LNG管线保冷技术研究

LNG管线保冷技术研究第1页/共26页LNG管道保温方式介绍保冷要求：LNG管路及辅件的低温保冷材料直接关系到保冷的效果与工程的投资费用，保冷材料要结合工程当地情况与经济运行条件来综合选取。在《设备及管道保冷设计导则》GB/T15586及《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB50264中对保冷材料主要有以下要求：在保冷的同时，并确保冷结构表面温度高于环境的露点温度，防止凝霜结冰破坏保冷结构；有机硬质成型制品抗压强度不应小于0.15MPa，无机硬质成型制品不应小于0.30MPa；常温导热系数w/(m∙K)：泡沫塑料及其制品不得大于0.0442，泡沫玻璃和多孔拉状材料及其制品不得大于0.064．并应具有随温度变化的导热系数方程式或图表；阻燃型保冷材料的级指数应等于或大于30等。同时材料的热流方向与保温材料的的热流方向相反，保冷材料外侧蒸气压大于内侧。蒸气容易渗入保冷层，致使保冷层内部产生凝结水，因此保冷材料要选用闭孔型材料。第2页/共26页LNG管道保温方式介绍

三聚酯PIR

聚酯多元醇和异氰酸酯反应生成聚异氰脲酸酯，简称三聚酯PIR。PIR是以聚醚多元醇、聚合异氰酸酯为主要原材料，经触媒作用后发生反应生成的具有闭孔L结构的硬质绝热材料。PIR低温适用性更好(最低达到-196℃)、导热系数低、耐热及阻燃性能好,是目前使用最理想的LNG保温材料。项目单位参数值密度Kg/m340-80导热系数W/m·k(20℃)W/m·k(20℃)≤0.030≤0.010燃烧性能B1级吸水率%≥0.10压缩强度MPa≥0.3尺寸稳定性-30℃×24h:-120℃×24h≤1%使用温度℃－196–+150线膨胀系数（5–10）×10-4密度30–80kg/m3（1–5）×10-4密度＞200kg/m3PIR性能参数保温材料的性能曲线第3页/共26页LNG管道保温方式介绍性质吸水率%导热率（W·(m·k)-1）线膨胀系（×10-5℃-1）氧指数%使用温度实验方法ASTMD–2842GB/8810–2005ASTMD–177GB/10244–2008ASTMD–693GB/T6342–1996ASTMD–3014GB/T8332–1987PIR<20.0190.433-200–160EPS<30.0317.225-40–80PUR<20.221.426-60–110NBR<40.04032-40–110由于PIR材料自身特性满足规范GB50246–1997对LNG管道对保冷的要求，且在深冷工程运用中保冷效果优异，如福建LNG，广东LNG上海华林气体等。相比于聚苯乙烯（EPS）、硬质聚氨酯（PUR）、橡胶（NBR）等其它保冷材料，PIR高达98%的闭孔率和在-200–160良好的稳定性，使其成为LNG管道最佳的保冷材料。PIR与聚苯乙烯（EPS）、硬质聚氨酯（PUR）、橡胶（NBR）四种材料部分性能参数对比。第4页/共26页LNG管道保温方式介绍聚氨酯发泡指由两种配置好的发泡材料，即白料和黑料，按一定的配比在高速搅拌下混合后发生化学反应，而制成的一种具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物。按工艺分，聚氨酯发泡可以分为机器自动发泡和手工发泡两种方式。聚氨酯发泡现场发泡聚氨酯保温隔热材料是连续喷涂、现场发泡的，不存在拼缝，也就从根本上消除了这一热桥影响，确保了节能目标更好的实现，其生产工艺简便，机械加工性能好。其缺点是需要现场预制发泡、模具耐候性、耐温性差且易燃、对施工条件要求比较苛刻，燃烧时产生的烟气具有毒性；在现场施工中多释放的ODP(臭氧消耗潜能值)不为零，对臭氧层有破坏作用；在施工过程中的挥发的有机气体对人体有害。下图为聚氨酯发泡的现场模具。第5页/共26页LNG管道保温方式介绍真空管保温真空管保温是一种新型、非常高效的绝热方式。真空管道因为传输介质中极低的冷损失而达到理想的保冷效果，再加上节能、环保的优越性，所以在超低温装置的工艺设计中经常被采用。真空管保冷具有以下特点：结构为主管加套管，可以承受将近240℃内外管道温差；真空可以大幅度降低气体导热和对流；长且薄的管壁大幅减少金属导热；多层超级绝热层大幅减少辐射传热；采用合理的补偿结构，技术指标先进，性能稳定，安全可靠；表面光洁，美观，耐腐蚀，使用寿命长。其缺点是成本高、需要备用管道、安装技术要求高、管道及阀门附件损坏后更换困难。第6页/共26页三种保冷方式的对比

从单价方面分析，据调研保冷厚度100mm，PIR造价340元/m，聚氨酯发泡造价135元/m，真空管保冷造价2500元/m。从单价分析，真空管造价最高，PIR次之，聚氨酯发泡最低。

综合以上分析PIR不论是从使用密度，低温适用性，导热系数，保冷结构还是耐热及阻燃性能上都优于聚氨酯发泡，是较理想的LNG保温材料。真空管存在不便维修，成本高、需要备用管道、安装技术要求高、管道及阀门附件损坏后更换困难等缺点。简言之PIR保冷总体性能最好，所以建议使用PIR。第7页/共26页LNG管道保冷结构LNGPIR管道保冷结构如下图所示，本结构设计依据国标GB/T50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》，管径50mm的保冷结构如下图所示。由内而外主要有：LNG管道，过渡层，保冷层，防潮层以及外保护层。直管段、弯头、三通处的保冷结构分别如下图所示：PIR管道保冷结构直管段保冷结构弯头保冷结构三通保冷结构第8页/共26页LNG管道保冷结构聚氨酯发泡保冷结构聚氨酯发泡管道保冷结构如图14所示，由内而外主要是LNG管道、聚氨酯保冷层、高密度聚乙烯密封层（PE管）、橡胶改性沥青背衬铝箔防潮层和铝皮保护层组成。直管段、弯头、三通处的保冷结构分别如下图所示：直管段保冷结构弯头保冷结构三通保冷结构第9页/共26页LNG管道保冷结构以某种真空多层绝热管为例，简单介绍绝热真空管的一般结构。如下图所示为LNG管道真空多层绝热管的结构，主要由内管道、外管道、管间支撑、膨胀节、超级绝热层以及阀门等其他附件组成。真空管绝热是在需要保冷或保温的介质外形成一个真空夹层，真空夹层可以隔绝空气的对流传热，多层缠绕的铝箔和纸绝热材料可以隔绝辐射传热和热传导，并将夹层抽成高真空状态，以降低对流传热；内外管之间用低导热系数材料隔离，以减少固体传热，从而把内管冷量损失控制到最低限度。真空管保冷结构第10页/共26页LNG管道保冷层厚度计算保冷厚度计算方法低温管道保冷层的计算方法主要有外表面温度算法，表面冷损失算法，保冷层经济厚度算法等上述3种绝热保冷层厚度的计算方法各有利弊，由于当地最热月平均相对湿度73%，容易在管道外表面结露，为了防止结露发生，所以本次保冷层厚度的计算方法采用外表面温度厚度计算，并采用最大冷量损失法进行校核。

保冷计算参照标准：GB/T50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》。保冷层厚度的计算方法采用表面温度发计算，同时采用表面冷量损失算法，两种算法相互进行校核。查取相关手册得知德州夏季空气调节室外计算干球温度34.8℃；露点温度29.5℃；。保冷材料PIR导热系数：λ=λ0+0.00009tW/(m•℃)，25℃时λ0=0.0275W/(m•℃)，空气换热系数：8.141W/(m℃)。第11页/共26页LNG管道保冷层厚度计算管道公称直径（mm）管道外径（mm）露点温度（℃）保冷层外径（mm）保温层厚度（mm）计算冷损失（W/m2）控制冷损失（W/m2）外表面温度（℃）202729.5168.870.8934.24736.634530.593324229.5198.878.4034.27236.634530.590404829.5209.680.7934.28836.634530.588506029.5230.185.0434.25336.634530.593657629.5254.789.3734.37636.634530.577808929.5273.892.4134.41936.634530.57210011429.5308.497.2234.49836.634530.56212514029.5342.4101.2234.57436.634530.553外表面温度算法计算结果第12页/共26页LNG管道保冷层厚度计算管道公称直径（mm）管道外径（mm）露点温度（℃）保冷层外径（mm）保温层厚度（mm）计算冷损失（W/m2）控制冷损失（W/m2）外表面温度（℃）202729.5188.380.6629.05336.634531.231324229.5220.589.2629.06136.634531.230404829.5232.292.1129.03036.634531.234506029.5253.596.7429.09436.634531.226657629.5277.999.9329.13036.634531.221808929.5299.9105.5029.16036.634531.21810011429.5336.2111.1229.21936.634531.21012514029.5371.7115.8529.27736.634531.203表面冷损失算法厚度计算结果针对本次所给图纸中LNG管线管径尺寸DN50，通过以上计算结果和分析可知至少需采用100mm厚度的保温层。第13页/共26页LNG管道保冷层厚度计算Textinhere管道外径与保冷层厚度的关系两种算法计算所得的保冷层厚度都随管道外径的增加而变大，且斜率逐渐减小，即随管道外径的增加，增大保冷层厚度所得的保冷效果将不明显；其中外表面温度算法计算所得的保冷层厚度比表面冷损失算法计算所得的保冷层厚度小10-15mm，即在满足保冷要求的条件下，外表面温度算法计算所得的保冷层更薄，更经济。第14页/共26页LNG管道保冷层厚度计算冷损失与外径的关系两种算法所得的计算冷损失均低于控制冷损失，即两种算法所得的保冷层厚度都满足控冷要求；其中表面冷损失法所得的计算冷损失比外表面温度法所得的计算冷损失小4W/m2，即在满足控冷要求的条件下，表面冷损失算法计算所得的保冷层的保冷效果更好。第15页/共26页LNG管道保冷层厚度计算外表面温度与外径的关系两种算法计算所得的外表面温度均高出露点温度1℃以上，即两种算法的计算结果均满足外表面不结霜的要求；其中表面冷损失算法计算所得的外表面温度比外表面温度算法计算所得的外表面温度高大约0.8℃，即表面冷损失算法所得的保冷层的保冷效果更好，更不容易结霜。第16页/共26页数值模拟应用ANSYSWorkbench软件对LNG低温管道结构进行稳态热分析，分析比较得到温度分布和管道径向热流率情况，为LNG管道保冷结构的优化提供了相应的依据。不锈钢管道内为LNG，外界为空气。模拟采用管道公称直径为100mm时的结构设计，经过合理的假设与简化。在保冷材料内表面施加温度载荷为-162℃，各层材料发生热传导，导热系数取常温下的平均导热系数；保冷材料外表面与外界空气发生热对流，空气的对流系数为8.141W/（m2•k）；环境温度为34.8℃。第17页/共26页数值模拟在对管道保冷模拟之前，先对材料的导热系数随温度的变化情况进行模拟及结果分析，计算对比分析保冷材料导热系数随温度变化和平均导热系数两种情况下的温度分布和管道径向热流率情况。通过对比两种情况下的温度分布图和热通量图，PIR的导热系数随温度变化和平均导热系数对于温度分布和热通量影响不大，LNG管道保冷层设计过程中，设计条件是满足外表面温度时，为方便计算可以采用平均导热系数进行计算。第18页/共26页数值模拟针对外表面温度算法所得管道公称直径为DN50mm时的结构设计，PIR保冷层内径为60mm，PIR保冷层厚度为96mm进行数值模拟。1）建立稳态热分析系统2）设置材料属性3）模型建立4）划分网格5）设置稳态热分析的边界条件6）稳态热分析结果后处理第19页/共26页数值模拟保冷层的简化模型网格划分图第20页/共26页从热通量图可以看出，总热通量从内向外逐步减少，内侧最大值为94.449W/m2,外侧最小值35.11W/m2，如图所示。热通量以矢量箭头方式显示，由图知有少量热量流入。温度分布图热流量图热通量矢量图第21页/共26页数值模拟针对冷损失算法所得管道公称直径为DN50mm时的结构设计，PIR保冷层内径为60mm，PIR保