化工管道閥門防凍

                             化工管道閥門防凍

                           上海申弘閥門有限公司

      在化工廠管道設(shè)計(jì)中，管道的保溫和伴熱雖然常見，但管道的防凍保溫設(shè)計(jì)卻容易忽略，特別是在我國(guó)北方的寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)，管道的防凍保溫設(shè)計(jì)更是馬虎不得。在惡劣的氣候條件下，曾出現(xiàn)蒸汽管支管凍裂的情況，因此北方地區(qū)的管道配管有其特殊的要求，不能按普通的要求設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)實(shí)行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中尚無(wú)一個(gè)系統(tǒng)完善的設(shè)備、管道防凝、防凍準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)人員通常依據(jù)自身的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和沿用的習(xí)慣做法進(jìn)行設(shè)計(jì)。上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。筆者試圖結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)遇到的問題，重點(diǎn)闡述工藝管道防凍保溫的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)注意事項(xiàng)，以期為北方地區(qū)工業(yè)管道設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

 1  工藝管道內(nèi)介質(zhì)凍結(jié)機(jī)理 
    當(dāng)介質(zhì)在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于散熱損失的存在，介質(zhì)的溫度沿流程逐漸降低。在有限的管道長(zhǎng)度內(nèi)，在一般的散熱損失情況下，通常介質(zhì)溫度不至于降低到介質(zhì)的凝固點(diǎn)或冰點(diǎn)；但當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)停止流動(dòng)時(shí)，由于介質(zhì)得不到熱量的補(bǔ)充，溫度就有可能降至凝固點(diǎn)或冰點(diǎn)，甚至更低，從而發(fā)生凍結(jié)，輕則堵塞管道，重則導(dǎo)致管道破裂。通常在管內(nèi)介質(zhì)凍結(jié)時(shí)，首先是緊靠管內(nèi)壁的介質(zhì)開始凍結(jié)，圓形管道中凍結(jié)的介質(zhì)沿管壁呈環(huán)狀，然后逐漸增加凍結(jié)層厚度，直至凍結(jié)到管中心而堵塞管道。 
    由上述介質(zhì)凍結(jié)過程分析可知，管內(nèi)介質(zhì)凍結(jié)是一個(gè)不穩(wěn)定的傳熱過程。由于不穩(wěn)定傳熱過程的計(jì)算比較復(fù)雜，因此，在工程上一般采用簡(jiǎn)化方法，即按照穩(wěn)定傳熱的熱平衡方法計(jì)算防止凍結(jié)的保溫層厚度，并適當(dāng)考慮安全因素。



2  工藝管道防凍保溫設(shè)計(jì)方法

2.1  工藝管道的防凍 
    在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)，對(duì)于介質(zhì)內(nèi)含水的設(shè)備和管道，如果是連續(xù)操作且管道長(zhǎng)而集中，則采用保溫、伴熱的方式防凍，亦或采用設(shè)置排液、吹掃或輔助管道的方式防凍。從工藝介質(zhì)角度來說，有下列情況之一的管道必需進(jìn)行防凍設(shè)計(jì)：

①氣體冷凝時(shí)會(huì)產(chǎn)生腐蝕性的介質(zhì)；②氣體含有水分，同時(shí)在壓力下降時(shí)有可能生成冷凝水或結(jié)冰的介質(zhì)。 
    保溫是為了減少設(shè)備管道及其附件向周圍環(huán)境散熱而在其外表面采取的包覆措施。管道的防凍方式一般有保溫和伴熱2種。為了防止管道或設(shè)備被凍壞，必須根據(jù)介質(zhì)間斷的時(shí)間計(jì)算出保溫層的厚度，以防止或延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間。加熱保溫是化工物料輸送管道常用的一種保溫形式。加熱保溫是將輸送管道向環(huán)境中的散熱量用加熱的辦法加以補(bǔ)償，使輸送管道中物料溫度保持不變或不凍結(jié)。有實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于管徑小于DN40 mm的管道，即使外加保溫層，在夜間低流速工況下如果沒有熱源伴暖，壁溫通常會(huì)在3 h內(nèi)從12℃降至0℃，這是十分危險(xiǎn)的。管道內(nèi)物料向周圍空氣的散熱量應(yīng)由伴熱管來補(bǔ)充。加熱保溫常見的形式有蒸汽伴熱管、熱水伴熱管和電加熱帶3種。管道蒸汽伴熱的設(shè)計(jì)選用可參照文獻(xiàn)［1］。

2.2  保溫計(jì)算的原則 
    保溫設(shè)計(jì)應(yīng)符合減少散熱損失、節(jié)約能源、滿足工藝要求、保持生產(chǎn)能力、提高經(jīng)濟(jì)效益、改善工作環(huán)境等基本原則。由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8175－87《設(shè)備及管道保溫設(shè)計(jì)導(dǎo)則》與GB 50264－97《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的考慮方法不同，故導(dǎo)出2種計(jì)算公式。GB 8175－87專指介質(zhì)停止流動(dòng)時(shí)的管道，在計(jì)算中取介質(zhì)在管內(nèi)允許形成的凍結(jié)層截面積為管道總截面積的1／4左右，管徑大時(shí)可取大于1／4的數(shù)值，管徑較小時(shí)可取小于1／4的數(shù)值。對(duì)于小管徑的管道，由于其單位容積的散熱面積較大，發(fā)生凍結(jié)的危險(xiǎn)較大，因而在計(jì)算中要特別注意加大安全系數(shù)。GB 50264－97考慮到不少物料在溫度接近凝固點(diǎn)時(shí)，黏度及流體阻力急劇增加，當(dāng)貼管壁的物料凝固后還會(huì)引起安全閥、止回閥及儀表管件不能正常工作，故公式中未計(jì)入貼附在管壁上物料凝固時(shí)放出的熱量。 2.3  保溫層厚度的計(jì)算和確定 
    (1)管道和圓筒形設(shè)備外徑大于1020mm時(shí)，可按平面計(jì)算保溫層厚度(經(jīng)大量核算，按圓筒面計(jì)算與按平面汁算，其結(jié)果基本一致)，其余均按圓筒面計(jì)算保溫層厚度。計(jì)算公式和有關(guān)參數(shù)可在GB 8175－87和GB 50264－97中查找。 
    (2)為了減少保溫結(jié)構(gòu)散熱損失的保溫層厚度，應(yīng)按“經(jīng)濟(jì)厚度”的方法進(jìn)行計(jì)算，并且其散熱損失不得超過GB4272－92《設(shè)備及管道保溫技術(shù)通則》規(guī)定的數(shù)值。 
    (3)設(shè)備及管道內(nèi)介質(zhì)在允許或溫度降條件下輸送時(shí)，保溫層厚度按熟平衡方法計(jì)算。疏水閥 安裝合適的疏水閥只要有蒸汽通過，就不會(huì)出現(xiàn)冰凍問題。但是如果蒸汽斷了，蒸汽凝結(jié)水就會(huì)在熱交換器或伴管里形成真空。這就會(huì)在發(fā)生冰凍之前阻止凝結(jié)水從系統(tǒng)中自由排放出去。所以，要在被排放設(shè)備和疏水閥之間安裝一個(gè)真空破壞器。如果從疏水閥到回水管不是使用重力排放，疏水閥和排放管線就應(yīng)該用人工排放或者使用帶防凍措施的排放管自動(dòng)排放。還有，當(dāng)多個(gè)疏水閥一起安裝在疏水閥站的時(shí)候，給疏水閥保溫可以防止冰凍。
疏水閥防凍措施
疏水閥不要選的尺寸過大。
保持疏水閥排放管線盡可能短。
向下傾斜疏水閥排放管線，以加快重力排放的速度。
疏水閥排放管線和凝結(jié)水回水管線加保溫。
當(dāng)凝結(jié)水回水管線暴露在大氣條件下時(shí)，應(yīng)考慮加伴熱管。
如果回水管升高，垂直排放管要與回水集管上部的排放管相鄰，并把排放管和疏水閥排放管一起保溫。
選型、安裝合適的疏水閥只要有蒸汽通過，就不會(huì)出現(xiàn)冰凍問題。但是如果蒸汽斷了，蒸汽凝結(jié)水就會(huì)在熱交換器或伴管里形成真空。
在寒冷的冬季，尤其在北方地區(qū)，當(dāng)氣溫低于零度以下時(shí)，未設(shè)采暖的區(qū)域（如大多數(shù)小區(qū)的地下室、車庫(kù)等）內(nèi)安裝的液體管道和罐體內(nèi)的液體會(huì)結(jié)冰，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使管道罐體凍裂，設(shè)備癱瘓。如果給管道罐體安裝伴熱系統(tǒng)能有效解決結(jié)冰及凍裂問題，使液體在管道和罐體中流動(dòng)順暢，確保整個(gè)管道系統(tǒng)在冬季能正常使用。安裝時(shí)將發(fā)熱電纜纏繞于管道或閥門、罐體外部，將溫度傳感器貼于管道或閥門、罐體的適當(dāng)部位，然后包裹保溫材料，發(fā)熱電纜的一端與溫控器相連接，接通電源，將溫控器的防凍溫度設(shè)定在 5 ～ 10 ℃之間，當(dāng)溫度傳感器探測(cè)到管道溫度低于溫控器的設(shè)定溫度時(shí)，溫控器將接通電源，發(fā)熱電纜開始加熱管道或罐體；當(dāng)溫度傳感器探測(cè)到管道溫度高于溫控器的設(shè)定溫度時(shí)，溫控器將斷開電源，發(fā)熱電纜停止加熱，如此反復(fù)，確保管道不結(jié)冰不凍裂。該系統(tǒng)能大限度節(jié)約電能而又確保了管道的安全。

3  防凍保溫管道的布置要求和防凍措施 
    在寒冷地區(qū)，所有易凍管道，如循環(huán)水管道、新鮮水管道、間斷性用水管道、間斷性用蒸汽管道、冷凝液管道、沖洗水管道及地漏排污管等，均要按照防凍要求配管，壓縮機(jī)、水泵、安全閥、泄壓閥、公用工程管道也有其特殊防凍措施，處理方法如下。

3.1  埋地水管道 
    工業(yè)用水管道一般直徑較大，且在寒冷地區(qū)需考慮防凍，故多采用埋地敷設(shè)的方法。直徑較大的管道一旦發(fā)生結(jié)冰只是在管道內(nèi)壁結(jié)1圈冰，雖然不會(huì)堵塞管道，但其流量會(huì)受到限制，考慮到埋地管道不易清理，通常將其埋至冰凍線以下，以保證管道內(nèi)介質(zhì)不會(huì)結(jié)冰。

3.2  冰凍線以上的水管道 3.2.1  布置要求 
    (1)在寒冷地區(qū)埋地敷設(shè)的水管道引出地面時(shí)，應(yīng)根據(jù)工藝要求，在冷卻水出入口總管上設(shè)置切斷閥、防凍排水閥和長(zhǎng)流水等措施。寒冷地區(qū)冰凍線以上水管的防凍管道安裝形式見圖1～圖4。其中，循環(huán)水時(shí)可采用圖1所示防凍措施；新鮮水附近無(wú)回水管道可采用圖2或圖3所示防凍措施；冷月平均氣溫等于或低于0℃地區(qū)的循環(huán)水、新鮮水等管道可采用圖4所示防凍措施(斷流時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)需伴熱)。 

    (2)寒冷地區(qū)的管殼式冷卻器或其他冷卻設(shè)備，其進(jìn)出口管道閥門處應(yīng)設(shè)置防凍排液閥和防凍循環(huán)旁通管，以便在停工或檢修時(shí)，將設(shè)備和管內(nèi)的存水排凈，以避免凍裂設(shè)備。防凍循環(huán)旁通管和防凍排液閥應(yīng)盡量靠近閥門，而且也需保溫防凍。 
    (3)任何介質(zhì)的管線，在任何場(chǎng)所都不應(yīng)有“盲腸”管段，以避免管內(nèi)介質(zhì)凍結(jié)、凝固、局部腐蝕及吹掃不凈等。寒冷地區(qū)架空敷設(shè)的水管道應(yīng)避免死端、盲腸、袋狀管段，可以將有易凍管道的盲端改至短，或?qū)⒚つc管段改造為假管支撐，見圖5。對(duì)難以避免的袋狀管段應(yīng)考慮設(shè)置低點(diǎn)排液閥。 



3.2.2  防凍措施 
    (1)為防止室外地上管道不使用時(shí)發(fā)生管道凍裂，應(yīng)設(shè)置排水閥。平時(shí)沒有水流動(dòng)的管道，如孔板流量計(jì)的儀表管，應(yīng)設(shè)置蒸汽伴熱管，以防凍結(jié)。 
    (2)在裝置運(yùn)行時(shí)有可能暫時(shí)停車的設(shè)備，其冷卻水管道的切斷閥采用閥門保溫箱或?qū)﹂y門伴熱的方法防凍。 
    (3)安裝在垂直管道上的切斷閥或止回閥的出口排放閥應(yīng)盡量靠近切斷閥或止回閥，若有可能可在閥體上排放。 
    (4)泵或壓縮機(jī)的冷卻水排放管道應(yīng)設(shè)置成坡向管道，并將其沿坡向接至回水或下水管道。 3.3  壓縮機(jī)入口管道 
    壓縮機(jī)入口管道的防凍多采用熱水或蒸汽伴熱以及外敷保溫層的方法。當(dāng)然，伴熱保溫也是相對(duì)的，其熱量是否滿足要求還需考察其他因素。如果環(huán)境溫度太低，可將壓縮機(jī)放置在壓縮機(jī)房?jī)?nèi)，采取統(tǒng)一供暖的方式。這時(shí)的壓縮機(jī)入口管道可以不防凍，但暴露在室外的入門管道仍需保溫防凍。 3.4  水泵 
    水泵的防凍常采用在泵的進(jìn)、出口管道設(shè)置旁通管道的方式。為防止備用泵內(nèi)介質(zhì)凍結(jié)凝固，可采用配置設(shè)有限流孔板的防凍循環(huán)管道，使流體從備用泵的防凍循環(huán)管道經(jīng)泵體返回入口管。一般防凍循環(huán)管道設(shè)置在泵出口切斷閥前與泵出口之間，限流孔板須經(jīng)過核算，防凍管線仍需保溫。水泵防凍管道的安裝形式見圖6。 圖6中啟用泵的出口端(C和B)壓力應(yīng)大于入口端(A)的壓力，備用泵的出口端(D)壓力小于B點(diǎn)的壓力。由于止回閥的存在，使得止回閥上段至B點(diǎn)處有積液，因此設(shè)置了旁通線，使積液從B端通過旁通線流經(jīng)泵返回A點(diǎn)，以此達(dá)到防凍的目的。

3.5  安全閥、泄壓閥 
    所有易凍介質(zhì)或安全閥蒸汽放空、蒸汽放空閥放空后易產(chǎn)生冷凝液(無(wú)害)介質(zhì)，應(yīng)在靠近安全閥出口管底部處開設(shè)φ8 mm淚孔，以防止安全閥出口結(jié)冰引起憋壓爆炸。若泄壓閥排放至密閉系統(tǒng)，并且在低環(huán)境溫度下泄放總管中的氣體有可能冷凝時(shí)，應(yīng)在泄壓閥的排出口凝液可能有積聚的部分伴熱。配管應(yīng)從泄壓閥出口坡向泄壓總管，避免出現(xiàn)“袋形”，否則氣體凝液將凍結(jié)在泄壓閥出口管道內(nèi)而引起阻寒，從而導(dǎo)致泄壓不暢，發(fā)生事故。

3.6  公用工程物料管道 

    公用工程物料管道的防凍一般只是防止凝液的積聚，在工業(yè)裝置中不僅要采取保溫的方式防凍，還要在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置排放閥或疏水閥等，以便及時(shí)將產(chǎn)生的凝液排放掉。 3.6.1  蒸汽管道 
    (1)過熱蒸汽管道上的低點(diǎn)應(yīng)設(shè)置排放閥，閥的位置應(yīng)靠近蒸汽主管。 
    (2)飽和蒸汽管道上有可能積聚冷凝水的低點(diǎn)或末端需設(shè)置疏水閥。如果蒸汽分配集合管和冷凝液集合管在靠近主管的地方，則應(yīng)設(shè)置切斷閥或止回閥，且閥門要水平設(shè)置。蒸汽伴熱的每根支管末端應(yīng)設(shè)置分液包和疏水閥，在蒸汽可能積聚凝液的低點(diǎn)要設(shè)置排放閥，以便在系統(tǒng)停止供氣時(shí)，凝液能及時(shí)導(dǎo)出，避免凍結(jié)在管道內(nèi)。 
    (3)蒸汽伴管在回冷凝液收集站時(shí)應(yīng)盡量減少液袋(蒸汽伴管液袋是蒸汽伴管結(jié)凍的主要原因)，在不可避免的伴管液袋中，液袋高度按規(guī)范不能超4m。1個(gè)伴管多只能有1個(gè)液袋，不能按規(guī)范可允許幾個(gè)液袋同時(shí)存在。 3.6.2  消防管 
    (1)設(shè)備的安全噴淋系統(tǒng)應(yīng)在供水閥下游側(cè)設(shè)置排放閥，當(dāng)系統(tǒng)停止供水時(shí)應(yīng)能排凈，管道內(nèi)不得留存液體，以免在冬季將管道凍裂。 
    (2)事故淋浴洗眼設(shè)施應(yīng)盡量設(shè)在室內(nèi)，如果必須設(shè)在室外時(shí)，應(yīng)靠近建筑物的墻邊安裝，供水管道及其閥門應(yīng)安裝在建筑物內(nèi)。 3.6.3  空氣系統(tǒng)管道 
    裝置內(nèi)空氣系統(tǒng)(工廠空氣和儀表空氣)是管道防凍保溫容易忽略的地方，因?yàn)楣S空氣和儀表空氣介質(zhì)中含有少量水蒸氣。防凍處理方法是在緩沖罐底部管口導(dǎo)淋閥后增加疏水閥或在緩沖罐底部增加伴熱，在空氣經(jīng)過過濾器、分離器時(shí)，其中的水蒸氣就會(huì)凝結(jié)積留在設(shè)備底部。緩沖罐需設(shè)置排放閥以排除凝液。在空氣系統(tǒng)管道的低點(diǎn)有可能積聚冷凝水的地方也應(yīng)設(shè)置排放閥。 3.7  放空和導(dǎo)淋 
    在通常的設(shè)計(jì)中，放空閥和導(dǎo)淋閥前短管按規(guī)范其長(zhǎng)度為75～100 mm，根據(jù)筆者在神華煤氣化工程現(xiàn)場(chǎng)和其他北方工程現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明，放空閥和導(dǎo)淋閥前短管長(zhǎng)度在75～100 mm時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，應(yīng)采用小于50 mm的短管為宜，且焊接時(shí)必須采用有效的冷卻措施。 4  結(jié)語(yǔ) 
    (1)化工廠工藝管道的防凍保溫有其*的處理方法。工藝管道多采用蒸汽或熱水伴熱防凍，保溫防凍也是經(jīng)常采用的方式之一。 
    (2)如果管道中的介質(zhì)具有足夠的顯熱，可利用保溫層減少介質(zhì)自身熱量的損失，以此保證物料在管道內(nèi)不至因黏度過大而滯流。 
    (3)以往公用工程物料管道和水管道多是采用設(shè)置排液裝置來達(dá)到防凍的目的，隨著化工裝置的規(guī)模越來越大，操作人性化要求間歇操作時(shí)間過長(zhǎng)的公用工程管道也應(yīng)采用伴熱保溫的方式。 
    (4)設(shè)計(jì)者需本著合理設(shè)計(jì)、節(jié)約能源的原則，對(duì)整個(gè)裝置的防凍統(tǒng)一考慮，在重點(diǎn)環(huán)節(jié)上多下功大，以確保化工裝置順利過冬。與本文相關(guān)的論文有：五陽(yáng)煤礦應(yīng)用閥門案例