。

（5）单位长度保温费用计算

单位长度保温费用可按下式计算：

式中：F——单位长度保温费用，元/m；

C——保温材料价格，元/m3。

把保温材料价格、管道外径、保温层外径代入上式后可得出F=120 元/m。

2.3 不同保温材料计算结果对比

采用上述方法，对每种保温材料的热损失及保温费用进行了计算。表3 列出了满足最大允许热损失量时，管道采用不同保温材料时所需的厚度、费用等相关数据。

表3 管道采用不同保温材料时各数据计算表

3 结论

影响蒸汽管道保温效果的因素有很多。在同样热损失的情况下，通常导热系数λ及保温层表面放热系数a越小，保温层厚度也越小。所处环境的平均气温越高，平均风速越小，所需的保温层厚度就越小。选择保温材料时必须考虑外部环境条件对计算结果的影响，具体选用何种保温材料也需结合工程实际情况及造价等多种因素决定。但无论何种外部环境或者工程环境，保温厚度和材料的选取均应进行详细计算，从而选出最经济合理的方案，真正做到节约能源，节省资金。