新型隔热管托在蒸汽管道工程中的应用

引言

随着新型高效隔热材料的不断推出，隔热材料已经渗入到长输蒸汽管线的各个环节，包括几十千米的管线保温和阀门、疏水装置、管支架等特殊部位的保温。其中任意一个环节出现问题都会影响整条管线的节能效果。以管支架为例进行说明，通常管支架通过支撑板、肋板导热和底板散热，把介质热量传递到大气中。经计算和实测可知，管道支架的热损失约占管道总热损的20% ～ 30%，这就需要在施工过程中对此部位进行重点保温。

国内常见的保温方法是用浇注料做硬质隔热材料，用陶瓷纤维毯做软质隔热材料，并与钢制管夹进行组合，加工成隔热型管支架( 简称BＲ 系列隔热管托) 。但是这类隔热管托在运行过程中，特别是运行数年后节能效果逐渐丧失，造成这一现象的主要原因是: ( 1) 隔热、抗压、抗折性能不理想。大多隔热管托厂家所采用的成品混合料的性能和质量提升受到约束，产品的导热系数大于0.2 W/( m·K) ，抗压强度小于8 MPa，抗折强度约为2 MPa。( 2) 防松设计失效。虽然大多管托采用弹垫等防松设计，但耳板在长期载荷作用及较高温度工况下产生的蠕变导致其防松失效，管托与管道发生相对位移，破坏了蒸汽管道的整体保温。( 3) 硬质隔热块易碎。在运行过程中受直接应力与二次应力( 载荷) 交变作用的影响，再加上停开车期间温度骤变产生的温差应力，以及产品性能达不到设计指标，隔热瓦块抗拉、韧性不够，承受剪切载荷( 管托长度较长时) ; 运输、装卸、安装就位过程中的外在冲击、振动等原因都会造成所使用的硬质隔热块开裂，致使其保温功能下降。

上述原因表明，BＲ 系列隔热管托因受钢制结构及浇注料硬质隔热材料等影响，在使用过程中不能满足蒸汽管线长期安全、节能的需求。因此，从节能的角度考虑，需研制新的隔热材料和管托结构，以解决上述问题，保证新型隔热管托满足蒸汽管线长期安全、节能的运行。

隔热材料的选用

一种好的管道隔热材料必须同时具备较低的密度及导热系数和较高的力学性能、较强的疏水性及化学稳定性。目前国内外蒸汽管线隔热管托所用软质隔热材料常有玻璃棉、陶瓷纤维毯、杜热S 毯、气凝胶毡4 种，所用硬质隔热材料主要有浇注料、微孔硅酸钙和Firetemp隔热材料3 种。软质材料在其中起隔热、缓冲作用，硬质材料起到隔热、支撑作用，只有合理选择软质材料与硬质材料组合，才能从根本上解决BR系列隔热管托在运行中出现的各种问题，从而开发出安全、经济、节能的新型隔热管托。

1.1  4 种软质隔热材料性能对比
玻璃棉、陶瓷纤维毯、杜热S 毯、气凝胶毡4种软质隔热材料的综合性能比较见表1。

1.2 3 种硬质隔热材料性能对比
3 种硬质隔热材料综合性能对比见表2。

1.3 隔热材料的选择
通过上述4 种软质隔热材料及3 种硬质隔热材料之间的综合性能对比发现，玻璃棉的最高使用温度500 ℃，其实际适用的工况仅有450 ℃ ( 根据规范要求，材料要取0． 9 倍的安全系数) ; 气凝胶毡的费用为300 元/m2，远远高于其他3 种软质材料。Firetemp材料在国内很少涉及到。因此，在兼顾有效性能、经济性及使用可行性的前提下，选择软质材料杜热S毯与硬质微孔硅酸钙材料组合加工成新型隔热管托。对新型隔热管托与传统BＲ 系列隔热管托的隔热性能及热损失率进行实验研究，验证新型隔热管托的节能效果。

试验研究

2.1  隔热性能测试
试验用2种隔热管托结构如图1、图2 所示。2 种隔热管托所用软质隔热材料厚度均为10 mm，硬质隔热材料厚度均为50 mm，外部钢制管夹及紧固件材料、结构均相同。

将2种隔热管托分别安装在一根DN250、介质温度为550 ℃的热力管道上，并对管道裸露部位进行保温。在管托不同隔热材料之间布置热电偶以便测量系统热平衡时各测温点温度，热电偶布置测点如图3 所示。沿管道径向均匀布置4 个测温点( A1 ～ A4) ，沿管托外表面径向均匀布置4 个测温点( B1 ～ B4) ，底板两侧处各布置1 个测温点C1、C2，隔热性能测试装置如图4 所示。

2.2  导热系数计算与分析
按照SH3010-2013《石油化工设备和管道隔热技术规范》，隔热管托整体的导热系数计算式如下:

式中: λ 为导热系数，W/( m·K) ; D1为管托外径，mm; D0为管道外径，mm; Ts为管托外表面温度，℃;Ta为环境温度，℃; T0为管道表面温度，℃; αs为表面散热系数，取11. 6 W/( m2·K) 。

( 1) 在相同的测试条件下，新型隔热管托表面温度50.3 ℃，满足GB50264 － 2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》中小于60 ℃的要求，而BＲ 型隔热管托的表面温度高达73.9 ℃。
( 2 ) 新型隔热管托在550 ℃ 下的导热系数为0.1203 W/( m·K) ，小于BＲ隔热管托的导热系数( 0.190 1 W/( m·K) ) ，证实新型隔热管托具有较强的隔热效果。

2.3 热损失计算
按照GB50264 － 2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》，管夹热损失计算公式为

管托底座的热损失计算式为

式中δ 为管托肋板高度，δ = 19 mm。
2种不同热损失单位之间的数值转换，采用以下公式:

式中: q 为以每m 长度隔热层外表面表示的热损失量，W/m; Q 为以每m2 隔热层外表面表示的热损失量，W/m2 ; L 为隔热管托长度，m。
管托热损失计算结果见表4。

2.4 节能效益分析
新型隔热管托相对于BＲ 隔热管托节能30% 左右，热力管道以每年操作运行8 000 h 计，单个管托每年可节能W0 = 104 × 3 600 × 8 000≈3 × 109 J，1 kg 标准煤的热值为7 000 kcal( 约为2． 93 × 107 J) ，一年可节省0.102 t标准煤，1 000 个管托每年可节省标准煤102 t，标准煤按照600 元/ t 计，可节省6． 12 万元。
一般热力管道选用普通钢结构管支架的热损失每个为1 399 W( 管径273 mm、介质温度550 ℃、环境温度34 ℃) ，新型隔热管托比普通钢结构管支架每个可节能1 154 W，每年可节能W0 = 1 154 × 3 600 ×8 000 = 3． 32 × 1010 J，一年可节约煤炭1.13 t; 5 km 热力管道每年可节省约1 000 t 标准煤，减少二氧化碳排放2 500 t，节能效果和环保效益非常明显。

结论

( 1) 新型隔热管托结构简单、设计合理，比BＲ系列隔热管托节能30%以上，是一种可推广使用的既安全又经济的节能新型隔热管托。
( 2) 新型隔热管托采用杜热S 毯和硬质微孔硅酸钙材料，解决了普通隔热管托隔热、抗压、抗折性能低; 固定板松弛失效，管托与管道发生相对位移; 管托隔热块易碎、节能效果下降的难题。
( 3) 新型隔热管托试验测试其表面温度为50.3 ℃，满足GB50264 － 2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》中小于60 ℃的要求，导热系数0． 120W/( m·K) ，抗压强度大于等于17 MPa ，综合性能优于普通隔热管。
( 4) 新型隔热管托可灵活、方便、经济的组合和安装; 随着节能技术不断更新与完善、施工工艺不断的优化与成熟，将在热力管道及长输蒸汽管线得到广泛应用。

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