Министерство монтажных и специальных
строительных работ СССР

ИНСТРУКЦИЯ
ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОДУКТОПРОВОДОВ,
ОБОГРЕВАЕМЫХ ПАРОВЫМИ И ВОДЯНЫМИ СПУТНИКАМИ

ВСН 168-76
ММСС СССР

© Центральное бюро
научно-технической информации
Москва - 1978

В инструкции приведены виды теплоизоляционных материалов и конструкций, применяемые для изоляции продуктопроводов с обогревающими спутниками, требования, предъявляемые к ним, инженерные методы расчета тепловой изоляции продуктопроводов с паровыми и водяными спутниками при движущемся и неподвижном продукте, а также расчет температур продукта и теплоносителя по длине обогреваемого магистрального трубопровода.

Инструкция предназначена для расчета и проектирования теплоизоляционных конструкций продуктопроводов со спутниками предприятий нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности и химического и нефтяного машиностроения СССР.

Инструкция разработана лабораторией математического моделирования и вычислительной техники ВНИПИ Теплопроект (зав. лабораторией, канд. техн. наук З.Г. Петров-Денисов, мл. науч. сотрудник В.Н. Борина) при участии лаборатории теплофизических исследований (зав. лабораторией, канд. техн. наук И.Б. Заседателев, зав. сектором, канд. техн. наук Л.А. Масленников) и отдела проектирования тепловой изоляции (нач. отдела В.И. Герасимова, гл. специалист В.В. Попова).

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящая инструкция распространяется на проектирование тепловой изоляции продуктопроводов с положительными температурами, обогреваемых паровыми и водяными спутниками и расположенных на открытом воздухе, в помещении и тоннелях.

1.2. Расчет изоляции должен производиться исходя из условий сохранения заданной температуры продукта в любом сечении по длине продуктопровода для двух режимов его работы:

при прекращении движения продукта более чем на 12 ч, как для неподвижного продукта;

при остановке менее чем на 12 ч, а для диаметра продуктопровода до 89 мм и в случае полной остановки, как для движущегося продукта.

1.3. Для обогрева продуктопроводов с температурой продукта выше 50 °C могут использоваться пар и вода, подаваемая от бойлерной или систем промышленного теплоснабжения. Теплофикационная вода от ТЭЦ, осуществляющей регулирование температуры подаваемой воды по отопительному графику, может применяться для обогрева продуктопроводов с температурой продукта не более 50 °C

1.4. Выбор схем подключения водяных обогревающих спутников (рис. 1) должен осуществляться с учетом общей схемы теплоснабжения предприятия, расположения обогреваемых продуктопроводов, количества спутников, вида теплоносителя, длины обогреваемого участка, располагаемого давления в подающей линии и т.д. При этом для водяных спутников следует учитывать следующее:

при обогреве продуктопроводов с неподвижным продуктом схемы 1, 2, 3, 4 с точки зрения эффективности теплообмена равноценны;

при необходимости устройства двух спутников для обогрева продуктопроводов с неподвижным продуктом следует использовать схемы 5, 6. Схема 6 рекомендуется преимущественно для обогреваемых участков длиной свыше 500 м и высоких температур продукта;

во всех случаях обогрева продуктопроводов с движущимся продуктом следует применять противоточные схемы 2, 4 и схемы со смешанным током 5, 6.

Рис. 1. Схемы подключения обогревающих спутников:

1 - прямоток с одним спутником; 2 - противоток с одним спутников; 3 - прямоток с двумя спутниками: 4 - противоток с двумя спутниками; 5 - смешанный ток с двумя спутниками с односторонней подпиткой; 6 - смешанный ток с двумя спутниками с двусторонней подпиткой

1.5. Проект тепловой изоляции продуктопроводов со спутниками должен выполняться на основании технического задания.

В задании должны быть указаны:

диаметр и длина обогреваемого продуктопровода;

температура продукта и окружающего воздуха;

температура и давление обогревающих теплоносителей (пара или воды);

местонахождение объекта;

требования, предъявляемые к изоляции;

схема коммуникаций.

1.6. При проектировании систем обогрева продуктопроводов. кроме теплового расчета изоляции, выполняемого по настоящей инструкции, необходимо производить гидравлический и тепловой расчет теплоснабжения спутников. Окончательный выбор количества и диаметров обогревающих спутников, конструкции и толщины изоляции следует осуществлять на основе технико-экономических расчетов.

2. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ

2.1. Для тепловой изоляции продуктопроводов, обогреваемых спутниками, должны применяться теплоизоляционные конструкции, представляющие собой комплект всех элементов (основной теплоизоляционный слой, покровный слой, детали крепления). Конструкцию тепловой изоляции следует принимать в соответствии с типовыми деталями серии 2.400-4 и типовым проектом Н-4503 «Тепловая изоляция продуктопроводов, обогреваемых паровыми и водяными спутниками».

2.2. Материалы для основного теплоизоляционного слоя должны иметь качественные показатели, отвечающие требованиям ГОСТ, технических условий и глава СНиП «Теплоизоляционные и акустические материалы и изделия».

2.3. Номенклатура и краткие технические характеристики изделий основного теплоизоляционного слоя, а также характеристики его в конструкции приведены в приложении 1.

2.4. Обогреваемый продуктопровод должен прокладываться вместе с обогревающими спутниками в общей изоляционной конструкции, причем в зависимости от требований, предъявляемых к изоляции, меняются конструктивные решения тепловой изоляции (рис. 2), которые обусловливают необходимую поверхность (угол) обогрева продуктопровода.

В соответствии с указанным применяются конструкции, предусматривающие полный (см. рис. 2, ж) и частичный (см. рис. 2, а, б, в, г, д, е) обогрев.

2.5. Для обогрева продуктопроводов должны использоваться преимущественно конструкции с естественным углом обогрева (см. рис. 2, а, б, в, г). Конструкции с полным и частичным обогревом (см. рис. 2, д, е, к) следует применять лишь в тех случаях, когда к изоляции продуктопроводов предъявляются особенно строгие требования, обусловленные технологией производства.

2.6. Для лучшего использования теплоотдающей поверхности обогревающего спутника должны применяться специальные подкладки (см. рис. 2, в, г, д, е, ж). (серия 2.400-4 и типовой проект Н-4503).

2.7. Для продуктопроводов диаметром до 159 мм, расположенных в помещении, при температуре продукта до 30 °C при обогреве водой и до 60 °C при обогреве паром допускается использование конструкций с частичным обогревом без подкладок (см. рис. 2, а, б).

2.8. Теплоизоляционные конструкции должны:

сохранять в течение всего срока службы изолируемых трубопроводов свои основные теплоизоляционные свойства, а также структуру без коробления, растрескивания и выгорания;

не вызывать коррозии изолируемых металлических поверхностей;

не препятствовать температурным деформациям изолируемых трубопроводов при разогреве и остывании.

2.9. Для защитно-покровного слоя изоляции продуктопроводов со спутниками должны применяться изделия, позволяющие выполнять монтаж индустриальными методами, а именно:

покрытия из тонколистовой оцинкованной стали, тонколистовой кровельной стали с окраской, листов алюминиевого сплава;

скорлупы и листы из стеклопластиков.

 

Рис. 2. Типы конструкций тепловой изоляции:

а - без подкладки, b < 180°; б - без подкладки, b ≈ 180°; в - с подкладкой, b < 180°; г - с подкладкой, b ≈ 180°; д - с подкладкой, b = 180°; е - с подкладкой, b > 180°; ж - предусматривающая полный обогрев, b = 360°: 1 - обогреваемый продуктопровод; 2 - обогреваемый спутник; 3 - теплоизоляционный слой; 4 - подкладка; b - угол обогрева

2.10. Номенклатура материалов для защитно-покровного слоя и область их применения приведены в приложении 2.

2.11. Наружная отделка изоляции в виде окраски поверхности защитно-покровного слоя должна применяться в зависимости от окружающей среды и условий эксплуатации.

2.12. Арматуру и фланцевые соединения продуктопроводов со спутниками необходимо изолировать съемными конструкциями.

2.13. Уплотняющиеся волокнистые теплоизоляционные материалы и изделия должны применяться с уплотнением, соответствующим объемной массе, получаемой при монтаже тепловой изоляции.

Уплотнение учитывается общим расчетным коэффициентом уплотнения К. Коэффициенты уплотнения изделий из волокнистых материалов приведены в приложении 3.

2.14. Объем минерало- и стекловатных изделий в ведомости потребных материалов (заказной спецификации) определяется путем умножения объема изоляции в деле (указанного в техномонтажной ведомости или ведомости объемов работ) на приведенной в приложении 3 общий коэффициент уплотнения К и коэффициент К₁, учитывающий потери в соответствии со сметными нормами:

                                                         (1)

где V_о - объем изделий в ведомости потребных материалов (заказной спецификации), м³;

V_т - объем изоляции в деле, указанный в техномонтажной ведомости или ведомости объемов работ, м³.

2.15. Толщина минерало- и стекловатных изделий δ_о - в ведомости потребных материалов (заказной спецификации) определяется по формуле

                                                    (2)

где δ_р - расчетная толщина изоляции в конструкции, указанная в техномонтажной ведомости, м;

d_пр - приведенный диаметр (d_пр = d_тр + d_сп), м;

d_тр - наружный диаметр продуктопровода, м;

d_сп - наружный диаметр спутника, м;

К - общий коэффициент уплотнения, принимаемый по приложению 3.

Вычисленная по данной формуле толщина округляется до ближайшего значения по ГОСТ или ТУ.

2.16. Минимальная толщина основного слоя теплоизоляционных конструкций должна приниматься: 40 мм для матов минераловатных, цилиндров и скорлуп минераловатных на фенольной связке; 30 мм для полос и матов из стеклянного волокна. Максимальная толщина теплоизоляционных конструкций не должна превышать 100 мм.

2.17. Расстояние между осями изолированных продуктопроводов со спутниками при прокладке на эстакадах следует принимать по приложению 4.

3. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

3.1. При расчете тепловой изоляции расчетная температура окружающей среды t_о должна приниматься:

для продуктопроводов, расположенных на открытом воздухе, равной средней температуре окружающего воздуха за самую холодную пятидневку по климатологическим таблицам СНиП «Строительная климатология и геофизика»;

для продуктопроводов, расположенных в помещении, равной температуре окружающего воздуха в нем;

для продуктопроводов, расположенных в тоннелях, равной 40 °C.

Примечание. При использовании в качестве теплоносителя воды от ТЭЦ, осуществляющей регулирование температуры подаваемой воды по отопительному графику, для продуктопроводов, расположенных на открытом воздухе, расчетную температуру окружающей среды принимают равной 8 °C.

3.2. Ориентировочный выбор диаметров и количества спутников для продуктопроводов, расположенных на открытом воздухе и в помещении, в зависимости от их диаметра, температуры продукта и теплоносителя следует выполнять по приложению 5.

Расчет тепловой изоляции при движущемся продукте

3.3. Расчет требуемой толщины изоляции производится на основе решения двух уравнений теплового баланса:

                                               (3)

                                                                       (4)

где t_тр, t_о, t_в - температура соответственно продукта, окружающего воздуха и воздуха в пространстве, ограниченном изоляцией, °C.

3.4. Температура спутника t_сп в расчетах принимается при обогреве паром равной температуре насыщенного пара; при обогреве водой вычисляется по формуле:

                                                        (5)

где  - температура воды на входе в спутник, °C;

 - температура воды на выходе из спутника, °C.

3.5. Удельное термическое сопротивление теплоотдаче от спутника в пространство, ограниченное изоляцией, м · град/Вт (м · ч · град/ккал), следует вычислять по формуле:

                                                        (6)

где n - число спутников;

a_сп - коэффициент теплоотдачи спутника, Вт/м² · град (ккал/м² · ч · град);

d_сп - наружный диаметр спутника, м.

3.6. Коэффициент теплоотдачи от спутника в пространство, ограниченное изоляцией, определяется по формуле:

                                                      (7)

где NU_эф - значение эффективного критерия Нуссельта. Его следует определять по графику приложения 6 в зависимости от величины произведения критериев Gr · Pr;

λ_в - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м · град (ккал/м · ч · град). Его следует подбирать по средней температуре, равной

                                                         (8)

3.7. Комплекс Gr· Pr вычисляется по формуле:

                                                   (9)

где А - температурный фактор; его определяют по графику приложения 7 в зависимости от t_ср (8).

3.8. Термическое сопротивление изоляционного слоя R₂, м · град/Вт (м · ч · град/ккал), следует вычислять по формуле:

                                               (10)

где δ_из - толщина изоляции, м;

 - длина внутренней образующей изоляции, м;

 - длина наружной образующей изоляции, м;

                                                                          (11)

3.9. Геометрические характеристики конструкции ,  рассчитываются в зависимости от вида конструкции (см. рис. 2, а, б, в, г, д, е, ж).

3.10. Коэффициент теплопроводности изделий в конструкции λ_из Вт/м · град (ккал/м · ч · град) должен приниматься по приложению 1.

3.11. Коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности изоляции  следует принимать равным 11,6 Вт/м² · град (10 ккал/м² · ч · град).

3.12. Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающий воздух , Вт/м² · град (ккал/м² · ч · град), следует принимать по приложению 8.

3.13. Термическое сопротивление изоляционного слоя R₃, м · град/Вт (м · ч · град/ккал), вычисляется по формуле:

                          (12)

где a - угол, характеризующий геометрию теплоизоляционной конструкции (см. рис. 2, а, б, в, г, д, е, ж), радиан.

3.14. Удельное термическое сопротивление теплоотдаче от воздуха внутри пространства, ограниченного изоляцией, к продуктопроводу R₄, м · град/Вт (м · ч · град/ккал), следует вычислять по формуле:

                                                      (13)

где b - угол, характеризующий геометрию теплоизоляционной конструкции (см. рис. 2, а, б, в, г, д, е, ж), радиан.

Примечание. Пои расчетах теплоизоляционных конструкций типа приведенных на рис. 2, в, г значения R₁, R₂, R₃, R₄ следует принимать по таблицам приложения 9.

3.15. Коэффициент теплоотдачи a_тр от воздуха внутри пространства, ограниченного изоляцией, к продуктопроводу следует принимать равным 17,4 Вт/м² · град (15 ккал/м² · ч · град).

3.16. Расчет толщины тепловой изоляции по уравнениям (3, 4) выполняется методом последовательных приближений. Для снижения трудоемкости этот расчет для наиболее широко применяемых в практике проектирования теплоизоляционных конструкций типа приведенных на рис. 2, в, г следует вести с помощью таблиц приложения 10. Их использование значительно упрощает проведение расчетов без снижения точности конечных результатов.

3.17. С помощью таблиц приложения 10 расчет производят следующий образом. По заданной температуре продукта t_пр вычисляют безразмерную температуру продуктопровода j_тр по формуле

                                                        (14)

где t_сп - температура спутника (принимается согласно требованиям п. 3.4 настоящей инструкции).

3.18. В зависимости от выбранного диаметра и температуры спутника, диаметра продуктопровода по рассчитанному значению j_тр из таблиц приложения 10 находят толщину изоляции δ_из, удельное термическое сопротивление теплоотдаче от спутника R₁ и безразмерную температуру воздуха в пространстве, ограниченном изоляцией, j_в.

3.19. Расчетную толщину изоляции вычисляют по формуле:

                                                      (15)

где К - коэффициент, учитывающий дополнительные тепловые потери через опоры и арматуру. Для трубопроводов, расположенных в помещении и тоннелях, К = 1,15 ÷ 1,2; для трубопроводов, расположенных на открытом воздухе, К = 1,25 ÷ 1,3;

ψ - поправочный коэффициент. При расчетах теплоизоляционных конструкций с естественным углом обогрева без подкладки (см. рис. 2, а, б) вводится ψ = 1,15.

Примечание. При использовании экрана из алюминиевой фольги, укладываемой в качестве подстилающего слоя под рулонную теплоизоляцию, расчетную толщину изоляции следует уменьшать на 20 %.

3.20. При обогреве насыщенным или перегретым паром длину обогреваемого участка вычисляет по формуле

                                                  (16)

где 0,9 - коэффициент, учитывающий уменьшение теплосодержания пара за счет трения при движении по трубопроводу;

r - удельная теплота парообразования, Дж/кг (ккал/кг);

d_вн.сп - внутренний диаметр спутника, м;

V_п - скорость пара, м/с;

g_п - объемная масса пара, кг/м³;

q_сп - удельный расход тепла спутником (принимается согласно п. 3.23 настоящей инструкции);

3.21. При обогреве водой длину обогреваемого участка определяют по формуле

                                                    (17)

где W_сп - водяной эквивалент, равный произведению массового расхода воды, кг/с (кг/ч) на удельную теплоемкость, Дж/кг · град (ккал/кг · град). Его значение следует определять по графику приложения 11.

3.22. При схемах обогрева 3, 4, 6 (см. рис. 1) длину обогреваемого участка вычисляют по формуле

                                                       (18)

3.23. Удельный расход тепла спутником на обогрев продуктопровода и потери в окружающую среду находят по формуле

                                               (19)

Значения j_в и R₁ принимают по таблицам приложения 10.

Расчет тепловой изоляции при неподвижном продукте

3.24. Расчет толщины теплоизоляции выполняют с использованием безразмерных температур, определяемых соотношениями:

                                                         (20)

                                                        (21)

                                                           (22)

где ,  - безразмерные температуры продукта соответственно в нижней и верхней частях продуктопровода;

j_в - безразмерная температура воздуха в пространстве, образованном изоляцией;

 - температура продукта в нижней части продуктопровода, град;

 - температура продукта в верхней части продуктопровода, град.

3.25. Температуру спутника t_сп при расчетах по формулам (20 - 22) принимают: при обогреве паром равной температуре насыщенного пара; при обогреве водой по схемам 1, 2, 3, 4 (см. рис. 1) равной температуре воды на выходе из спутника t_сп; при обогреве водой по схемам 5, 6 (см. рис. 1) вычисляют по формуле (5).

3.26. Расчет толщины изоляции ведут в следующем порядке.

В зависимости от условий эксплуатации продуктопровода задаются температурой продукта  либо  и по формулам (20, 21) определяют  или .

В зависимости от выбранных диаметров спутника и продуктопровода, а также от вычисленных величин  или  по графикам приложения 12 находят толщину изоляции δ_из и безразмерную температуру j_в.

Затем вычисляют расчетную толщину изоляции δ_р по формуле (15), длину обогреваемого участка и удельный расход тепла по формулам (16 - 19) (см. приложение 13).

4. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУР ОБОГРЕВАЮЩЕЙ ВОДЫ И ПРОДУКТА ПРИ ОБОГРЕВЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ПРОДУКТОПРОВОДОВ

4.1. При необходимости обогрева магистральных продуктопроводов с движущимся продуктом длиной более 1000 м без промежуточной подпитки водяных спутников проверочный расчет температур теплоносителя и продукта должен производиться по приведенной методике.

4.2. При использовании прямоточных схем 1, 3 (см. рис. 1) температуру греющей воды t_сп(L) и продукта t_тр(L) на расстоянии L определяют по следующим формулам:

               (23)

                           (24)

4.3. Относительную температуру  и  вычисляют по формулам

                                                           (25)

                                                           (26)

где  - температура воды на входе в спутник, °С;

 - температура продукта на входе в трубопровод, °C.

4.4. Коэффициенты a₁, B₁, c₁, a₂, B₂, c₂, a, b, p₁ и p₂ определяют по формулам:

                                    (27)

                                         (28)

                                         (29)

                                        (30)

                             (31)

                                 (32)

                                                    (33)

                                                   (34)

                                (35)

                                (36)

4.5. Удельные термические сопротивления R₁, R₂, R₃ и R₄ вычисляют по формулам (6, 10, 12, 13) или по таблицам приложения 9.

4.6. В зависимости от диаметра спутника и скорости воды в нем водяной эквивалент обогревающей воды W_сп находят по графику приложения 11. Для определения нужного эквивалента для движущегося продукта W_тр при заданных диаметре продуктопровода и скорости движения продукта в найденную по графику приложения 11 величину W вводят поправку:

                                                    (37)

где С_пр - удельная теплоемкость продукта при температуре продукта t_тр, Дж/кг · град (ккал/кг · град);

g_пр - объемная масса продукта при температуре продукта t_тр, кг/м³.

4.7. При использовании противоточных схем 2 и 4 (см. рис. 1) температуру греющей воды t_сп(L) и продукта t_тр(L) на расстоянии L определяют по формулам:

   (38)

            (39)

4.8. Коэффициенты a₁, B₁, c₁, a₂, B₂, c₂ рассчитывают по следующим формулам:

                                    (40)

                                         (41)

                                         (42)

                                        (43)

                             (44)

                                 (45)

4.9. Значение a, b, p₁, p₂, W_сп, W_тр рассчитывают соответственно по формулам (33, 34, 35, 36, 37) и п. 4.6 настоящей инструкции.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Номенклатура и краткая характеристика теплоизоляционных материалов, применяемых в качестве основного теплоизоляционного слоя

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Рекомендуемое

Номенклатура материалов для защитно-покровного слоя и область их применения

Толщина металлических листов для покрытия в зависимости от приведенного диаметра изоляции d_тр

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Коэффициенты уплотнения изделий из волокнистых материалов К

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Расстояние между осями изолированных продуктопроводов со спутниками при прокладке на эстакадах

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Справочное

Ориентировочный выбор диаметров и количества спутников n для продуктопроводов, расположенных в помещении и на открытом воздухе

ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Справочное

Зависимость эффективного критерия Нуссальта от произведения критериев Грасгофа и Прандтля

ПРИЛОЖЕНИЕ 7
Справочное

Зависимость температурного фактора А от средней температуры

ПРИЛОЖЕНИЕ 8
Справочное

Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающий воздух a_н

ПРИЛОЖЕНИЕ 9
Справочное

Удельные термические сопротивления

Таблица 1

Значения R₁

Таблица 2

Значения R₄

Таблица 3

Значения R₂

Таблица 4

Значения R₃