石油化工设备及管道的保温通用性研究

傅文兴

（中石化上海高桥分公司工程处)

石油化工设备及管道的保温通用性研究

傅文兴*

（中石化上海高桥分公司工程处)

从分析石油化工相关设备及管道的热损失入手，阐述保温对设备及管道运行效率、节能增效和安全生产的重要性，进而分析了设备及管道保温结构设计的几个具体问题，并提出了保温工程施工建议。

热损失 保温结构 保护层 绝热层 管道 化工设备

0 引言

对石油化工装置中设备和管道进行绝热设计的主要目的是： （1）减少设备和管道及其组成件在储存、运输、生产过程中的热量损失，以降低能耗； （2）减小输送过程中介质的温降，以利于物料及系统的良好运行； （3）降低或维持工作环境温度，改善劳动环境，防止因热表面而导致火灾，防止操作人员烫伤等。因此，石油化工装置中设备和管道的绝热设计是关系到石油化工企业优化工艺、稳定操作、安全生产、提高生产能力、改善劳动环境、节能增效和技术管理的重要环节。

设备和管道的绝热工作，涉及的方面非常之广，且各个方面相互联系、相互制约。绝热工作主要包括下述几方面内容： （1）设计过程中，绝热层及保护层材料的选用，绝热层经济厚度的计算，保温结构形式的选定； （2）施工过程中施工方法的选择，施工质量的评定，以及整个保温施工结束后对其保温效果的测试评价，即热损失检测报告；（3）保温设施在运行过程中的科学管理等。

通过计算和测定[1]，可分别得到裸露的和保温的管道、阀门及法兰的热损失，如表1所示 （为计算方便，本文单列保温结构）。

由表1数据可见，裸露结构和保温结构的热损失差别很大，这就充分说明绝热结构选择的重要性。然而在日常的设计、施工和运行管理中，有关绝热的问题很多，例如保温厚度和结构设计不正确，绝热材料选用不合理，绝热材料易老化、主要特性不符合设计文件要求，安装难度高，绝热结构不科学，保护层强度不够，绝热结构缺乏维护、保养等。这些问题造成了热损失增大，以致在设计时限内不得不追加投资费用等，而且许多问题并未被部分设计、施工人员及管理人员充分认识。因此，在安全生产、节能增效、环境保护等意识日渐增强的今日，有必要对保温相关问题进行深入讨论，以便引起相关人员的重视。

表1 裸露和保温的管道、阀门及法兰热损失比较

本文结合项目设计、施工和管理过程中经常出现的问题，就绝热结构 （侧重保温）的相关问题进行详细的阐述。

1 传热的基本形式

热总是自发地由高温介质传到低温介质，凡有温度差的地方就会产生热量转移。保温结构传热过程如图1所示： （1）相对温度高的介质以对流和辐射的方式传热给保温结构内表面； （2）保温结构内表面以固体传热和辐射的方式将热量传给保温结构的外表面； （3）保温结构外表面以空气对流和辐射的方式向环境传递热量。整个保温结构传热过程包含热传导、热对流、热辐射三种基本传热方式。

图1 保温结构传热过程

穿过绝热结构层的导热量 （即热损失）与绝热结构两侧的温度差成正比，与绝热结构层的厚度成反比，同时也与绝热结构层材料的特性紧密相关，其计算公式如下[2]：

式中 Q——穿过绝热结构层的导热量，W；

λ——绝热结构层材料的导热系数，W/(m·K)；

δ——绝热层厚度，m；

△t——绝热层两侧表面温差，℃；

F——绝热层面积，m2。

导热系数λ是指在稳定传热条件下，1 m厚的材料，两侧表面的温差为1℃，在1 h内通过1 m2面积所传递的热量。导热系数λ与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率和温度较低时，导热系数较小。通常把导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在0.05 W/(m·K)以下的材料称为高效保温材料。

2 绝热在工业生产中的作用

2.1 提高生产能力

温度是石油化工装置生产过程中非常重要的工艺参数。一般情况下，工艺精馏塔的釜温、顶温均有严格的操作温度控制范围。例如，某苯酚丙酮装置的3台（三级）氧化塔其温度必须分别控制在101℃、96℃、92℃以内，温度超标会导致氧化过程不充分，产生的副产品多，影响装置的生产能力。只有将温度控制在有效温度范围内，才能保证生产安全、平稳并提高产能。

2.2 节约能源

蒸汽是精馏塔的主要热能来源，若塔体保温不良致使釜温损失，就会加大再沸器蒸汽用量。按上述苯酚丙酮装置脱丙烷塔计算，每提升塔釜温度1℃，就要加大蒸汽用量约30 kg/h，以年计算蒸汽消耗量是相当可观的。

2.3 延长设备的运行周期

热力装置如果没有良好的保温设施，就会使环境温度上升，从而导致相关的传动设备的轴承、控制电缆和电机温度上升，影响设备的运行周期，甚至发生安全事故。

2.4 有效改善劳动环境

管道和设备保温后，按GB 50264—2013、GB/ T 4272—2008等规范规定，其保温层的表面温度一般不应高于50℃。限制表面温度，是为防止操作人员被烫伤。此外，长期在超温条件下工作，势必会降低操作人员的专注度，增加事故发生概率。

2.5 防冻防凝

在冬天，对相关管道采取有效的防冻保温措施，可有效阻止外界温度对内部介质的影响，从而提高产能。保温措施还可有效防止管道表面结露，控制金属表面的腐蚀。例如在外管廊管道上，常发生结露后导致管道严重腐蚀，甚至泄漏的情况，影响生产正常运行。此外，某些设备和管道内的介质凝固点高于环境温度，防止介质凝固也需要保温。

3 保温结构的基本形式

保温和保冷统称为绝热，本文以保温为主进行相关叙述。通常保温结构由保温层和保护层组成，在埋地或相对潮湿环境下还需设置防潮层。保温层的结构形式按保温对象、保温材料特性、保温施工方式的不同，可分为捆扎、粘贴、缠绕、填充、拆卸、拼砌、喷涂、浇筑等多种结构形式。

图2所示为典型的单层捆扎型保温结构，由绝热层、捆扎带、保护层及识别层组成。该保温结构利用捆扎带将绝热保温材料捆扎在设备及管道的外表面，适用于各种绝热材料。采用这种保温结构，并通过设置各种形式的支撑件、钩钉等，可基本满足各类保温对象的保温要求。其捆扎带常用的材料有镀锌铁丝、镀锌钢带、胶合带等。对于保冷结构，可采用不锈钢和非金属材料捆扎。

图2 单层捆扎型保温结构

4 保温厚度的计算

4.1 经济厚度计算法及计算公式[3]

工程上一般以经济厚度计算法进行保温厚度的计算。若保温材料投资年分摊的费用为 [P]，保温后的年散热损失费用为 [fn]，则二者之和为年总费用 [C]。由图3可见， [P]值随保温厚度δ的增加而增大 （曲线A）， [fn]值随δ的增加而减少 （曲线B），总费用 [C] （曲线C）则在保温厚度为δ0时有最小值Cmin，则δ0即为保温层的经济厚度。

图3 保温厚度与年费用的关系

按GB/T 8175规定，圆筒设备或管道直径D＞1000 mm时，其保温层厚度以平面形式计算。

散热损失的计算

全年散热损失费用 [fn]的计算

保温材料投资年分摊费用 [P]的计算

全年的总费用

4.2 计算举例

在上海地区有一直径为2000 mm、内部具有283℃介质的圆筒形设备，需要的保温厚度计算如下 （选用的绝热层材料为长纤超轻硅酸铝）。

（1）保温材料费用 Pi（仅为绝热层的费用）按长纤超轻硅酸铝计，为1500元/m3。

（2）保温工程投资年分摊率S的确定：

式中 n——计息年限，取8年；

i——利率，i取10%。

经计算得S=0.187 4。

（3）导热系数λ，一般按材料给定的导热系数计算式计算或查表。

本例经计算，λ=0.037 W/（m·K）。

（4）热能价格fn在上海取4.8～6.0元/(106kJ）。

（5）年运行时间τ=300×24=7200 h。

（6）表面放热系数α，绝热结构外表面放热系数α是辐射放热系数αr与对流放热系数αc的综合值。影响表面放热系数的因素很多，主要涉及放热表面的形状、表面温度、环境温度、对流和反射等。通常取值为α=11.6 W/(m2·K)。

（7）环境温度tα，查表得上海室外年平均温度为15.7℃。

将以上参数代入经济厚度计算公式，得

计算得绝热层经济厚度为70 mm。

5 保温工程的施工

5.1 前期准备工作

5.1.1 施工组织设计及开工条件

绝热工程施工前，应依据绝热工程设计内容，做好绝热工程的施工组织设计及施工方案，并报批。其一般应包含工程概况及特点，施工工艺，人员组织及平衡，各种规格材料清单及采购进度，材料存放及保管地点、时间，施工机具的准备，需要其它工序配合的进度要求，质量管理体系，安全技术措施，施工进度计划，竣工验收等。

开工前，施工组织设计必须审批完成。对材料及其制品进行质量检查并符合要求，相关的设备及管道工程完成并验收合格，强度试验、严密性试验、防腐工程验收合格。相关支撑件、管道支吊架以及相关设备安装完成并验收合格，仪表接管等部件安装到位。

5.1.2 绝热材料的采购和保管

按国家及化工系统施工图设计内容规定，设计文件 （设计施工蓝图）内必须在设计说明及统计表中详尽说明绝热材料规格、型号以及主要物理、化学性能。主要包括：导热系数计算式或图表、容重、规格、抗压强度、最低最高使用温度、材料燃烧性能级别 （即氧指数）、腐蚀性、耐蚀性、热稳定性等性能。对于不锈钢管道的保温材料还必须提供其氯化物、氟化物、硅酸根及钠离子的含量，应符合GB/T 17393—2008的有关规定。

绝热材料必须严格按设计文件的要求采购，严禁施工单位在未征得设计人员同意的情况下，随意更改相关参数并进行采购。例如，设计文件中规定软质绝热材料的容重为95 kg/m3，施工单位擅自选购容重为155 kg/m3。这不仅不符合国家相关规定，而且还增加管道或设备的自重，进而增加了承重支架和支吊架的材料，对管道应力计算的合理性以及支架的设置都是挑战，最终增加了费用。

绝热材料保管要防止材料劣化。这里所谓的材料劣化，通常是指在其被保管期间，受大气环境、储存条件、期限和外力的影响，而致使其物理和化学性能变化的现象。因此，绝热材料保管期间应堆放规整，避免挤压、变形；不同规格、型号的材料归类存放；对受潮易固化的材料须做好防潮措施；做好相应的防火措施；材料必须在规定年限内使用等。在材料出库前必须核对其规格、品种、使用年限，并做好外观检查，合格方可出库。

5.2 保温结构的施工工艺

保温结构的施工必须严格按设计文件以及施工组织设计进行。保温结构按保温对象及结构形式可分为捆扎、 粘贴、 缠绕、 填充、 拆卸、 拼砌、 喷涂、浇筑、嵌装等，其在GB 50126—2008、GB/T 4272—2008、GBJ 126—1989、GB 50185—2010、SH/T 3010—2013等规范、标准中均有详细规定。本文对最常用的捆扎法施工工艺及相关要点进行大致介绍。

捆扎法施工，即先将绝热材料敷设于设备或管道表面，再用捆扎材料将其固定，然后敷设保护层的施工工艺。捆扎法施工具有施工简单、方便，施工周期短等优点，适用于各类绝热材料制品。对于大型设备或大口径管道，须依托支承件或保温钩钉来固定保温材料。

绝热层施工必须遵循施工的一般要求，即捆扎带不得采用螺旋式缠绕形式，必须按规范标准符合捆扎间距，且做到每块保温材料捆扎不少于二道；立式设备或大口径垂直管道，需按要求设置支承件，从支承件开始自下而上进行，然后进行环向捆扎或用铁丝网包裹捆扎；需热处理的设备或管道其保温层支承件应在制作单位焊接并处理完成；经常需要拆卸的部位，宜采用可拆卸的结构；绝热层施工时，同层应错缝，上下应压缝；支吊架、支座等须按设计文件进行保温；绝热材料采用硬质制品时，应留有伸缩缝；烟风道和传动设备可采用留置空气层的保温结构；对埋地的保温管道等，其外表面应设置防潮层。

选择良好的绝热结构保护层可以起到防止雨水渗入、防尘防沙、防止绝热层受外力损坏、改善绝热效果、美化外观、延长使用年限等作用。因此保护层的施工不能马虎和偷工减料。绝热结构保护层一般采用铝板、镀锌板、彩钢板和不锈钢板等。

金属保护层的接缝可采用搭接、咬接、嵌接、插接和S型挂接等 （具体见图4）。

图4 保护层接缝连接形式

保护层须紧贴绝热层。对于硬质的绝热材料，保护层轴向接缝可用咬接；对于软质的绝热材料，保护层轴向接缝可用插接或搭接，并用自攻螺丝或抽芯铆钉固定。插接用自攻螺丝或抽芯铆钉，搭接用抽芯铆钉连接，须布置在水平中心线下方15°～45°范围内，缝口向下。环向接缝应采用搭接或插缝 （室外用搭接）。膨胀部位的金属保护层应采用活动接缝，大型立式设备、储罐伸缩缝应采用S型挂接。

管道保护层施工要注意以下几项要点。

（1）直管段：环向、轴向搭接一端应压出凸筋，搭接尺寸分别不得少于50 mm和30 mm，金属保护层所有环向接缝顺水搭接，轴向接缝顺坡度搭接，缝口向下，且接缝应布置在水平中心线下方15°～45°范围内。

（2）管道三通处：主管和支管相交部位宜翻边固定，顺水搭接。垂直管和水平管在水平管下部相接，应先包垂直管；垂直管和水平管在水平管上部相接，应先包水平管 （如图5所示）。

图5 垂直管与水平管不同位置的管道三通处保护层

（3）管道弯头处：其轴向接缝采用钉口形式，环向接缝采用咬接或嵌接形式，轴向、环向接缝也应顺水搭接，但在直管和弯头搭接处不得固定。

除上述规定外，对于露天、潮湿环境中的保温设备、管道和室内外的保冷设备、管道与其附件的金属保护层以及保冷管道的直管段与其附件的金属保护层接缝部位、管道支吊架穿出保护层部位，必须在其金属保护层处嵌填密封剂，或在接缝处包裹密封带，以防止雨水渗入。

对于大型储罐、烟道，由于设计刚度和费用等方面的需要，一般采用瓦楞板，其安装必须与底下支承件固定；另采用硬质绝热材料时，其宽面应向外安装；采用半硬质或软质绝热材料时，其宽面应向内安装。

6 保温工程的竣工验收和效果测试

绝热工程验收分为中间验收和竣工验收。对于一项绝热工程而言，每个分项或分部工程的施工质量直接影响绝热工程的整体质量。在施工过程中，每个施工工序的施工质量也将影响到下一道工序或整个工程的质量。因此，应按工程项目及规范、标准进行必要的验收，确认合格后，方能进行下一道工序（如管道除锈后方可敷设绝热层）或验收。

在 GB 50185—2010、 GBJ 126—1989、 GB 50645—2001、SH 3010—2013等标准、规范中，对于绝热工程涉及的材料验收、施工质量验收以及验收要求和验收表格均有详细的说明。

需要说明的是，当施工质量不符合设计文件规定和相关标准、规范要求时，必须返工，在返工验收合格后，方可办理交工手续。

还需要说明的是，交工资料内必须含有相关材料出厂合格证书或检验试验资料；如有相关设计变更必须附上；如有材料代用单同样须附上；须有隐蔽工程验收记录和质量检查记录。

按GB/T 4272—2008、GB/T 8174—2008、GB/T 8175—2008等相关标准及规范的要求，应对保温工程相关设备及管道的表面温度和热损失进行测定，并提出相应的报告。保温工程的表面温度和热损失测试，通常是在设备或管道运行后进行的。

7 保温工程施工过程中易被忽视的事项

7.1 材料方面

7.1.1 绝热层材料

绝热层材料的采购必须符合设计文件或相关标准规定的要求，其中设计文件中对绝热材料的导热系数、容重、氧指数、允许使用温度范围、不燃性，以及对敷设于不锈钢管道或设备上的绝热材料，应对绝热材料中可溶出氯离子、氟离子、硅酸盐离子以及钠离子的含量有明确要求。

在工程施工过程中，施工单位及业主方往往对此未严格要求，从而让容重大、导热系数大的不符合设计要求的材料混入施工现场，严重影响保温效果。本文在第1章中已经述及，绝热层的热量损失与绝热层厚度成反比，与材料的导热系数成正比。选用不同导热系数的绝热材料，绝热层的容重、所需的绝热层厚度就不同。容重对于保温以及整个工程的重要性也往往被忽视。绝热材料一般为多孔结构，通常其容重越小，导热系数越小，保温效果就越好，耗材相对也越少，投资费用就会较少。另一方面，对于大型管廊以及大型储罐而言，容重的变化，可能给储罐基础结构设计或者管廊桁架及基础的设计带来费用的增加，或者给管道的安全运行带来不确定性，因此，采购哪一种容重的绝热材料应严格按照设计文件的规定执行。另外，对于需要蒸汽吹扫的管道和设备来讲，绝热材料的允许使用温度范围是一个很重要的参数。对敷设于奥氏体不锈钢管道和设备的绝热材料，其应符合 GB/T 17393—2008《覆盖奥氏体不锈钢用绝热材料》规范的相关规定。

7.1.2 保护层材料

保护层材料的使用应严格按设计文件或相关标准规定的要求。如需使用替代材料，必须征得设计人员书面同意方可替换。例如，设计给出的保护层为0.5 mm的镀锌瓦楞板 （GB/T 2518—2008），波高50 mm、波距50 mm，长×宽3200 mm×1000 mm。由于库存或采购等原因，施工时采用相同规格的铝板代用。但是，这样代用有很大的弊端。一是瓦楞铝板的强度达不到相同规格的瓦楞钢板，影响整个绝热结构的强度，对使用周期等带来不可预测的影响；二是会对整个绝热工程的费用控制带来麻烦。

总之，材料的替代必须征得原设计人员的书面同意并符合相关标准、规范。

7.2 施工方面

绝热工程必须有其专项施工技术方案，并经监理等审批，施工过程中应严格按其相关要求进行。

这里需要说明的是，每一道工序完成后必须对已完工序进行自检，然后组织相关施工方、监理、建设单位等进行验收并做好记录，验收合格后方可进行下一道工序的施工。

另外，在绝热工程施工过程中还必须落实安全技术工作，要充分认识到其重要性。

7.3 工程验收

工程移交后，对于保温效果的评价，相关部门很少进行相关的评估，这对于设计、施工和运行费用控制，以及如何有效提高保温技术都是不利的，对于有效管理以及节能降耗也是不利的。

8 结语

总之，对于绝热工程应明确如下几点认识：

（1）不能忽视绝热工程中材料的供货质量，尤其对材料的导热系数、容重等指标，必须按设计文件执行。

（2）施工单位安装时必须严格按设计文件、相关标准和规范进行，严控偷工减料，必须严格按工序施工。

（3）对于绝热工程的验收、日常运行以及维护等各个环节，都必须引起足够的重视。

[1]张得姜，王怀义，刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册 [M].北京：中国石化出版社，2013.

[2]李鸿发.设备及管道的保冷与保温 [M].北京：化学工业出版社，2002.

[3]中国石油化工集团公司.石油化工设备和管道绝热工程设计规范：SH/T 3010—2013[S].北京：中国石化出版社，2014.

Universal Study on the Thermal Insulation of Petrochemical Equipment and Pipe

Fu Wenxing

Based on the analysis of the heat loss of petrochemical equipment and piping,the importance of thermal insulation to the operating efficiency of equipment and piping,the energy saving and the production safety is expounded.Furthermore,several concrete problems in the design of insulation structure of equipment and pipeline are analyzed.And the construction proposals of thermal insulation engineering are put forward.

Heat loss;Insulation structure;Protective layer;Heat-insulating layer;Piping;Chemical equipment

TQ 050.4

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.008

2016-08-18)

*傅文兴，男，1967年生，工程师。上海市，200137。