化工管道閥門防凍
上海申弘閥門有限公司
在化工廠管道設計中，管道的保溫和伴熱雖然常見，但管道的防凍保溫設計卻容易忽略，特別是在我國北方的寒冷和嚴寒地區，管道的防凍保溫設計更是馬虎不得。在惡劣的氣候條件下，曾出現蒸汽管支管凍裂的情況，因此北方地區的管道配管有其特殊的要求，不能按普通的要求設計。目前國內實行的設計標準中尚無一個系統完善的設備、管道防凝、防凍準則，設計人員通常依據自身的現場經驗和沿用的習慣做法進行設計。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,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、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、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。筆者試圖結合工程現場遇到的問題，重點闡述工藝管道防凍保溫的設計方法和相關注意事項，以期為北方地區工業管道設計提供參考和借鑒。
1 工藝管道內介質凍結機理
當介質在管道內流動時，由于散熱損失的存在，介質的溫度沿流程逐漸降低。在有限的管道長度內，在一般的散熱損失情況下，通常介質溫度不至于降低到介質的凝固點或冰點；但當管內介質停止流動時，由于介質得不到熱量的補充，溫度就有可能降至凝固點或冰點，甚至更低，從而發生凍結，輕則堵塞管道，重則導致管道破裂。通常在管內介質凍結時，首先是緊靠管內壁的介質開始凍結，圓形管道中凍結的介質沿管壁呈環狀，然后逐漸增加凍結層厚度，直至凍結到管中心而堵塞管道。
由上述介質凍結過程分析可知，管內介質凍結是一個不穩定的傳熱過程。由于不穩定傳熱過程的計算比較復雜，因此，在工程上一般采用簡化方法，即按照穩定傳熱的熱平衡方法計算防止凍結的保溫層厚度，并適當考慮安全因素。
2 工藝管道防凍保溫設計方法
2.1 工藝管道的防凍
在寒冷或嚴寒地區，對于介質內含水的設備和管道，如果是連續操作且管道長而集中，則采用保溫、伴熱的方式防凍，亦或采用設置排液、吹掃或輔助管道的方式防凍。從工藝介質角度來說，有下列情況之一的管道必需進行防凍設計：
①氣體冷凝時會產生腐蝕性的介質；②氣體含有水分，同時在壓力下降時有可能生成冷凝水或結冰的介質。
保溫是為了減少設備管道及其附件向周圍環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。為了防止管道或設備被凍壞，必須根據介質間斷的時間計算出保溫層的厚度，以防止或延長凍結時間。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境中的散熱量用加熱的辦法加以補償，使輸送管道中物料溫度保持不變或不凍結。有實驗表明，對于管徑小于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，壁溫通常會在3 h內從12℃降至0℃，這是十分危險的。管道內物料向周圍空氣的散熱量應由伴熱管來補充。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。管道蒸汽伴熱的設計選用可參照文獻［1］。
2.2 保溫計算的原則
保溫設計應符合減少散熱損失、節約能源、滿足工藝要求、保持生產能力、提高經濟效益、改善工作環境等基本原則。由于國家標準GB 8175－87《設備及管道保溫設計導則》與GB 50264－97《工業設備及管道絕熱工程設計規范》的考慮方法不同，故導出2種計算公式。GB 8175－87專指介質停止流動時的管道，在計算中取介質在管內允許形成的凍結層截面積為管道總截面積的1／4左右，管徑大時可取大于1／4的數值，管徑較小時可取小于1／4的數值。對于小管徑的管道，由于其單位容積的散熱面積較大，發生凍結的危險較大，因而在計算中要特別注意加大安全系數。GB 50264－97考慮到不少物料在溫度接近凝固點時，黏度及流體阻力急劇增加，當貼管壁的物料凝固后還會引起安全閥、止回閥及儀表管件不能正常工作，故公式中未計入貼附在管壁上物料凝固時放出的熱量。 2.3 保溫層厚度的計算和確定
(1)管道和圓筒形設備外徑大于1020mm時，可按平面計算保溫層厚度(經大量核算，按圓筒面計算與按平面汁算，其結果基本一致)，其余均按圓筒面計算保溫層厚度。計算公式和有關參數可在GB 8175－87和GB 50264－97中查找。
(2)為了減少保溫結構散熱損失的保溫層厚度，應按“經濟厚度”的方法進行計算，并且其散熱損失不得超過GB4272－92《設備及管道保溫技術通則》規定的數值。
(3)設備及管道內介質在允許或溫度降條件下輸送時，保溫層厚度按熟平衡方法計算。疏水閥 安裝合適的疏水閥只要有蒸汽通過，就不會出現冰凍問題。但是如果蒸汽斷了，蒸汽凝結水就會在熱交換器或伴管里形成真空。這就會在發生冰凍之前阻止凝結水從系統中自由排放出去。所以，要在被排放設備和疏水閥之間安裝一個真空破壞器。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該用人工排放或者使用帶防凍措施的排放管自動排放。還有，當多個疏水閥一起安裝在疏水閥站的時候，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水回水管線加保溫。
當凝結水回水管線暴露在大氣條件下時，應考慮加伴熱管。
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，就不會出現冰凍問題。但是如果蒸汽斷了，蒸汽凝結水就會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，當氣溫低于零度以下時，未設采暖的區域（如大多數小區的地下室、車庫等）內安裝的液體管道和罐體內的液體會結冰，嚴重時會使管道罐體凍裂，設備癱瘓。如果給管道罐體安裝伴熱系統能有效解決結冰及凍裂問題，使液體在管道和罐體中流動順暢，確保整個管道系統在冬季能正常使用。安裝時將發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、罐體的適當部位，然后包裹保溫材料，發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定在 5 ～ 10 ℃之間，當溫度傳感器探測到管道溫度低于溫控器的設定溫度時，溫控器將接通電源，發熱電纜開始加熱管道或罐體；當溫度傳感器探測到管道溫度高于溫控器的設定溫度時，溫控器將斷開電源，發熱電纜停止加熱，如此反復，確保管道不結冰不凍裂。該系統能大限度節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，所有易凍管道，如循環水管道、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、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
工業用水管道一般直徑較大，且在寒冷地區需考慮防凍，故多采用埋地敷設的方法。直徑較大的管道一旦發生結冰只是在管道內壁結1圈冰，雖然不會堵塞管道，但其流量會受到限制，考慮到埋地管道不易清理，通常將其埋至冰凍線以下，以保證管道內介質不會結冰。
3.2 冰凍線以上的水管道 3.2.1 布置要求
(1)在寒冷地區埋地敷設的水管道引出地面時，應根據工藝要求，在冷卻水出入口總管上設置切斷閥、防凍排水閥和長流水等措施。寒冷地區冰凍線以上水管的防凍管道安裝形式見圖1～圖4。其中，循環水時可采用圖1所示防凍措施；新鮮水附近無回水管道可采用圖2或圖3所示防凍措施；冷月平均氣溫等于或低于0℃地區的循環水、新鮮水等管道可采用圖4所示防凍措施(斷流時間過長時需伴熱)。
(2)寒冷地區的管殼式冷卻器或其他冷卻設備，其進出口管道閥門處應設置防凍排液閥和防凍循環旁通管，以便在停工或檢修時，將設備和管內的存水排凈，以避免凍裂設備。防凍循環旁通管和防凍排液閥應盡量靠近閥門，而且也需保溫防凍。
(3)任何介質的管線，在任何場所都不應有“盲腸”管段，以避免管內介質凍結、凝固、局部腐蝕及吹掃不凈等。寒冷地區架空敷設的水管道應避免死端、盲腸、袋狀管段，可以將有易凍管道的盲端改至短，或將盲腸管段改造為假管支撐，見圖5。對難以避免的袋狀管段應考慮設置低點排液閥。
3.2.2 防凍措施
(1)為防止室外地上管道不使用時發生管道凍裂，應設置排水閥。平時沒有水流動的管道，如孔板流量計的儀表管，應設置蒸汽伴熱管，以防凍結。
(2)在裝置運行時有可能暫時停車的設備，其冷卻水管道的切斷閥采用閥門保溫箱或對閥門伴熱的方法防凍。
(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)泵或壓縮機的冷卻水排放管道應設置成坡向管道，并將其沿坡向接至回水或下水管道。 3.3 壓縮機入口管道
壓縮機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。當然，伴熱保溫也是相對的，其熱量是否滿足要求還需考察其他因素。如果環境溫度太低，可將壓縮機放置在壓縮機房內，采取統一供暖的方式。這時的壓縮機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、出口管道設置旁通管道的方式。為防止備用泵內介質凍結凝固，可采用配置設有限流孔板的防凍循環管道，使流體從備用泵的防凍循環管道經泵體返回入口管。一般防凍循環管道設置在泵出口切斷閥前與泵出口之間，限流孔板須經過核算，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)壓力應大于入口端(A)的壓力，備用泵的出口端(D)壓力小于B點的壓力。由于止回閥的存在，使得止回閥上段至B點處有積液，因此設置了旁通線，使積液從B端通過旁通線流經泵返回A點，以此達到防凍的目的。
3.5 安全閥、泄壓閥
所有易凍介質或安全閥蒸汽放空、蒸汽放空閥放空后易產生冷凝液(無害)介質，應在靠近安全閥出口管底部處開設φ8 mm淚孔，以防止安全閥出口結冰引起憋壓爆炸。若泄壓閥排放至密閉系統，并且在低環境溫度下泄放總管中的氣體有可能冷凝時，應在泄壓閥的排出口凝液可能有積聚的部分伴熱。配管應從泄壓閥出口坡向泄壓總管，避免出現“袋形”，否則氣體凝液將凍結在泄壓閥出口管道內而引起阻寒，從而導致泄壓不暢，發生事故。
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，在工業裝置中不僅要采取保溫的方式防凍，還要在適當的位置設置排放閥或疏水閥等，以便及時將產生的凝液排放掉。 3.6.1 蒸汽管道
(1)過熱蒸汽管道上的低點應設置排放閥，閥的位置應靠近蒸汽主管。
(2)飽和蒸汽管道上有可能積聚冷凝水的低點或末端需設置疏水閥。如果蒸汽分配集合管和冷凝液集合管在靠近主管的地方，則應設置切斷閥或止回閥，且閥門要水平設置。蒸汽伴熱的每根支管末端應設置分液包和疏水閥，在蒸汽可能積聚凝液的低點要設置排放閥，以便在系統停止供氣時，凝液能及時導出，避免凍結在管道內。
(3)蒸汽伴管在回冷凝液收集站時應盡量減少液袋(蒸汽伴管液袋是蒸汽伴管結凍的主要原因)，在不可避免的伴管液袋中，液袋高度按規范不能超4m。1個伴管多只能有1個液袋，不能按規范可允許幾個液袋同時存在。 3.6.2 消防管
(1)設備的安全噴淋系統應在供水閥下游側設置排放閥，當系統停止供水時應能排凈，管道內不得留存液體，以免在冬季將管道凍裂。
(2)事故淋浴洗眼設施應盡量設在室內，如果必須設在室外時，應靠近建筑物的墻邊安裝，供水管道及其閥門應安裝在建筑物內。 3.6.3 空氣系統管道
裝置內空氣系統(工廠空氣和儀表空氣)是管道防凍保溫容易忽略的地方，因為工廠空氣和儀表空氣介質中含有少量水蒸氣。防凍處理方法是在緩沖罐底部管口導淋閥后增加疏水閥或在緩沖罐底部增加伴熱，在空氣經過過濾器、分離器時，其中的水蒸氣就會凝結積留在設備底部。緩沖罐需設置排放閥以排除凝液。在空氣系統管道的低點有可能積聚冷凝水的地方也應設置排放閥。 3.7 放空和導淋
在通常的設計中，放空閥和導淋閥前短管按規范其長度為75～100 mm，根據筆者在神華煤氣化工程現場和其他北方工程現場經驗證明，放空閥和導淋閥前短管長度在75～100 mm時經常出現凍結現象，應采用小于50 mm的短管為宜，且焊接時必須采用有效的冷卻措施。 4 結語
(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，保溫防凍也是經常采用的方式之一。
(2)如果管道中的介質具有足夠的顯熱，可利用保溫層減少介質自身熱量的損失，以此保證物料在管道內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置排液裝置來達到防凍的目的，隨著化工裝置的規模越來越大，操作人性化要求間歇操作時間過長的公用工程管道也應采用伴熱保溫的方式。
(4)設計者需本著合理設計、節約能源的原則，對整個裝置的防凍統一考慮，在重點環節上多下功大，以確保化工裝置順利過冬。與本文相關的論文有：五陽煤礦應用閥門案例
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