刘 斌
南通中远海运川崎船舶工程有限公司 江苏省南通市 226007
摘要：介绍了船舶居住区排水管电加热系统的工作原理、系统组成及设计要领。根据热量损失计算结果选取合适的伴热电缆型号，并根据管路布置和伴热电缆总长度确定电源接线盒、温度探头和控制箱的位置和数量。
关键词：加热电缆；热量损失；电源接线盒；贯穿件
0 引言
对于往返于北欧港口之间的汽车滚装船，冬季室外环境温度偏低。有些船的汽车库内配备了机械通风系统，使得汽车库内的温度与室外环境温度接近。根据汽车滚装船的布置特点，居住区大部分的排水管路经过主甲板下方的汽车库，冬季存在结冻风险，因此为排水管提供加热系统可以避免管路结冻得风险。管路加热一般有蒸汽伴热管和伴热电缆加热两种方式，本文仅针对伴热电缆加热进行研究。
1 伴热电缆介绍
1.1 伴热电缆产品介绍
1.1.1 伴热电缆概述
伴热电缆全称为“自控温伴热电缆”，其发热元件的电阻率具有很高的正温度系数“PTC”(Positive Temperature Coefficent)且相互并联。特点是：能够自动限制加热时的温度，并随被加热体的温度自动调节输出功率而无任何附加设备；可以任意裁断或在一定长度范围内接长使用，并允许多次交叉重叠而无高温过热点及烧毁风险。这些特点使伴热电缆具有防止过热，使用维护简便等优点，适用于管道、设备及容器的保温和加热。
1.1.2 伴热电缆工作原理
如图1所示，在每根伴热电缆内，铜芯母线之间的电路数随温度的影响而变化，当伴热电缆周围的温度变冷时，导电聚合物产生微分子的收缩而使碳粒连接形成电路，电流流经这些电路，使伴热电缆发热。当温度升高时，导电聚合物产生微分子的膨胀，碳粒渐渐分开，引起电路中断，电阻上升，伴热电缆会自动减少功率输出。当周围温度变冷时，导电聚合物又恢复到微分子收缩状态，碳粒相应连接起来形成电路，伴热电缆发热功率又自动上升。因此伴热电缆具有自动调节温度的优点。
2 电加热系统设计要点
2.1 电加热系统组成
电加热系统由伴热电缆、控制箱、电源接线盒、温度探头、三通接线盒、两通接线盒、尾端等做成，如图2，图3。
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2.2 伴热电缆安装方式选取
根据厂家标准，伴热电缆分为平铺式和缠绕式两种安装方式：
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平铺式：伴热电缆在管路斜下方45度角沿管路轴向铺设，根据加热功率的不同采用单根电缆或两根电缆
的安装方式，如图4，适合管路中液体较少的情况。
缠绕式：伴热电缆以一定的间距缠绕在管路的表面，如图5，适合管路中充满液体的情况。
汽车滚装船居住区排水管错综复杂，如采用缠绕方式将耗费大量工时，且排水管中的污水主要集中在管路下半部分，因此采用平铺的安装方式更为合理。阀门伴热电缆的铺设方式与管路不同，需要在阀门表面按照一定的顺序缠绕，具体如图6。
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2.3 管路热损失计算及伴热电缆选型
为选取伴热电缆的型号，首先需要计算管路的热量损失，计算过程如下：
1)设计条件
根据设计要求，伴热电缆参数选取如表1。
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4) 选型
伴热电缆的型号众多，如果根据不同尺寸管路热量损失结果选取伴热电缆的型号，将出现至少3种不同型号的伴热电缆；不同型号的伴热电缆需要使用三通或二通接线盒连接在一起，会产生大量的接头；并且根据表1计算结果，排水管以50A的管路为主。因此考虑到降低伴热电缆的施工难度，可以选取50A排水管路的热量损失结果选取伴热电缆的型号。根据伴热电缆的性能参数， 选取功率最接近的伴热电缆型号， 本课题选取的伴热电缆功率为：25W/m，表面最高温度为70℃±5℃。
根据选取的伴热电缆及表1热量损失计算结果，80A以下的管路热量损失低于单根加热电缆的功率，需要铺设1根伴热电缆；80A及以上的管路热量损失高于单根伴热电缆的功率，需要铺设2根伴热电缆。
2.4 伴热电缆长度确认
首先计算各尺寸排水管管路长度，再按照伴热电缆选型要领计算伴热电缆的长度，并为现场损耗留取10~20%的余量，最终得到全船伴热电缆的总长度。
2.5 电源接线盒、温度探头及控制箱数量确认
由于伴热电缆主要依靠导电聚合物层进行导电，如果单根伴热电缆过长，将造成伴热电缆末端压降过大，导电聚合物层无法形成回路导致伴热电缆不发热，参照目前市场品的标准，单根伴热电缆的长度一般要控制在100m以内，这就需要将排水管的伴热电缆以100m为基数划分为多个独立的回路，每个回路通过一个电源接线盒单独供电并配有一个温度探头；但回路数量不能仅依靠单根电缆的长度限制划分，还必须结合管路实际布置确认是否需要增加回路数量。
虽然伴热电缆具有自动调节温度的特点，但是长期处于工作状态将大大降低伴热电缆的寿命，因此需要为整个电加热系统设置控制箱。控制箱一般具有自动、手动两种模式，自动模式下，可以将控制箱温度开关的停启温度设定为“管路设计温度±2℃”，并通过每个回路温度探头的测量温度自动控制该回路伴热电缆的启停，这样可以有效控制伴热电缆的工作时间，达到延长其使用寿命的目的。为控制单个控制箱的尺寸，每个控制箱的回路数量不宜过多，一般控制在8个回路以内，最终通过系统的回路数量即可计算出控制箱的数量。
2.6 电源接线盒、温度探头及控制箱布置位置
根据汽车滚装船居住区的布置特点，排水管一般先局部汇总后，再合并为多个分支管连接至汽车库两舷的主管路上。为便于布置电缆，汽车库内的电源接线盒应尽量布置在主管路附近，如主管路长度超过100m，需在主管路上增加电源接线盒；如单根分支管路的长度接近100m，需提供单独的电源接线盒并布置在主支管的交叉处；如几根分支管路的长度总和接近100m，则可以共用一个电源接线盒并布置在其中一个分支管上。而温度探头需直接固定在管路上，管保温施工完毕后外部无法看到，所以应尽量布置在电源接线盒附近，以便操作和检修，如图6。为缩短控制箱到电源接线盒的电缆长度，控制箱的位置应尽量靠近电源接线盒并布置在易于到达的场所，方便船员操作及检修。
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3 排水管电加热系统问题点及解决方法
3.1 伴热电缆贯穿件
位于汽车库内的排水管路有两种贯穿型式，一种为光孔贯穿，另一种为套筒贯穿；对于光孔贯穿的管路，伴热电缆可以紧贴管路表面穿过结构开孔；但对于套筒贯穿的管路，伴热电缆则无法穿过，如果全部采用尾端封口在套筒贯穿的两侧将伴热电缆截断，将会产生大量的接头，还需增加大量新的电源接线盒，将耗费大量的时间和精力。经过大量的调查及研究后发现，可以采用可拆式电缆贯穿耐火密封装置对贯穿件进行封堵，即能保证伴热电缆的正常工作， 还能大大缩短现场安装的工时，如图7。如果排水管贯穿件数量偏多，为进一步减少现场施工工时，可以对管路贯穿处的伴热电缆铺设进行改进。当管路贯穿件两侧的伴热电缆长度分别接近100m时，伴热电缆可以在该管路贯穿件所在墙壁两侧截断并分别用尾端封闭，然后通过布置在管路贯穿件两侧的电源接线盒分别供电，从而避免设置伴热电缆贯穿件，如图8。
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4 总结
船舶管路加热系统大多使用的是蒸汽伴管加热，但面对居住区排水管管路长度长、布置复杂的特点，蒸汽伴管加热将耗费大量的材料（伴热铜管），并将消耗大量的蒸汽加热管路，进而影响锅炉的选型，因此并不合适采用蒸汽加热的方式。虽然伴热电缆已广泛应用于石油化工行业，但由于船舶管路的复杂程度和施工难度均高于陆用石油化工的管路，因此用于船舶管路的加热系统的案例并不多见。希望通过本文的介绍，为今后船舶管路电加热的设计提供一些思路和参考资料，相信不久的将来，电加热系统必定在船舶管路的低温解决对策中扮演重要的角色。
参考文献：
[1]《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）
[2]陈宇，易彪.浅谈超高层建筑给排水设计[J].给水排水.2011（10）
[3]赖展雄.高层建筑技术给排水设计及施工要点分析[J].建筑安全.2011（07）