一種新型柔性低溫保冷材料在LNG項(xiàng)目中的應(yīng)用

吳　軍　中國(guó)五環(huán)工程有限公司　武漢　430223

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一種新型柔性低溫保冷材料在LNG項(xiàng)目中的應(yīng)用

吳軍*中國(guó)五環(huán)工程有限公司武漢430223

摘要針對(duì)傳統(tǒng)LNG低溫保冷材料大多選用硬質(zhì)PIR或PUR，但使用壽命不長(zhǎng)，保冷結(jié)構(gòu)繁瑣且施工操作復(fù)雜的情況，本文提出一種由兩類合成橡膠和高分子彈性體材料發(fā)泡而成的新型柔性低溫保冷材料，經(jīng)對(duì)比分析，證明該材料在保證良好保冷效果及施工簡(jiǎn)單快捷，導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞柔性材料低溫LNG導(dǎo)熱系數(shù)低溫二烯烴聚合物

*吳軍：工程師。2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)材料學(xué)專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事煉化工管道設(shè)計(jì)工作。

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LNG管線深冷絕熱技術(shù)是LNG利用環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，LNG低溫保冷實(shí)施質(zhì)量的好壞直接影響著LNG產(chǎn)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用效果。本文對(duì)LNG管線的保冷材料選擇進(jìn)行了研究，通過(guò)論證比選出一種新型的柔性低溫保冷材料[1]。

目前保冷工程中常用的材料主要有硬質(zhì)聚氨酯和泡沫玻璃。日本、韓國(guó)等主要采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫(PUR)，歐美國(guó)家多采用聚異腈脲酸酯(PIR)。聚異腈脲酸酯泡沫的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、難燃性及抗壓強(qiáng)度都優(yōu)于硬質(zhì)聚氨酯泡沫，但成本高于聚氨酯泡沫[2]。筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這兩種保冷材料無(wú)論是在運(yùn)輸儲(chǔ)存方面還是施工便捷方面，都有著一定的缺點(diǎn)。在施工過(guò)程中拼接部位較多，對(duì)于一些異型部位，聚異腈脲酸酯與硬質(zhì)聚氨酯泡沫均可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行澆注發(fā)泡，但在發(fā)泡加工制作過(guò)程中，受氣象條件、發(fā)泡時(shí)間和多組分?jǐn)嚢璧纫蛩氐挠绊?，氣孔破壞率高，吸水防潮性能不好，?dǎo)致最終保冷效果打折扣。因此，推薦一種新型柔性低溫保冷絕熱材料，其不僅具有優(yōu)越的保冷性能，還能避免運(yùn)輸儲(chǔ)存、施工上的不便，具有一定的市場(chǎng)前景。

1保冷材料的選擇原則

由于LNG管道運(yùn)行溫度為-162℃，其管道深冷絕熱材料必須具有如下特性：

(1)保冷材料的最低安全使用溫度應(yīng)低于正常操作時(shí)介質(zhì)最低溫度。

(2)具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)(也就是應(yīng)該具備良好的絕熱性能)。

(3)吸水吸濕性小、水蒸汽透濕系數(shù)低、低溫線膨脹系數(shù)小、阻燃性能好[3]。

(4)在超低溫和常溫下達(dá)到一定的強(qiáng)度要求。

(5)工程選材設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮保冷材料的經(jīng)濟(jì)性、重量輕、施工便利，保冷材料還應(yīng)具備良好的現(xiàn)場(chǎng)切割或裁剪加工性能，施工便捷，減輕現(xiàn)場(chǎng)安裝難度。

(6)減少保冷系統(tǒng)投產(chǎn)后的日常維護(hù)工作量，提高材料的再利用率[4]。

2常見(jiàn)保冷材料性能參數(shù)

用于絕熱的材料非常多，但由于LNG管道運(yùn)行溫度為-162℃，因而能用于該系統(tǒng)的材料并不多，現(xiàn)就滿足LNG低溫條件的幾種常見(jiàn)保冷材料性能參數(shù)見(jiàn)表1[5]。

表1　常見(jiàn)保冷材料性能參數(shù)

注：HDPIR有五種不同的使用密度，分別對(duì)應(yīng)不同的導(dǎo)熱系數(shù)，詳見(jiàn)文獻(xiàn)5。

3兩種保冷結(jié)構(gòu)對(duì)比

傳統(tǒng)硬質(zhì)PIR典型的保冷結(jié)構(gòu)，由里到外依次由硬質(zhì)材料、第二防潮層、硬質(zhì)材料、第一防潮層以及最外層的金屬保護(hù)層組成，見(jiàn)圖1。

圖1　硬質(zhì)PIR保冷結(jié)構(gòu)

本文介紹的柔性低溫深冷絕熱系統(tǒng)由兩類合成橡膠和高分子彈性體材料發(fā)泡而成，其中：低溫丁腈聚合物材料主要用于-100～105℃(用于外層)，屬主保冷層，提供優(yōu)異的絕熱和抗水汽滲透性能；低溫二烯烴聚合物材料可用于-200～125℃(用于內(nèi)層)，屬減振兼顧隔熱層，提供低溫下彈性和機(jī)械強(qiáng)度，見(jiàn)圖2。

圖2　柔性材料保冷結(jié)構(gòu)

兩者最顯著的區(qū)別：柔性材料保冷由于自身具備防水汽滲透功能，因而結(jié)構(gòu)比起傳統(tǒng)硬質(zhì)保冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工起來(lái)也更方便。

4導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系

幾種絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖3。

深冷環(huán)境下此低溫柔性材料(二烯烴聚合物)導(dǎo)熱系數(shù)介于泡沫玻璃與PIR之間，且隨溫度的降低呈下降趨勢(shì)。由圖3可見(jiàn)，在LNG運(yùn)行溫度下，二烯烴聚合物與PIR導(dǎo)熱系數(shù)相比要大一些，因此LNG管路選型中，此新型材料的保冷厚度將比PIR材料稍大。

5保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化

圖4、5為某絕熱材料公司生產(chǎn)的這種新型柔

圖3　幾種絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系

注： PIR與泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)源文獻(xiàn)5，柔性材料的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)自廠家產(chǎn)品說(shuō)明書。

性保冷材料與傳統(tǒng)硬質(zhì)保冷材料PIR的導(dǎo)熱系數(shù)和運(yùn)行冷損與使用時(shí)間變化的對(duì)比。在環(huán)境溫度為33.5℃，相對(duì)濕度為83%，介質(zhì)溫度為-100℃，管道尺寸為DN200，保冷厚度同時(shí)為125mm的相同條件下，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為10年。可以看出PIR在第五年的時(shí)候，水蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生突變，由0.03W/(m·K)變?yōu)?.56 W/(m·K)，且同時(shí)它的運(yùn)行冷損也在五年之后由40W/m突變?yōu)?50W/m，而新型柔性保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)卻在10年時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地維持在0.03 W/(m·K)左右，運(yùn)行冷損保持在31.6W/m左右。這說(shuō)明保冷材料導(dǎo)熱系數(shù)隨使用時(shí)間的變化而改變。

圖4　柔性材料與PIR導(dǎo)熱系數(shù)隨使用時(shí)間的變化

圖5　柔性材料與PIR運(yùn)行冷損隨使用時(shí)間的變化

6造成系數(shù)變化的原因分析

材料的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)受以下幾個(gè)因素的影響：

(1)保冷材料使用中的導(dǎo)熱系數(shù)總會(huì)高于初始的導(dǎo)熱系數(shù)。尤其對(duì)于低溫管道的保溫，保溫管的內(nèi)外壁兩側(cè)始終存在溫差和濕度差，從而造成水汽壓力差，在該壓力差的持續(xù)作用下，外側(cè)環(huán)境的水汽不可避免地滲入保溫材料內(nèi)部。因水的導(dǎo)熱系數(shù)十?dāng)?shù)倍于材料的初始導(dǎo)熱系數(shù)，故材料使用中的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)逐漸增高，致使原有按初始導(dǎo)熱系數(shù)選定的保溫層厚度變得不足以防止結(jié)露發(fā)生。

(2) PIR保冷系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)雖然比柔性材料還要低，但其本身并不具有防潮防滲透功能，而往往依賴于防潮層(通常采用馬蹄脂與玻璃布)。此外，硬質(zhì)泡沫保冷材料如PIR和泡沫玻璃，保冷施工接縫多需額外的防潮處理(見(jiàn)圖6)，一旦此處疏忽大意，或施工不周全，將直接導(dǎo)致被水蒸氣滲透的可能性增加。彈性體新型材料在施工上優(yōu)勢(shì)明顯，不僅接縫少(見(jiàn)圖7)，避免被水汽侵襲的概率變小，還因?yàn)槠渲鞅＠鋵?低溫丁腈聚合物)自帶抗水汽滲透性能，無(wú)需額外防潮層，這也是該柔性材料壽命較長(zhǎng)的直接原因。

圖6　傳統(tǒng)硬質(zhì)PIR保冷材料在工程中應(yīng)用

圖7　新型柔性保冷材料在工程中的應(yīng)用

實(shí)踐表明，吸水率、吸濕率對(duì)保冷材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度影響很大。材料吸附水分后，材料內(nèi)的空氣間隙減少，而常溫下水的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣導(dǎo)熱系數(shù)的24倍，且水在蒸發(fā)時(shí)要吸收大量的熱，使材料導(dǎo)熱系數(shù)提高。如材料中存在1%(ψ)濕氣，保冷效率將降低20%～30%[6]。由于不同材料的吸水性、吸濕性大小不同，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，從而影響到保冷效果與使用壽命。

比如美標(biāo)ASTM C591要求PIR進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試時(shí)，樣品存放的時(shí)間應(yīng)為生產(chǎn)后180±5天后，就是要保證材料在吸水吸濕穩(wěn)定之后測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，而國(guó)內(nèi)往往忽視該測(cè)試要求，導(dǎo)致一些PIR導(dǎo)熱系數(shù)比實(shí)際偏小。

如某干燥保溫層本身的導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.033W/(m·K)，一旦滲入水汽以后凝集水汽，原本材料發(fā)泡孔中的空氣(λ=0.024W/(m·K))被水取代(λ=0.056W/(m·K))，其中一部分在LNG冷態(tài)作用下結(jié)成冰之后，λ=2.2W/(m·K)，保冷層將徹底失去效果?，F(xiàn)場(chǎng)包裹得很好的保冷層運(yùn)行一段時(shí)間就結(jié)冰，很多都是這種原因引起(見(jiàn)圖8)。

圖8　導(dǎo)熱系數(shù)變化

7新型與傳統(tǒng)保冷材料優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

以德國(guó)阿樂(lè)斯絕熱材料公司生產(chǎn)的一種Armaflex LT/LTD柔性保冷材料(內(nèi)層為二烯烴彈性體發(fā)泡制品，外層為丁腈橡膠發(fā)泡制品)為例，對(duì)比其與傳統(tǒng)的硬質(zhì)保冷材料的優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表2。

8結(jié)語(yǔ)

本文將一種新型柔性保冷材料與傳統(tǒng)的硬質(zhì)保冷材料進(jìn)行一系列對(duì)比，證明該新型柔性材料與傳統(tǒng)硬質(zhì)材料相比，無(wú)論是運(yùn)輸儲(chǔ)存還是施工與使用壽命方面皆有明顯優(yōu)勢(shì)，具有一定的市場(chǎng)前景。當(dāng)然這種材料并非完美無(wú)缺，由于導(dǎo)熱系數(shù)比普通的PIR與PUR硬質(zhì)保冷材料要稍大，在同等條件下，它的保溫厚度往往偏大。目前，這種新型材料，已先后用于國(guó)內(nèi)外LNG項(xiàng)目，使用效果良好。

表2　柔性材料與傳統(tǒng)硬質(zhì)保冷材料優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

參考文獻(xiàn)

1王修來(lái)，韓雁凌，楊海軍等.淺談LNG管線深冷絕熱技術(shù)[J].冷藏技術(shù)，2012.9(3):7-10.

2韓帥，沈孝風(fēng)，徐超等.LNG工程保冷層施工[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2013，6:24-26

3GB/T8175-2008，設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

4程明，許克軍，蒲黎明等.LNG管道保冷材料的應(yīng)用和發(fā)展[J].腐蝕與防護(hù)，2013，31(5):65-68.

5GB 50264-2013，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

6GB/T 22724-2008，液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計(jì)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

7ASTM C591 Standard Specification for Unfaced Preformed Rigid Cellular Polyisocyanurate Thermal Insulation [S].

(收稿日期2015-12-07)