LNG船液貨艙絕熱材料概述

劉寶勇 朱哲仁

（1.上海海事大學商船學院 中國 上海 201306；2.中國液化天然氣運輸〈控股〉有限公司 中國 上海 200000）

國際海事組織規(guī)定，LNG船的液貨艙必須配置絕熱層。絕熱層絕熱性能的好壞直接關系到船舶運營的安全性和經(jīng)濟性。液貨艙絕熱層既能夠減少外界熱量傳入液貨艙，從而減少液貨蒸發(fā)，又能夠防止LNG泄漏時對船體構件造成低溫破壞。因此LNG船液貨艙絕熱層必須選用優(yōu)良的絕熱材料。

1 液貨艙絕熱材料的性能要求

用于LNG船液貨艙的絕熱材料應滿足以下幾個方面的要求[1]。

1.1 較小的導熱系數(shù)

導熱系數(shù)的大小是衡量絕熱材料絕熱性能的最主要指標，選擇絕熱材料的首要因素就是較小的導熱系數(shù)。被隔絕的介質溫度越低，就要求絕熱材料的導熱系數(shù)越小。一般在低溫環(huán)境下絕熱材料的導熱系數(shù)隨溫度降低而減小。

1.2 良好的抗吸水吸濕性

干燥的絕熱材料具有良好的絕熱性能，絕熱材料的導熱系數(shù)會隨著材料濕度的增加而顯著上升，從而影響絕熱效果。這是因為在干燥狀態(tài)下絕熱材料的孔隙中充滿了空氣，吸水吸濕后，孔隙中的空氣被水替換，而水的導熱系數(shù)大約為空氣的25倍，這就使材料的絕熱效果大大降低。一般情況下，絕熱材料的體積吸水率每增加1%，其導熱系數(shù)就增加10%。因此良好的絕熱材料必須要具有較低的吸水率和吸濕率。

1.3 良好的抗水蒸氣滲透性

除了良好的抗吸水吸濕性，絕熱材料還要具有良好的抗水蒸氣滲透性。因為根據(jù)菲克定律，水蒸氣分壓是水蒸氣擴散的推動力，在液貨艙表面水蒸氣分壓較低，外界環(huán)境水蒸氣分壓較高，二者之間的壓力差使水蒸氣向絕熱材料內部擴散，從而使絕熱材料的導熱系數(shù)增加，絕熱效果降低。

1.4 較小的低溫熱膨脹系數(shù)

絕熱材料與液貨艙鋼結構一般為剛性結合，由于絕熱材料與液貨艙材料的熱膨脹系數(shù)不同，當液貨艙溫度變化時，絕熱層會因絕熱材料與液貨艙低溫鋼材膨脹量的差異而破裂，這是導致絕熱層受到破壞的主要原因。目前與低溫鋼收縮差為零的絕熱材料還不存在，因此在選擇絕熱材料時應該盡量選擇熱膨脹系數(shù)與液貨艙低溫鋼材接近的材料。

1.5 良好的阻燃性

常用的低溫絕熱材料大多是有機泡沫塑料，較易燃燒，存在一定的火災隱患。因此工程上使用的有機絕熱材料必須經(jīng)過阻燃處理，以符合各種規(guī)范要求的阻燃指標。

除以上要求以外，選擇的絕熱材料還應滿足化學性能穩(wěn)定，機械強度高，價格便宜及施工方便等要求。

2 液貨艙絕熱材料的性能及選擇

LNG船液貨艙常使用的絕熱材料主要有聚氨酯泡沫、膨脹珍珠巖、泡沫玻璃、聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、酚醛泡沫等[2]。

2.1 常用絕熱材料及其性能

2.1.1 聚氨酯泡沫

聚氨酯泡沫是由有機異氰酸酯與多元醇化合物，加入其它助劑，相互發(fā)生反應而形成的高分子聚合物。聚氨酯泡沫是一種性能優(yōu)良的絕熱材料，具有導熱系數(shù)小，密度小，低溫性能良好，施工方便等優(yōu)點，在低溫絕熱方面應用廣泛，是LNG船最主要的絕熱材料之一。但由于聚氨酯泡沫是有機材料，所以有一定的燃燒性，用于有O2冷凝或發(fā)生泄漏的地方時會有一定的危險性。該材料在極低溫工況下強度低、尺寸穩(wěn)定性差，但可以通過一些改進方法來滿足要求。

聚氨酯泡沫材料分為軟質、半硬質和硬質聚氨酯泡沫等幾種，用于絕熱材料的主要是硬質聚氨酯泡沫。

2.1.2 膨脹珍珠巖

膨脹珍珠巖是一種主要成分為SiO2和Al2O3的酸性玻璃質顆粒，可通過將火山噴射出口的熔巖粉碎后在爐中焙燒加壓膨脹制成。膨脹珍珠巖具有導熱系數(shù)小，密度較小，化學穩(wěn)定性好，使用溫度范圍寬，無毒，不腐蝕，不燃燒等優(yōu)點，且原材料來源廣泛，加工技術簡單，成本低廉，是一種很有應用價值的輕質、高效絕熱材料，但其最大缺點是吸水率高，使用過程中有沉積壓實現(xiàn)象，長期使用后性能會有所下降。

2.1.3 泡沫玻璃

泡沫玻璃是以廢玻璃及各種富含玻璃相的物質為主要原料，經(jīng)過粉碎磨細，添加發(fā)泡劑、改性劑等材料，均勻混合形成配合料，再將其放置在特定模具，經(jīng)過焙燒發(fā)泡、退火冷卻而制成的內部充滿均勻氣孔的多孔玻璃材料，其主要成分為鋁、硅等無機化合物。由于泡沫玻璃內部絕大多數(shù)氣孔都是孤立的，所以泡沫玻璃材料的吸水率幾乎為零。作為絕熱材料，泡沫玻璃具有使用溫度范圍廣，耐火性能好，不易老化，強度高以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點。但相比其它絕熱材料，泡沫玻璃導熱系數(shù)較大，在高溫下易斷裂，且價格昂貴，所以一般只用在低溫或需要嚴格防火的地方。

2.1.4 聚苯乙烯泡沫

聚苯乙烯泡沫塑料是由可發(fā)性聚苯乙烯樹脂（EPS）珠粒加工制造而成的一種優(yōu)質的絕熱材料，具有質輕，導熱系數(shù)小，抗壓強度高，耐老化，耐低溫，易成型，易于施工，價格便宜等優(yōu)點。但是該材料使用范圍小，尤其是耐熱性差，瞬時溫度驟然上升的地方嚴禁使用本材料。

2.1.5 聚氯乙烯泡沫

聚氯乙烯泡沫是以PVC樹脂為主體，添加適量的高分子改性劑、熱穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑和增塑劑等，經(jīng)過低速或高速混合機混勻，經(jīng)預塑造?；驂浩俨捎媚喊l(fā)泡、擠出發(fā)泡或注射發(fā)泡而制成的一種泡沫塑料。該材料具有導熱系數(shù)小，抗壓強度高，化學性質穩(wěn)定，耐腐蝕性強等優(yōu)點，但其價格較高，且有一定的毒性，所以使用范圍較小。

2.1.6 酚醛泡沫

酚醛泡沫是以酚醛樹脂為主要原料，加入阻燃劑、發(fā)泡劑、固化劑及其它助劑，在樹脂交聯(lián)固化的同時，發(fā)泡劑產生氣體分散其中而發(fā)泡形成的閉孔硬質泡沫塑料，是一種新型難燃、防火保溫材料。其具有均勻的閉孔結構，所以導熱系數(shù)和吸水率較低。且具有適用溫度范圍大，阻燃性高，抗腐蝕性、抗老化性優(yōu)良等優(yōu)點。但其機械強度較差。

2.2 液貨艙絕熱材料的選擇

表1所示為LNG船液貨艙常采用的幾種絕熱材料的性能參數(shù)。從表中可以看出，各種絕熱材料各有優(yōu)點：硬質聚氨酯泡沫材料的導熱系數(shù)最小，絕熱效果最好；泡沫玻璃吸水率最低，抗吸水吸濕性最好；酚醛泡沫材料耐燃性最好。

表1 LNG船液貨艙常用的絕熱材料物理性能

表2 各種類型液貨艙最常選用的絕熱材料

為提高液貨艙的絕熱效果，有效降低LNG的蒸發(fā)率，各種不同類型的液貨艙都根據(jù)實際情況選擇不同的絕熱材料[3]。表2為各種類型的LNG船液貨艙最常采用的絕熱材料。

［1］賈琦月，劉志偉.LNG項目的隔熱結構設計[J].化工設備與管道，2009，46(3)：67-69.

［2］顧安忠，主編.液化天然氣技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［3］王永偉，王傳榮，王晶.LNG船三種儲罐系統(tǒng)比較分析[J].船舶物資與市場，2007(2)：25-28.