夏 莉 杨树斌 李蔚 马志鹏



热流计在低温绝热管道漏热量测试中的应用

夏 莉 杨树斌 李蔚 马志鹏

（广东省特种设备检测研究院 广州 510655）

在低温绝热管道的定期检验中，现有标准规定的方法难以实施在线而又精确的漏热量测量。提出基于热流计测量法的低温管道漏热量测量，可实现管道在管线上免拆装的漏热量在线测量。通过比较分别采用热流计法和流量计法的管道漏热量测试结果，证明了热流计法测试结果的可靠性。

低温绝热管道；漏热量；热流计测量法；在线测量

0 引言

随着低温技术的发展，低温液体从最早的高端技术应用逐步向工业生产和民用生活领域渗透。低温液体适用领域的拓展带动了低温容器和低温管道的设计及制造向着多元化方向改变[1]。低温真空绝热管道是近几年随着低温液体的大规模使用以及抽真空技术的不断提高才逐渐推广使用的。由于带有真空夹层的低温绝热管道的保冷效果大大优于传统的采用包扎、堆积等绝热方式的低温绝热管道，因此该类低温绝热管道的用量越来越大，其性能也引起业内的广泛关注[2-4]。由于低温绝热管道内部的低温液体与环境存在约有200℃的温差，因此低温绝热管道设备的漏热量成为衡量其性能的重要指标参数[5]。目前，对低温绝热管道进行漏热量测量的方法是依据标准GB/T18443.6《真空绝热深冷设备性能试验方法第6部分：漏热量测量》[6]进行的。根据GB/T18443.6中的规定：漏热量测试有两种方法—流量计测量法和表面温度测量法。在实际操作中这两种方法均存在一些问题：标准中要求流量计测量法的试验原理、方法和装置应符合标准GB/T18443.5[7]中的规定—利用体积流量计或质量流量计测量单位时间内低温液体的自然蒸发量，然后根据蒸发量计算得到漏热量。对采用流量计法的漏热量测试，要求管道一定要有气相出口以便连接流量计进行蒸发气体流量的测量，这样就要求管道要在专门的实验系统上进行测试，测试时管道必须从管线上拆卸下来，因此该方法对于在用管道的漏热量检验是难以实施的；表面温度测量法是通过测量低温绝热管的外表面及对应环境的温度，然后按大空间自然对流计算漏入真空绝热管的漏热量。由于固定在管道表面的测温元件（热电偶或铂电阻）在测温时会同时受到管道表面以及环境的影响，所测结果不能准确地反映出管道表面的温度，因此表面温度测量法测得的漏热量结果准确程度不高[5]。基于此，本文采用热流计法进行低温绝热管道特别是在用低温绝热管道漏热量的测量，旨在探寻出一种便捷、准确的低温绝热管道漏热量在线测量方法，提高低温绝热管道在线检验实施的可操作性。

1 测试系统

在热流计法进行低温绝热管道漏量测试的研究中，以DN80的真空绝热管道作为测试对象，管长6米，管道外径为159mm，管道工作压力为1.59MPa，管道真空度为8.3×10-1Pa，管道中的工作介质为液氮。热流计由DaqPRO5300手持式可编程数据记录仪和法国Captec公司的高精度超薄热流传感器构成。测试前先将管道充满液氮，静置48小时，其间不断补充液氮保持管道充满。静置后，待管道内外到达热平衡，测试开始，热流采集时间间隔为1s，采集时间不少于1200s。

利用热流计进行低温管道漏热量测量时，参照文献[6]对测温点布置的要求进行热流计探头的布置：将热流计探头（如图1）布置在被测管道中间3m长的外管表面底部，测点不少于6个，在被测管道与保护端连接处布置不少于两个热电偶，测点布置情况见图2。

图1 热流计探头

图2 热流计探头位置示意图

2 测试结果

2.1 热流计法测试管道漏热量的试验结果分析

在被测管道中充满液氮待其内外达到热平衡后进行热流量的测量，结果如图3所示：其中（a）为测点1、（b）为测点2、（c）为测点3、（d）为测点5的热流密度。测点1和2位于低温绝热管的阴接头部位，测点3和5位于测试管段部位。

从图3中可以看出每个测点的热流密度在测试期间均有波动，这是因为在测试过程中管道内部以及外部环境只是相对的稳定，实际上管道内部介质在不断吸热汽化、气化后又有气体的流动、管道外部环境温度和气流也在不断地微小波动，这都会引起管道换热条件的变化，从而导致热流的波动。为将测试结果用于管道漏热量的计算，进一步在测试结果的基础上，通过计算得到测试过程中各测点的平均热流密度，如表1所示。

从测试结果中可以看出测点1、测点2、测点9和测点10的热流密度要比测点3～测点8的大得多。这是因为对于真空绝热管，管接头和管段部分的结构不同，接头部位的结构较管段复杂，在接头部位以热传导方式漏进内管低温液体的热量较多，因此总体的漏热量增加。在TSG D7002-2006《压力管道元件型式试验规则》[8]中对这种差异也有体现，规则对低温管接头与低温管段的漏热损失技术指标要求是不同，接头处的允许漏热量大于管段允许漏热量。对位于管道接头的四个测点进行分析，发现测点1与测点10的热流密度测试值分别大于测点2和测点9，这是因为越靠近连接法兰处的漏热量越大，法兰处热量直接通过导热方式向管道其他部位传递，因此越靠近法兰的测点其热流密度值越大。而对于处于管段上的6个测点（测点3～测点8），它们的测试结果平均值差别不大（如表1）。这是因为低温绝热管的管段部分的结构固定，所以各处传热模式也固定，因此位于管段各测点测试的热流密度相差不大。

表1 测点平均热流密度

在TSG D7002-2006《压力管道元件型式试验规则》[8]中对管段和管接头（阴接头和阳接头）的漏热量指标是分别进行规定的。那么在定期检验中是否也要分别评价管段和管接头的漏热量？实际上，定期检验中只要对管段的漏热量进行评价即可，这是因为：对于不同企业制造的低温管道产品其管道接头形式是不同的，这必将引起接头测点的测量结果之间存在较大差异，另外在同一低温管道的管接头上布置的测点位置不同热流密度的测试结果差别也很大，因此管接头的漏热量测试结果在定期检验中的意义不大。对于定期检验来说，由于真空绝热管道内部结构形式已经固定，影响管道漏热量大小的主要因素是管道的真空度，随着使用过程中真空夹层的漏放气，管道真空度产生变化，进而影响管道的绝热效果。通过试验发现，在位于低温管道管段的测点的测试热流密度差别不大，这样，这些位置热流密度的测量结果就很适合用于定期检验中对管道漏热量的评价。

2.2 热流计法测试管道漏热量的计算

由于热流计法测点的布置是不连续的，因此在进行漏热量计算时作如下假定：管接头的外表面热流密度沿轴线方向呈线性分布；管段上的热流密度取测量平均值。低温管道两端管接头各长1m，中间管段长4m。

根据管段表面的热流密度测试结果，可以计算得到管段的漏热量：

=·π（1）

式中：为管道漏热量，W；为测试管道外表面热流密度，W/m2；为管道外径，m；为管段部分的长度，m。

通过计算得到低温绝热管管段部分的总漏热量为15.93W，管段单位长度漏热量平均值为3.982W/m。

参照管段漏热量的计算及对管接头漏热量作的线性分布假设，计算得到低温管道阳接头漏热量为6.54W，阴接头漏热量为11.23W，低温管的总漏热量为33.7W。

根据GB/T 18443.6[6]，利用公式（2）计算管道标态漏热量。

式中，Q为标态漏热量，W；T为标准大气压下深冷液体饱和温度，K；1为试验时平均环境温度，K；2为试验时被检件内平均压力对应的深冷液体饱和温度，K。

通过计算得到真空度为8.3×10-1Pa的真空绝热管道标态漏热量为30.98W。

2.3 流量计法与热流计法测试结果的比较

另外，为验证热流计法测试的准确性，还利用流量计法对该管道的漏热量进行了测试，测试过程按照GB/T 18443.5[7]中规定的步骤进行，流量计法测得的漏热量是整个管道（包括管接头和管段）的总漏热量（单位：W）。

利用流量计法，测得蒸发气体的平均质量流量为10.79g/min，根据GB/T 18443.6[6]采用流量计法测试时，管道漏热量按下式计算：

流量计的校正系数为0.95，试验压力为0.1013MPa，根据公式（3）利用流量计法得到的管道总漏热量为34.1W。

比较分别采用两种方法的管道漏热量测试结果（流量计法：34.1W，热流计法：33.7W），二者相差不大，证明热流计法的测试结果可靠。

3 结论

在低温绝热管道的定期检验中，现有标准规定的方法难以实施在线而又精确的漏热量测量。因此，提出基于热流计的低温管道漏热量测量方法：

（1）热流计法可实现管道在管线上免拆装的在线漏热量测量。

（2）通过试验发现，位于管接头的测点的测试热流随测点位置不同变化较大，而位于低温管道管段的测点的测试热流密度差别不大，因此管段位置热流密度的测量结果就很适合用于评价定期检验中管道的漏热量。

（3）以DN80的真空绝热管道作为测试对象，采用热流计对其漏热量进行测试，结果是当真空度为8.3×10-1Pa时低温管的总漏热量为33.7W。

（4）比较分别采用热流计和流量计的管道漏热量测试结果，二者相差不大，证明热流计法的测试结果可靠。

[1] 刘志盈.高真空多层低温绝热管道抽真空工艺试验研究[D].上海:上海交通大学,2013.

[2] 冯若飞,李学新,焦光伟,等.液化天然气长输管道输送技术[J].天然气与石油,2012,(4):8-10.

[3] 陈长琦,乐瑞文,欧阳峥嵘,等.真空多层绝热LHe输送管设计计算与传热分析[J].合肥工业大学学报,2006,29(8): 937-940.

[4] 张敏丹.LNG低温输送管路的绝热保冷[J].低温技术,2005,(5):18-21.

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[6] 汪荣顺,周伟明,徐惠新,等.GB/T18443.6-2010真空绝热深冷设备性能试验方法第6部分：漏热量测量[S].北京:中国标准出版社,2010.

[7] 薛季爱,周伟明,汪荣顺,等.GB/T18443.5-2010真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测量[S].北京:中国标准出版社,2010.

[8] 谬春生,王晓钧,吴素云,等.TSG D7002-2006 压力管道元件型式试验规则[S].北京:中国计量出版社, 2007.

Application of Heat Flow Meter in Heat Leakage Testing of Cryogenic Heat-insulation Pipeline

Xia Li Yang Shubin LiWei Ma Zhipeng

( Guangdong institute of special equipment inspection, Guangzhou, 510655 )

In the periodic inspection of cryogenic heat-insulation pipeline, it is difficult to carry out the online and accurate measurement of heat leakage. In this paper, the heat leakage testing method based on the heat flow meter is proposed, which can realize the on-line measurement of heat leakage of the pipeline. Meanwhile, by comparing the heat leakage testing results with the heat flow meter method and the flow meter method, the reliability of the testing results with the heat flow meter method is proved.

cryogenic heat-insulation pipeline; heat leakage; heat flow meter method; online measurement

1671-6612（2017）05-506-05

TB657.9

A

国家质检总局科技计划项目2015QK164资助

2016-09-06

作者（通讯作者）简介：夏 莉（1978.8-），女，博士，高级工程师，E-mail：xiali0060202122@163.com