低溫管道保冷復合結構優化設計

摘要:氮在化學工業、石油工業、電子工業、食品工業、金屬冶煉及加工業等領域有著

廣泛的用途。在液氮的制取、利用過程中，通常需要有低溫液體輸送管路，為減少液態氮在

生產和輸送過程中的溫升或氣化［即減少冷量損失（熱量侵入）或控制冷損量］,需對設備

和管道進行保冷，以確保保冷層外表面溫度高于環境的露點溫度，從而達到減少（控制）冷量

損失，節約能源的目的。

關鍵詞:低溫管道；選材；施工；結構優化

1低溫管路材料的選取

1.1輸送管道材質的選取

管道的穩定運行需要依靠加壓泵站，來對沿線出現的地勢起伏阻礙進行克服。加壓泵站

可以給液流提供足夠的壓力，進而讓液流在管道內的流動更為有動力。但是此運輸過程中，

由于管道摩擦力的存在，會讓液流的流動速度逐漸下降，壓力也會隨著距離的增加逐漸變小,

此時由于摩擦力的存在，管壁的溫度會慢慢升高，壓力降小、濕度升高等條件的作用下，液

流將會出現汽化的情況。但是驅動液流流動的壓力雖然減小了，管道內因為汽化問題的出現,

導致內部的壓強增加。加上很多管道由于一些自然影響因素的存在，不得不敷設在地面之上,

暴露在自然環境中，此時就會受到陽光的直射，而陽光直射也會讓管道內部的溫度上升，增

加液體汽化量。因此為了讓熱輻射問題得到有效控制，減少汽化，需要對管道的材質進行選

擇，或是安裝合適的供熱泄放裝置。

1.2輸送管道絕熱材料的選取

低溫液體剛性輸送管道一共可以分為三種，非絕熱管、普通絕熱管和真空絕熱管。非絕

熱管造價方面較有優勢，但是缺點是使用時會出現“跑冷”問題，因此一般會被用于間斷短

距離環境中。真空絕熱管由內管、外管、支件組合而成的，管道外圍會因為這些組件的存在

形成一個絕熱的空間.進而營造出低壓與真空的環境，這樣的處理可以為絕熱效果提供更好

的保障。但是需要關注到的點是此種類型的絕熱管制作工藝復雜，且造管支出占用較大，同

時為了讓系統可以穩定運作，需要大量的人力與物力組織維護工作。因而在項目的管道設計

中，管道走向復雜，管道上管件、儀表件等較多等情況下可以選擇綜合使用的方式，組合使

用管道材料，使用真空絕熱管道來保冷。但是從管路制作復雜性和管路投資成本進行考慮時,

3km以上的管道可以采用普通絕熱方式，而不采用真空絕熱方式。

2保冷層厚度的計算方法

根據規范規定保冷計算的目的在于“減少冷介質在生產和輸送過程中的冷損失量；減少

冷介質在生產和輸送過程中溫度升高或氣化;防止管道及設備表面凝露”。

絕熱層的厚度，取決于所需施加的絕熱層熱阻，而絕熱層熱阻的確定則取決于由絕熱目

的所提出的要求和其他限制條件，例如：

1）限定外表面溫度ts;

2）限定金屬壁溫度t;

3）限定吸熱熱流密度q;

4）限定內部介質溫升At;

5）獲得最佳經濟效果（全年總費用最低）。

可以看出，管道保冷計算的方法眾多，但因保冷的目的和限制條件不同，則采用不同對

應的公式計算時得到的結果也不相同，因此選用合適的計算方法至為重要。在實際工程運用

中發現，由于我國幅員遼闊、氣象差異懸殊，各地相對濕度差別很大，環境溫度Ta與露點

溫度Td的溫差最大為20.9℃,最小僅為1.7℃,如采用限定外表面溫度的方法來計算低

溫管道，得出的保冷層厚度往往不甚合理:對于沿海地區，因常年濕度較大，當地氣象條件

下最熱月的露點溫度較高，則用上述公式計算出的保冷層厚度偏大;而對西北地帶，由于氣

候干燥、露點溫度較低，計算出的保冷層厚度又往往偏小，這顯然背離了經濟合理的目標。

為此在最新版GB50264-2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》中已不再將“以控制保

冷層外表面溫度Ts為露點溫度加1?3℃”作為保冷厚度計算的唯一原則，而是采用不會結

露的“允許冷損失量”下的厚度，并用經濟厚度進行校核與調整。

3低溫管道結構優化施工要點

3.1低溫管道的焊接施工要求

1.對低溫管道的焊縫有以下兒點要求：

2.

焊接縫必須得到質量保障，焊接縫上的抗拉強度、沖擊韌性等指標不能比母材更低。如果異

種鐵素體鋼材的焊縫要求較高，要求其抗拉強度與沖擊韌性與較高側母材指標一致，如果無

法達到，可以使用熱處理方式增強處理。

焊接前應按規定進行焊接工藝評定試驗，對焊接試板的焊縫和熱影響區進行低溫沖出試驗,

其低溫沖出功的及格與否，應與母材耍求相同。焊接試板熱處理狀態也應與母材致。如異

種鐵素體鋼材焊接時，低溫沖出功與沖出功高的一側的母材也相匹配。

取樣方法、試樣數量和規格等應符合有關規定。焊條、焊絲批號不一致時，應重新作焊

接試板低溫沖擊試驗。

奧氏體不銹鋼在低溫環境下使用時，要求用氧弧焊焊接的焊縫金屬含碳量W0.10%,如果

設計溫度＜-30℃時，還應進行焊縫金屬（焊接試板）的低溫沖擊試驗，其沖出功應符合規定

的要求值。奧氏體不銹鋼焊條可按GB983-2012《不銹鋼焊條》選取，焊絲可按GB4233-

1984《惰性氣體保護焊接用不銹鋼棒及鋼絲》選取。

3.2低溫管道的安裝施工要求

1.開展管道安裝操作時，首先要對管道的位移問題進行考慮，尤其是管道與相鄰管道、

設備與梁之間應進行縫隙預留，防止管道因為外力作用出現位移時，發生摩擦或是碰

撞，給LNG液流的穩定輸送造成影響；法蘭與閥門的位置因為保冷的厚度較大，因此

組織配管T作時，空隙的預留尺寸應得到技術人員的合理安排：放空、放凈的最小安

裝尺寸應得到專業人士的策劃，根據保冷的厚度進行精確規劃。保冷的管道貫穿樓板

時，要在管道與梁之間進行間隙預留，同時對預留孔的尺寸進行精確確定，配管應與

梁之間保有一定的距離；設備為立式類型時，上升管道的設備上應進行支架間距調整，

給出一個最為合理的安裝間距，同時預留出合適的保冷管道間距。

2.

低溫管道敷設過程中，執行水平敷設步驟時，技術人員應根據實際情況對管道的底部進行硬

質墊層設置，一般為硬質聚氨酯保冷材料塊，這種材料的使用可以讓管道中的冷量損失降到

最低。

開展垂直方式的低溫管道敷設步驟時，支架的位置如果設置在了低溫設備上，那么設備與管

道上都需要進行墊塊安裝。

對管架進行安裝時，保證其質量的同時，也要對管道的保冷結構質量水平進行保證：低溫管

道的材料強度較低，所以其支架間距的設置應得到專業人士的調整，應比一般鋼制管道支架

的間跨距更小。

當保冷管道無管托支承時，保冷管道管底標高的確定取決于管架或枕梁上的保冷厚度，在管

徑變小的位置，保冷厚度也會變小。為了保持管道管底標高，保冷墊木塊的厚度不應該改變。

保冷墊木塊的厚度比保冷層的約大5mm,這樣做可以防止由于管子偏移與梁接觸而引起保冷

層的損壞。

低溫管道極易生銹，在管架的滑動表面應采用滑動板。

低溫管道彎頭處應力最大，彎頭處最容易發生脆裂，所以不宜在彎頭處焊接管道支吊架。

結語

管道由于內部運輸的液體具備較強的特殊性，因此與普通的管道相比，設計水平、管道

材質、施工工藝等方面的要求更高，所以工程技術人員必須對材料選擇與施工技術落實兩個

方面的工作進行重視，保證從方案規劃到施工步驟操徑整個流程的質量水準都可達到要求，

維護管道運輸的穩定與安全。為此建議常規的低溫液氮管道采用限定散熱熱流損失的方法計

算保冷層厚度;而液氮儲槽至液氮泵之間的保冷管道宜采用限定內部介質溫