架空高温输油管道保温层厚度设计

李少华，刘宝玉，戚积功，刘 璐，李 强

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.锦州石化公司计量处，辽宁 锦州 121001）

架空高温输油管道保温层厚度设计

李少华1，刘宝玉1，戚积功1，刘 璐1，李 强2

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.锦州石化公司计量处，辽宁 锦州 121001）

主要介绍了炼油厂架空高温输油管道保温层理论计算方法，分别对不同外壁温度及管径进行计算分析，并给出了计算应用实例。其结果可为架空高温输油管道保温层经济厚度计算方法的改进及其优化提供了依据。

保温层；温度场；经济厚度

炼油厂常压、减压的管道中输送各种原料、半成品及成品油料。由于油品的温度比较高，在输送的时候有较大能量的损失。对此类管道做伴热和保温处理是减少能量损失最有效的办法之一。因此对这类管线的保温层厚度做经济性分析就变的非常必要[1]。

对架空高温管道实施保温的措施一般包括两个方面：一方面是选择良好的保温材料，采用合理的保温结构。除此之外，保温的效果还取决于保温层的厚度。因此另一方面我们应该合理增大保温层的厚度，以减少管道油品输送时的散热损失，从而降低能源消耗和运行产生的费用[2]。但是增加保温厚度的同时，一次性保温投资也相应的增加了。因此必然有一个最佳保温层厚度，使得保温后的年散热损失费用与保温工程投资的年分摊费用之和为最小，此时才能获得最佳的经济效果，满足此条件的保温层厚度称为“经济厚度”。为了节约投资，有必要对架空高温油品输送管道进行保温层“经济厚度”设计。

1 保温层厚度设计原则

保温层厚度的设计原则是：根据目的性和约束条件的不同采用不同的设计计算方法。为限定保温层外表面温度，采用表面温度法进行计算分析；为限定保温层表面散热热流流量，采用最大允许散热损失进行计算分析[3]；为减少输油管道散热损失并获得最佳经济效果，采用经济厚度法计算。除此之外，安全因素在设计中也不可忽视，应严格按照国家标准GB4272-84的规定执行。架空高温输油管道保温层结构的厚度设计应以“经济厚度”为首选，其散热损失不得超过表1的数值。

表1 工况运行下高温管道最大热损失Table 1 The most heat loss of high temperature pipeline under working conditions

2 数学模型

架空高温输油管道的保温层主要是以减少管道内油品在输送过程中的热损失为目的的，并保证高温油品在管道出口处的温度值。获得满意的保温效果的关键问题在于保温结构的确定以及保温层厚度的计算。根据国内外管道保温技术的发展趋势，在确定了架空高温输油管道的保温结构以后，确定合理的保温层厚度就成了保证安全生产和节约能源的关键因素[4]。

根据传热学的基本原理，保温层的计算方法可以分为允许散热损失计算法、经济厚度计算法和控制外表面温度计算法。按照相关规定：供热管道外表面温度高于 50 ℃时必须对管道进行保温处理，可将其理解为供热管道的外表面温度必须低于 50℃.因此在计算保温层厚度时必须将保温层的外表面温度控制在 50 ℃以下。在满足此条件的前提下再考虑是否满足允许最大热损失，以及是否满足热力输送管网的输送效率大于90%的要求，如果不满足，应继续增大保温层的厚度。

在架空高温输油管道保温层厚度的计算过程中，最关键问题是由于炼厂90%的管道都暴露在空气中，尤其是大管径架空热油管道，管道四周的空气温度远远小于管道内介质温度。因此，在确定保温层厚度的计算和分析过程中，采用控制外表面温度的计算方法是最佳的。管道的保温材料一般为耐高温绝热材料，在不考虑其它情况所产生的热阻时，保温层厚度可按下式计算：

式中：λ——保温层厚度，m；

din——保温层外径，m；

dout——管道外径，m；

δ1——空气的导热率，W/(m·K)；

tin——保温层外界控制温度，℃；

ts——管道周边空气温度，℃；

δ2——在运行过程中材料的导热率，W/(m·K)。

热损失的计算：

空气热阻计算式为

式中：Ra——空气的热阻，W/(m·K)。

保温层热阻计算式为：

空气中的架空热油管道管道单位长度热损失的计算式为：

3 应用实例

根据上述公式计算架空热油管道保温层厚度，并以东北地区某炼厂由加热炉到常减压装置的管道为例进行分析计算，其保温层由于老化需要更新，因此对保温层厚度需重新计算。该段架空高温输油管道的长度为8 m，架空高度为5 m，管道直径为0.2 m，输油量为10 t/h。该管道内流体温度约为380 ℃，管道内侧传热系数为100 W/(m2·K)，外侧传热系数为8.5 W/(m2·K)，保温层材料导热率为0.02 W/(m·K)，保温层外壁温度取tin=30 ℃。通过公式（1）、（5）计算得到的结果分别为：λ=0.0528 m，Δq=177.2 W/m2。当前，由于保温材料的快速发展，保温材料导热率越来越小。其计算厚度比原厚度要小0.02 m，但热损失同样比原厚度要少50 W/m2。计算结果不但满足工程的要求，而且在满足其经济厚度。

该架空热油管道保温层外壁可以取不同的温度，其保温层厚度是变化的。图1为保温层外表面温度固定值时，架空热油管道热损失与保温层厚度的关系。

图1 管道热损失与保温层厚度的关系Fig.1 The relationship between the heat loss of overhead high temperatures oil pipeline and insulating layer thickness

从图1中可以清楚地看到，当架空高温输油管道输送油品时，保温层厚度越小热量损失就越大。随着保温层厚度的增加，其热流损失是急速下降的。从图1可知，保温层厚度＞0.14 m的时候，热流损失不再随着厚度的增加而加速下降了，而是趋于平缓。此时随着保温层厚度的增加，热流损失虽然变小，但随着保温厚度的增加其工程成本是急剧递增的，不符合经济厚度的要求。

管道内的流体温度不同的时候，其保温层的厚度也是不相同的。在外界条件相同的情况下，管道内流体温度越低，其保温层的厚度就越薄。同样不同管径的管道在外界条件相同的情况下，厚度的最优值也是不同的[5]。不同的外界条件及不同管径更是千差万别的，因此选取保温层厚度的时候，要具体问题具体分析。只有这样才能达到最优化的结果。

4 结 论

在架空输油管道保温层厚度计算中，一般都是根据经验或是参考手册确定其厚度。不同的条件下，保温层厚度的选择也是不同的。而能够满足保温后的年散热损失费用与保温工程投资的年分摊费用之和最小的经济厚度，才是架空高温输油管道保温层最优化计算的目标。随着各国经济的快速发展，在以后的保温层设计过程中，对保温层厚度进行最优化处理将成为首要考虑的问题。

[1] 刘晓燕，刘扬，郭敬红，陈丰民．埋地原油集输管道保温层厚度优化设计[J].油气储运，2005，24(2)：20-22．

[2] 谢昇，吴吁生，张国钊．低压蒸汽管道保温层经济厚度计算[J].山西化工，2007，27(6)：67-68．

[3] 彭述强，孙杰．应用牛顿法计算埋地管道保温层经济厚度[J].辽宁化工，2008，37(10)：712-713．

[4] 杨良仲，张连刚，曹宝军，徐善忠.大管径热水直埋供热管道保温层厚度的计算[J].煤气与热力，2007，27（2）：70-72.

[5] 李小玲，吴玉国，李迎旭，田西宁，刘圭群，李巍．埋地管道保温层经济厚度数值计算方法[J].当代化工，2008，37(4)：412-414．

Design Calculation of Insulating Layer Thickness of Overhead High Temperature Oil Pipeline

LI Shao-hua1, LIU Bao-yu1, QI Ji-gong1, LIU Lu1, LI Qiang2
(1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. The Metrology Division of Jinzhou Shihua company, Liaoning Jinzhou 121001，China）

The theoretical calculation method of insulating layer thickness of overhead high temperature oil pipeline was introduced. Meanwhile the thickness for different outside temperatures and different pipeline diameters was analyzed and calculated, and the practical example was provided，which can offer a basis for improvement and optimization of the economical insulating layer thickness.

insulating layer; temperature field; economical thickness

TQ 055.8+9

A

1671-0460（2011）01-0097-03

CNKI:21-1457/TQ.20101116.0943.003 网络出版时间：2010-11-16 09:43

http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1457.tq.20101116.0943.003.html

2010-07-16

李少华（1983-），男，硕士研究生，山东聊城人，辽宁石油化工大学油气储运专业在读，研究方向：主要从事原油顺序输送温度场的研究工作。E-mail：lishaohua2008@126.com。

刘宝玉（1960-），女，辽宁大连人，副教授，1982年毕业于东北电力学院，研究方向：换热设备及能量综合利用技术。E-mail：dong781-1@163.com，电话：0413-6861820。