模擬?；后w儲罐復(fù)合熱控涂層的開發(fā)與應(yīng)用

李少香 *，尹燕福，慕常強，李新華，范偉建，翟士剛

（1.青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.中國石油化工股份有限公司齊魯分公司儲運廠，山東 淄博 255400）

目前，對?；后w儲罐的安全防護多采用冬天加熱保溫、夏天用水噴淋的方式，造成水、電等寶貴資源的浪費。部分采用涂覆熱反射涂料技術(shù)，使罐內(nèi)液體在夏天實現(xiàn)降溫的目的。但單一的熱反射原理不能達到最佳降溫效果，也不具有保溫功能。為使?；后w安全儲存，需尋找一種具有輕、疏松、多孔、導(dǎo)熱系數(shù)小等特點的熱控節(jié)能涂層材料，可使各類液體儲罐實現(xiàn)保溫節(jié)能與長效防腐。

石油化工使用的保溫技術(shù)正在向高效、薄層、隔熱、防腐一體化方向發(fā)展，充分利用傳熱機理及光反射原理研制新型節(jié)能材料是重要的發(fā)展方向。薄層隔熱保溫涂料不僅自身熱阻大、熱導(dǎo)率低，而且熱反射率很高，能有效地降低輻射傳熱及對流傳熱[1-2]。

本文設(shè)計了絕熱涂層結(jié)構(gòu)，研制的涂層材料主要是防止儲罐內(nèi)部溫度的變化。在熱控涂料中選用加有空心陶瓷微珠為填料的高效熱反射層和噴涂成型的多孔材料配套應(yīng)用，使高反射功能填料在涂層中形成反射層，提高涂層的熱反射率；兩者配套應(yīng)用形成了低導(dǎo)熱率的靜止空氣層。通過反射層對熱能輻射的反射作用和靜止空氣層對輻射和對流傳熱的有效抑制，使絕大部分的輻射熱能被阻隔和反射[3]，再加之良好的防腐性能，達到熱控、節(jié)能和防腐的目的。

1 實驗

1.1 原料和儀器

30 mm × 20 mm × 2 mm 的鋼板；環(huán)氧云鐵底漆，天津市仁愛科技開發(fā)有限公司；A 料(有機多元醇化合物)，自制；B 料(異氰酸酯PM-200)，工業(yè)級，煙臺萬華聚氨酯股份有限公司；WX?聚苯顆粒和WX?抗裂抹面砂漿，青島萬興成材有限公司；耐堿格布，青島杰良洋新型建材有限公司；熱反射面涂，自制。

砂紙；R71 噴槍，泉州市新華焊接設(shè)備有限公司；JM20002 型電子天平，余姚紀(jì)銘稱重校驗設(shè)備有限公司；電動攪拌機，2 800 r/min，上海普力通電動工具有限公司；1013A 電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津思德賽斯儀器設(shè)備有限公司；KN-100-R 數(shù)字式熱電偶溫度計，哈爾濱凱諾科技開發(fā)有限公司；QFH 劃格測試器，天津永利達材料試驗機有限公司；MSYS309-04504 拉拔測試儀，福建省計量科學(xué)技術(shù)研究所；GD(J)W-225 高低溫交變箱，杭州利輝環(huán)境檢測設(shè)備有限公司；KYP 型液壓全自動壓力試驗機，深圳市凱強利試驗儀器有限公司；JK-60H 全自動鹽霧試驗箱，青島精科檢測設(shè)備有限公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 涂層系統(tǒng)的涂裝

取尺寸為30 mm × 20 mm × 2 mm 的鋼板和20 L的鐵皮桶，噴涂3 個隔熱層厚度不同的鐵皮桶，分別按以下順序涂裝：環(huán)氧云鐵底涂(50～60 μm)+聚氨酯硬泡隔熱層(厚度分別為3、5 和8 cm)+網(wǎng)格加強層+過渡層(0.5 cm)+熱反射面層(50～60 μm)。鋼板上涂層系統(tǒng)的隔熱層噴涂厚度為5 cm。鐵皮桶保溫保冷涂層結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 熱控涂層結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the structure of thermal control coating

1.2.1.1 防腐底層的涂裝

用砂紙將鋼板和鐵皮桶表面打磨后，將環(huán)氧云鐵底漆用潔凈的溶劑調(diào)至合適噴涂的黏度，涂裝厚度為50～60 μm，常溫晾干。涂裝參照HG/T 4077–2009《防腐蝕涂層涂裝技術(shù)規(guī)范》進行。

1.2.1.2 保溫層的涂裝

將A 料和B 料按質(zhì)量比1∶1 混合，經(jīng)快速攪拌后噴于帶底涂的鋼板和鐵桶表面，待膨脹固化后用鋸條將其規(guī)整至3、5 和8 cm 厚度。

1.2.1.3 網(wǎng)格加強層和過渡層的涂裝

將聚苯顆粒和抗裂抹面砂漿混合后加入水?dāng)嚢杈鶆?，然后把雙層耐堿格布包覆于隔熱層表面，最后將攪拌好的砂漿過渡層均勻涂抹于其表面，涂抹厚度約為0.5 cm。

1.2.1.4 熱反射層的涂裝

因為玻璃微珠的空心結(jié)構(gòu)可以大大提高涂層的孔隙率，從而降低涂層的熱導(dǎo)率，且能提高太陽光的反射率，故本文以熱塑性丙烯酸樹脂為成膜物、以空心玻璃微珠為填料，按文獻[4]自制高效熱反射層，涂裝厚度為50～60 μm。

1.2.2 涂層系統(tǒng)的強度與剝離試驗

1.2.2.1 附著力

環(huán)氧云鐵底涂的附著力通過劃格法測出，環(huán)氧云鐵底涂與保溫層之間和保溫層與過渡層之間的附著力用拉拔測試儀測出，用劃圈法對反射層與過渡層的附著力進行測試。

1.2.2.2 耐鹽水及鹽霧性能

將涂有環(huán)氧云鐵防腐涂層的鋼板分別放入3%NaCl 溶液(30 d)和全自動鹽霧試驗箱(5% NaCl 溶液，1 000 h)中，在規(guī)定的時間后取出，觀察涂膜的狀態(tài)變化。

1.2.2.3 抗壓強度測試

用抗壓測試機對保溫層厚度為5 cm 的涂層系統(tǒng)的抗壓強度進行測試。

1.2.2.4 耐高低溫性能測試

將試樣放入高低溫交變箱，即試樣放在(50 ± 3)°C的干燥箱中16 h，然后浸入(20 ± 3)°C 的水中8 h(試樣面涂面向下，水面應(yīng)至少高出試樣表面20 mm)，再置于(?20 ± 3)°C 冷凍24 h 為1 個循環(huán)，每一個循環(huán)觀察一次，試樣經(jīng)10 個循環(huán)后觀察其表面有無空鼓、起泡和剝離現(xiàn)象，并用5 倍放大鏡觀察表面有無裂紋。

1.2.3 20 L 保溫桶保溫效果測試

在桶內(nèi)同時裝入等量的10°C 的水，將數(shù)字式熱電偶的測試針置入水中，將測試桶放在烘箱中，設(shè)定溫度為40°C，隨時間的變化每隔0.5 h 記錄溫升情況，并對3 個不同保溫層厚度的模擬桶進行保溫效果比較。

用同樣的方法將測試桶放在有太陽直射的地方(在炎熱夏天)，每隔0.5 h 記錄一次溫度。

1.2.413 m3和40 m3儲罐中的應(yīng)用試驗

由保溫桶的保溫效果測試得出的最優(yōu)保溫層厚度為5 cm，對40 m3儲罐(1 號)和13 m3儲罐(2 號)進行各層施工：環(huán)氧云鐵防腐底涂(50～60 μm)+聚氨酯硬泡隔熱層(厚度5 cm)+網(wǎng)格加強層+過渡層(0.5 cm)+熱反射面層(50～60 μm)。

涂裝完畢，在儲罐中注滿水，用數(shù)字式熱電偶溫度計分別測試1 號罐南側(cè)中上部溫度、東側(cè)底部溫度，環(huán)境溫度，1 號罐水溫和2 號罐水溫。每日分別在7、9、11、13、15 和17 點采集記錄溫度，連續(xù)測試15 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 隔熱層厚度的確定

圖2a、2b 分別為不同厚度隔熱層的20 L 保溫桶在40°C 烘箱里和在炎熱的大氣中(夏天)不同時間的溫度變化。從圖2a、2b 可以看出，無論是在烘箱里還是在炎熱的大氣中，含8 cm 厚的聚氨酯保溫層的保溫桶的保溫效果最好，其次是含5 cm 厚的聚氨酯保溫層的保溫桶，含3 cm 厚保溫層的保溫桶的保溫效果最差。通過對聚氨酯經(jīng)濟厚度的計算[5]，得出經(jīng)濟厚度為2.99 cm。由于含3 cm 聚氨酯保溫層的保溫效果不理想，所以適宜的聚氨酯保溫層的厚度取5 cm。

2.2 涂層的物理機械性能

在30 mm × 20 mm × 2 mm 的鋼板上涂飾熱控涂層，各涂層物理機械性能測試結(jié)果見表1。

圖2 含不同厚度熱阻隔層的保溫桶在40°C 烘箱里和在大氣中不同時間的溫度變化曲線Figure 2 Temperature vs.time curves of the thermal insulation barrel with different thicknesses of thermal barrier coating in oven at 40°C and in the atmosphere

表1 各涂層的物理機械性能Table 1 Physical and mechanical properties of various coatings

由表1 可知，該涂層系統(tǒng)的物理機械性能良好，鋼板與底涂之間、過渡層與熱反射層之間的附著力均為1 級，底涂與保溫層之間、保溫層與過渡層之間的附著力分別為6.3 MPa 和5.2 MPa。耐鹽水及鹽霧測試中，涂層系統(tǒng)表面無起泡、脫落現(xiàn)象。保溫層為5 cm的涂層系統(tǒng)的抗壓強度約為350 kPa；高低溫交變10 個循環(huán)后表面無空鼓、起泡、剝離現(xiàn)象，可以滿足儲罐工作環(huán)境的需要。

2.313 m3 和40 m3 槽罐中的應(yīng)用試驗

圖3 是在容量13 m3(2 號)和40 m3(1 號)的儲罐中分別涂覆復(fù)合熱控涂層后，在炎熱夏天中的溫度變化，與儲罐旁的消防棚內(nèi)的溫度變化進行對比。由圖可知，隨著環(huán)境溫度的波動變化，消防棚內(nèi)的溫度在20～42°C 之間波動，而1 號罐南側(cè)中部和東側(cè)底部的溫度僅在2°C 的范圍內(nèi)波動，1 號和2 號罐內(nèi)的水溫雖然隨著環(huán)境溫度的變化而變化，但波動范圍在4°C 以內(nèi)。試驗結(jié)果證明，該保溫層的保溫效果良好，可以在外界環(huán)境溫度波動變化大的情況下，實現(xiàn)罐內(nèi)液體的保溫。

圖3 涂覆復(fù)合熱控涂層的儲罐內(nèi)溫度和消防棚內(nèi)溫度在15 d 內(nèi)的變化對比Figure 3 Comparison between temperature variation inside a fire equipment shed and the storage tanks coated with composite thermal barrier coating in 15 d

3 結(jié)論

(1)通過腐蝕與防護、熱阻隔、熱輻射、熱反射等技術(shù)集成，設(shè)計了一種絕熱涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)。該復(fù)合熱控涂層按以下順序施工：環(huán)氧云鐵防腐底涂(50～60 μm)+聚氨酯硬泡隔熱層(厚度5 cm)+網(wǎng)格加強層+過渡層(0.5 cm)+熱反射面層(50～60 μm)。測試結(jié)果表明，該涂層系統(tǒng)的物理機械性能良好，鋼板與底涂之間、過渡層與熱反射層之間的附著力均為1 級，底涂與保溫層之間、保溫層與過渡層之間的附著力分別為6.3 MPa 和5.2 MPa；耐鹽水及鹽霧測試中，涂層系統(tǒng)表面無起泡、脫落現(xiàn)象。保溫層為5 cm 的涂層的系統(tǒng)抗壓強度約為0.35 N/mm2，高低溫交變10 個循環(huán)后表面光滑平整，無裂紋，可以滿足儲罐工作環(huán)境的需要。

(2)通過建立化工儲罐模型，對此涂層材料進行熱控性能研究，在13 m3和40 m3儲罐保溫測試中，當(dāng)外界溫度在20～42°C 之間變化時，罐內(nèi)水溫波動在4°C 以內(nèi)，表明其減弱熱傳遞和增強熱反射的實際應(yīng)用效果顯著，保溫性能優(yōu)越。

(3)該方法具有穩(wěn)定性好、成本低、施工簡單等特點，可促進功能性涂層材料的應(yīng)用，對液體化工原料及其油汽儲運節(jié)能與防腐技術(shù)的發(fā)展具有一定的促進作用，同時產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]李少香,劉光燁,李光俊,等.高效熱屏蔽降溫防腐涂層材料[J].中國涂料,2006,21 (12):38-40.

[2]王甲春,閻培渝.外墻外保溫系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析[J].磚瓦,2004 (7):78-79.

[3]徐永祥,李運德,師華,等.太陽熱反射隔熱涂料研究進展[J].涂料工業(yè),2010,40 (1):70-74.

[4]馬宏,劉文興,孟軍鋒,等.高性能太陽熱反射隔熱涂層的研制[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2006,9 (7):55-56,60.

[5]闞安康,韓厚德,陳威.冷藏集裝箱保溫涂層經(jīng)濟厚度的計算和絕熱性能的分析[J].能源技術(shù),2005,26 (6):265-267.