陈逢春

惠生工程（中国）有限公司 （上海 201210）

化工工艺管道的蒸汽伴热设计

陈逢春

惠生工程（中国）有限公司 （上海 201210）

介绍了化工工艺管道蒸汽伴热的设计方法。依据工程设计相关规定，结合工程实例，论述了蒸汽伴热设计的相关注意事项。

化工工艺管道 蒸汽伴热 设计

0 引言

伴热作为一种有效的管道保温及防冻措施已广泛应用于化工工程建设中，其工作原理是利用伴热媒体散发一定的热量，通过直接或间接的热交换补充被伴热管道的热损失，达到升温、保温及防冻等目的。工艺管道常用的伴热介质为热水、蒸汽、热载体和电热。工艺管道的伴热方式有4种，即：内伴热管伴热、外伴热管伴热、夹套伴热和电伴热。由于蒸汽取用方便、冷凝潜热大、温度易于调节、适用范围较广，一直是装置中广泛采用的伴热介质。本文对蒸汽伴热管道系统的设计进行了一些归纳总结。

1 蒸汽伴热管道系统设计

对于低于环境温度，易冷凝、凝固或因热损失而黏度增高的工艺介质或腐蚀性气体中产生冷凝水而影响正常生产操作的管线、设备和仪表，除非有特殊加热处理，一般都应设蒸汽伴管。

蒸汽伴热管道系统由以下几个部分组成：（1）蒸汽总管；（2）蒸汽引入管；（3）蒸汽分配站；（4）蒸汽伴管；（5）冷凝水收集站；（6）冷凝水引出管；（7）冷凝水总管等。

1.1 蒸汽伴热管道系统图

蒸汽总管、蒸汽引入管、冷凝水总管、冷凝水引出管、蒸汽分配站及冷凝液收集站在伴热系统图中表示，分配站以及收集站应有相应的编号。分配站与收集站应注明伴管的起始点、编号和被伴热工艺管线号，每根伴管上应有两个相同的标签，一个安装在蒸汽分配站上，另一个安装在冷凝水收集站上，便于查找。

1.2 蒸汽伴热系统的设计要求

1.2.1 蒸汽分配站管道布置设计的一般要求

（1）分配站的布置应采用卧式（水平）或立式安装的形式。

（2）分配站接管数如下：DN40蒸汽分配站每站设DN15或DN20的接管口不多于6个；DN50蒸汽分配站每站设DN15或DN20的接管口不多于10个。每个分配站留1～2个备用口，备用口应配置阀门，并用螺纹管帽或法兰盖封闭。

（3）在3m半径范围内至少有3个伴热供气组的地方应提供伴热站。

（4）分配站尽可能靠墙、柱、平台栏杆等设置，其位置应使伴前管道尽量短。

（5）每组伴热供气总管上的切断阀通常安装在蒸汽主管上的出口附近，且安装在水平管上，该阀门宜采用截止阀。

（6）伴热供气总管应从蒸汽主管顶部引出，伴热供气管应从伴热站的顶部或水平引出。

（7）分配站一般应设置一个固定支架和一个滑动支架。

（8）分配站应设疏水阀，其低点应有排液管、切断阀。

1.2.2 冷凝液收集站管道布置设计的一般要求

（1）冷凝液收集站接管数如下：DN40冷凝液收集站每站设DN15或DN20的接管口不多于6个；DN50冷凝液收集站每站设DN15或DN20的接管口不多于10个。每个收集站留1～2个备用口，备用口应配置阀门，并用螺纹管帽或法兰盖封闭。

（2）根据管道布置设计需要，收集站可采用卧式（水平）或立式安装的形式。

（3）收集站的位置应使伴后管道尽量短。

（4）冷凝液收集站的各伴管接管口应带有各自的蒸汽疏水阀及切断阀。

（5）在3m半径范围内至少有3根冷凝液管的地方应提供冷凝液收集站。

（6）冷凝液站应预留1～2个备用接头。

（7）蒸汽冷凝液回水管应从总管的顶部引入；冷凝液总水管高于收集站时，如果确认冷凝液回水管可能有闪蒸蒸汽时，则收集管上应加止回阀。

1.2.3 伴管设计的一般要求

（1）伴管蒸汽应从主管蒸汽管顶部引出,并在靠近引出处设切断阀,切断阀宜设置在水平管道上。

（2）每根伴管宜单独设疏水阀,不宜与其他伴管合并疏水;通过疏水阀后的不回收凝结水,宜集中排放。

（3）为防止蒸汽窜入凝结水管网使系统背压升高,干扰凝结水系统正常运行,疏水阀组不宜设置旁路阀。

（4）伴管蒸汽应从高点引入,沿被伴热管道由高向低敷设,凝结水应从低点排出,应尽量减少U形弯,以防止产生气阻和液阻。

（5）被伴管为水平敷设时,伴管应安装在被伴管下方或两侧,垂直敷设时,伴管等于或多于3根时宜围绕被伴管均匀敷设。

（6）伴管经过阀门、管件时,伴管应沿其外形敷设,且宜避免或减少U形。

（7）当主管伴热,支管不伴热时,支管上的第一个切断阀应予伴热。

（8）被伴热管道上的取样阀、排液阀、放空阀和扫线阀等均应伴热。

（9）伴管连接应采用焊接,在经过被伴管的阀门、法兰等处时可采用法兰或活接头连接。∅12mm、∅10mm紫铜或不锈钢伴管宜采用卡套式接头连接。

1.3 伴管管径及根数选用

设计中，根据不同环境及工艺操作条件，蒸汽伴管管径及根数按SH/T 3040—2002《石油化工管道伴管和夹套管设计规范》表4.0.2-1～表4.0.2-4选用[1]。

当环境温度、伴管介质的操作条件、保温材料制品的导热系数及放热系数等数据与表4.0.2-1～表4.0.2-4不同时，伴管管径及根数按公式（1）计算[2]。

式中：d为伴管计算外径，m；do为伴管外径，m；Di为保温层内径，m；Do为保温层外径，m；K为热损失附加系数，取1.15～1.25；n为伴管根数，根；t为被伴介质温度，℃；ta为环境温度，℃；tst为伴管介质温度，℃；α为保温层外表面向大气的传热系数，W/ (m2·℃)；αi为保温层内加热空间向保温层的传热系数，W/(m2·℃)，一般取13.95W/(m2·℃)；αt为伴管向保温层内加热空间的传热系数，W/(m2·℃)；λ为保温材料制品导热系数，W/(m2·℃)。

1.4 伴管的最大长度

伴热蒸汽管的最大允许伴热有效长度与蒸汽压力和伴热管直径有关。伴管起伴点应尽可能靠近伴热分配站，伴热供汽（伴前管）一般不超过15m，终伴点尽可能靠近收集站。蒸汽伴热的伴热供汽和回凝（伴后管）总长度应控制在30m以内，若有超出，应适当缩短有效伴管长度。在同一个蒸汽分配站的蒸汽伴管当量长度大致相等时，最短蒸汽伴管的当量长度不宜小于最长伴管当量长度的70%。从伴管输出点到冷凝器之间的总长见表1。

表1 蒸汽伴管最大允许有效伴热长度

1.5 蒸汽伴热允许U形弯累计上升高度

化工设计中伴热蒸汽管难免会出现U形弯（袋形）的情况。U形弯会增加伴管中蒸汽的压力降，产生气阻。因此，当伴管在最大允许有效伴热长度出现U形弯时，累计上升高度不应大于表2中规定的数值。

表2 蒸汽伴管最大允许U形弯累计上升高度

1.6 蒸汽伴热站和伴热总管

蒸汽分配站和冷凝液收集站的管径可按公式（2）计算出S值，然后按表3查取。

式中：A为DN15、∅12mm、∅10 mm伴管根数；B为DN20伴管根数；C为DN25伴管根数。S值超过16时，设立蒸汽分配站和疏水站的数量≥2个。

表3 蒸汽分配站及冷凝液收集站管径DN

2 伴热管材料及规格的选用

伴热管材料的选用一般有3种：紫铜管、不锈钢管及碳钢管[3]。目前国内化工装置中常以碳钢管和不锈钢管作为伴热管，但对于伴热管施工困难的场合，如机泵、阀门、过滤器、仪表等不规则形状的表面，伴热管可采用紫铜管或不锈钢管。蒸汽伴管常采用的规格：紫铜管∅8×1，∅10×1；不锈钢管∅12×1.2，∅15×1.2；碳钢管DN15、DN20、DN25。一般规定蒸汽伴管的材料与蒸汽主管一样。如果被伴热主管为不锈钢，伴管通常仅选用304材质不锈钢。伴管采用卡套连接和对焊连接。

3 设计实例

已知条件：被伴热工艺管线内流体温度保持80℃，伴热蒸汽为0.6MPa的饱和蒸汽，最低环境温度为-5℃，工艺管线尺寸DN80mm，被伴热工艺管线长度50m，保温材料为环保型复合硅酸盐，保温厚度50mm。

查SH/T3040—2002表4.0.2-2，可知伴管n× DN应为1×DN15，伴热管采用单根DN15碳钢管。从表2可知，给定蒸汽最长能伴75 m，可满足所需伴热50 m的要求。从其附近蒸汽分配站引1根DN15的伴管即可。

4 结语

本文主要介绍了蒸汽伴热系统的相关设计要素，具体论述了设计及安装中应解决的伴管直径、数量、最大允许长度以及在最大允许长度范围内出现袋形累计上升的高度值等问题。蒸汽伴热在化工管道设计中有着至关重要的地位，蒸汽伴热管设计好，可以做到节约投资、施工方便，为装置的正常运行起到有力保证。

[1]康美琴,张发有.SH/T3040-2002石油化工管道伴热和夹套管设计规范[S].北京:中国石化出版社,2003.

[2]张发有.工艺装置蒸汽伴热管的设计与计算[J].石油化工设计,2010,27(3):42-45.

[3]周龙,文党伟,常洁.石油化工装置蒸汽伴热管的设计[J].化学工程与装备,2012(6):55-57.

Steam Heat Tracing Design for Chemical Process Piping

Chen Fengchun

Introduced design methods of steam heat tracing for chemical process piping.According to the relevant regulations of engineering design and combining with project examples,discussed the matters needing attention in the steam tracing design.

Chemical process piping;Steam heat tracing;Design

TQ 025.1

2013年11月

陈逢春 男 1982年生 天津大学硕士学位管道工程师从事石油化工及煤化工管道设计工作