酚醛泡沫在LNG 管道保冷上的應(yīng)用

戢 超，池佩富，李祥儒

（福建天利高新材料有限公司，福建 廈門 361024）

引言

隨著氣候變化議題在全球范圍內(nèi)引起的高度關(guān)注，越來越多的國家開始為本國的碳排放達峰和實現(xiàn)溫室氣體凈零排放設(shè)定了明確的目標。2020 年9 月22 日，國家主席習(xí)近平在聯(lián)合國大會上代表中國作出承諾，2030 年前達到二氧化碳排放峰值，爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。

天然氣是碳排放強度最低的化石能源之一。美國能源情報署（EIA）的詳細數(shù)據(jù)表明，每百萬英熱單位（MMBtu）的LNG 會產(chǎn)生117 Lb（53.07 kg）二氧化碳。與之相比，每百萬英熱單位的煤炭和燃油分別會產(chǎn)生200 Lb（90.72 kg）和160 Lb（72.57 kg）二氧化碳。因此，LNG（液化天然氣）被視為“最環(huán)保的化石燃料”。碳中和目標的確立，給中國天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展既帶來了機遇也帶來了挑戰(zhàn)[1]。

基于LNG（液化天然氣）超低溫(-163℃)存儲的特點，對LNG 管道保冷方式和材料的選取就成為行業(yè)必須面臨的問題。保冷效果的好壞不僅關(guān)系到整個管路的輸送效率，而且對裝置的安全生產(chǎn)也有至關(guān)重要的影響。因而，合適的保冷方式和材料不僅能夠降低能耗、減少冷量損失和BOG（boil off gas，閃蒸氣）損耗，而且為企業(yè)安全生產(chǎn)和創(chuàng)造更好的效益提供了保障[2]。

1 LNG 管道常用保冷方式及材料

目前LNG 管道有兩種保冷方式，一種是采用奧氏體不銹鋼真空管道（以下簡稱真空管道），另一種采用奧氏體不銹鋼管道外覆保冷材料。其中奧氏體不銹鋼管道外覆保冷材料的方式由于結(jié)構(gòu)相對簡單，造價成本相對較低，因此應(yīng)用比較廣泛[3]。

1.1 真空管道

真空管道的工作原理就是通過內(nèi)管和外管之間高真空絕熱，把低溫液體的蒸發(fā)損失降到最低，同時又通過波紋膨脹節(jié)有效地補償了內(nèi)管的應(yīng)力變形。這種結(jié)構(gòu)比普通的保冷材料絕熱效果要好的多，不過由于其生產(chǎn)成本比較高，提前預(yù)制耗時長，因此只在LNG 氣損比較大的地方才使用。

另外，由于真空管道對廠家生產(chǎn)質(zhì)量要求很高，維修起來成本也很高，也限制了其應(yīng)用。

1.2 采用奧氏體不銹鋼管道外覆保冷材料

奧氏體不銹鋼管道外覆保冷材料是指為減少LNG 在管道輸送過程中的冷量損失，采用外覆包扎保冷材料的方式對低溫管道進行保冷絕熱。

目前國內(nèi)市場上常用的保冷材料有聚氨酯泡沫（PU）、聚異氰脲酸酯泡沫(PIR)、泡沫玻璃、橡塑等。

綜合來看，LNG 管道外覆保冷材料的典型結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為：PIR、次防潮層、泡沫玻璃、主防潮層、外保護層。如圖1。

圖1 常用LNG 管道保冷結(jié)構(gòu)

2 酚醛泡沫在LNG 管道保冷上的的應(yīng)用分析

2.1 酚醛泡沫簡介

酚醛泡沫是由熱固性酚醛樹脂、乳化劑、發(fā)泡劑、固化劑及其他助劑，經(jīng)過科學(xué)嚴格的配方發(fā)泡而成的閉孔型硬質(zhì)泡沫塑料。優(yōu)異的防火性能以及良好的保溫性能使其被譽為“保溫之王”[4]。

早在第二次世界大戰(zhàn)時期，德國就將酚醛泡沫用于輪船艙壁、飛機機翼的填充。隨后，受到英美軍方的重視，首先用于航天、航母、潛艇等軍事領(lǐng)域，后又被擴大應(yīng)用于民用飛機、船舶、車站、油井等防火要求嚴格的場所。20 世紀70 年代以來，酚醛泡沫材料在英、美、日得到迅速發(fā)展，90 年代中國也獲得較大突破，酚醛泡沫材料開始逐步普及，廣泛應(yīng)用于居住建筑、醫(yī)院、體育場館、機場、商場、石化企業(yè)等民用場所或領(lǐng)域。

2002 年，我國國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會就發(fā)布了兵器行業(yè)標準WJ 2569—2002《裝甲車輛用酚醛泡沫規(guī)范》。規(guī)范表明，酚醛泡沫用于制造裝甲車輛動力室/乘員室隔音隔熱板夾心材料。

2.2 酚醛泡沫的性能介紹

2.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)

優(yōu)質(zhì)的酚醛泡沫在平均溫度25 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)可低于0.024 W（/mK），在平均溫度-165 ℃下可達0.013 W（/mK）。

酚醛泡沫的保冷效果基本與PU/PIR 一致，明顯優(yōu)于泡沫玻璃和橡塑材料。較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可以減少管道保冷層的厚度。

2.2.2 工作溫度適應(yīng)性

LNG 管道保冷工況多樣，通常把運行溫度最低的LNG 管道溫度（-162 ℃）作為保冷材料的使用溫度來進行選材。

酚醛泡沫的使用溫度范圍廣，可在-250 ℃～120 ℃范圍內(nèi)長期使用，完全滿足LNG 的管道溫度。而聚氨酯泡沫（PU）使用溫度為-60 ℃～80 ℃、聚異氰脲酸酯泡沫（PIR）使用溫度為-180 ℃～110 ℃、泡沫玻璃使用溫度為-196 ℃～300 ℃、橡塑使用溫度為-50～100 ℃（二烯烴特種橡塑使用溫度可為-200 ℃～100 ℃）。

2.2.3 防火性能

LNG 泄露后會造成易燃氣體體積迅速膨脹，存在一定的火災(zāi)隱患，因此，LNG 工程對所用材料的防火性能有較高要求。

酚醛泡沫的防火性能優(yōu)異。酚醛泡沫屬于熱固性材料，遇火不燃，在火焰的直接作用下具有結(jié)炭、無融滴、無卷曲現(xiàn)象，火焰燃燒后表面形成一層“石墨”層，有效保護層內(nèi)的泡沫結(jié)構(gòu)；燃燒形成達到GB 8624—2012 B 級，氧指數(shù)檢測大于40。

酚醛泡沫在火焰噴射1 min 后，僅表面1 cm 炭化。如圖2。

圖2 酚醛泡沫火焰噴射1 分鐘

酚醛泡沫的防火性能優(yōu)于PU/PIR、橡塑材料。

2.2.4 吸水及吸濕性能

吸水率、吸濕率對保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響很大。保冷材料吸附水分后，不僅導(dǎo)熱系數(shù)會大大提高，還會導(dǎo)致腐蝕污染物（氯離子、硫酸根等）隨著水分的進入而溶解、聚集在金屬管道表面，引起管道腐蝕。

酚醛泡沫為高閉孔泡沫材料，吸水率極低，一般低于4%。

2.2.5 水蒸氣阻隔性能

若保冷材料的水蒸氣阻隔性不佳，進入保冷結(jié)構(gòu)的水分將不斷向管壁積聚，使保冷材料受潮、積水或凍結(jié)，降低保冷效果并發(fā)生凍結(jié)膨脹，導(dǎo)致保冷結(jié)構(gòu)破裂。

酚醛泡沫的透濕系數(shù)約為3 ng（/m·s·Pa）。

2.2.6 線性收縮

LNG 管道絕熱要盡可能選用線性收縮系數(shù)與管材線性收縮系數(shù)相近的保冷材料。

從表1 可知，酚醛泡沫在3 個方向的熱膨脹性能比較接近，低溫下沒有開裂且沒有發(fā)生較大收縮，材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性。同時，這一測試數(shù)據(jù)與不銹鋼非常接近，處在同一個數(shù)量級上，在低溫工程應(yīng)用時不銹鋼管道與保冷材料可同步收縮，為施工及安全生產(chǎn)提供最大的保障。

表1 酚醛泡沫低溫膨脹率測試數(shù)據(jù) （×10-6/℃）

2.2.7 防止保溫層下腐蝕（CUI）

保溫層下腐蝕（CUI）是指發(fā)送在施加了保溫（冷）材料的的管道或設(shè)備外表面上的一種腐蝕現(xiàn)象。CUI發(fā)生的關(guān)鍵在于保溫（冷）材料內(nèi)部或外界的腐蝕污染物（氯離子、硫酸根等）會隨著水分的進入而溶解，聚集在金屬管道表面，隨著腐蝕液濃度加大，腐蝕加速。為防止這種腐蝕的產(chǎn)生，絕熱材料的氯化物、硫酸根、氟化物、硅酸根、鈉離子的含量應(yīng)符合GB/T 17393—2008《覆蓋奧氏體不銹鋼用絕熱材料規(guī)范》的規(guī)定，其浸出液的pH 值在25 ℃時應(yīng)為7～11。

酚醛泡沫的生產(chǎn)過程中要使用酸作為固化劑，如果采用無機酸作為固化劑的話，酚醛泡沫浸出液可能含有大量氯離子、硫酸根離子等。因此，應(yīng)選用有機酸作為固化劑生產(chǎn)出來的酚醛泡沫。這一點需要特別注意。

聚氨酯泡沫（PU）和聚異氰脲酸酯泡沫(PIR)為了提高防火性能，一般需要添加阻燃劑，而阻燃劑水解后會容易產(chǎn)生酸性物質(zhì)及氯離子、磷酸根等，呈現(xiàn)出強腐蝕性。

2.2.8 健康與環(huán)保

各國政府于1987 年簽訂的《蒙特利爾議定書》國際公約約定，在世界范圍內(nèi)完全禁止使用氟利昂作為發(fā)泡劑，中國承諾在2030 年以前完全禁止生產(chǎn)和使用HCFC-141b[5]。

酚醛泡沫目前一般采用戊烷發(fā)泡劑，而且不含石棉及其他細小纖維，對人體及環(huán)境均無危害，施工輕便。

2.3 酚醛泡沫在LNG 管道上的應(yīng)用形式

2.3.1 安裝形式

LNG 管道采用酚醛泡沫材料保冷的結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為：酚醛泡沫、次防潮層、酚醛泡沫、主防潮層、外保護層。具體見圖3。

圖3 酚醛泡沫的LNG 管道保冷結(jié)構(gòu)

其中，酚醛泡沫采用預(yù)制好的，帶企口的酚醛泡沫保溫（冷）管殼。管殼表面可覆夾筋鋁箔紙材料。如圖4。安裝時，兩層酚醛泡沫保溫（冷）管殼錯峰安裝。

圖4 酚醛泡沫保溫（冷）管殼

2.3.2 酚醛泡沫保溫（冷）管托

在LNG 管道保冷中，管托位置也需要特別注意，比較容易出現(xiàn)冷（熱）橋，產(chǎn)生冷凝水、結(jié)冰。

由于管托位置需要承受一定的質(zhì)量，因此可采用80 kg/m3～150 kg/m3的高密度酚醛泡沫制成。

為了進一步優(yōu)化提高管托位置的保冷效果，可以采用下部分（承重位置）為80 kg/m3～150 kg/m3高密度酚醛泡沫，上部分（非承重位置）為40 kg/m3～60 kg/m3密度酚醛泡沫的保溫（冷）管托的形式，如圖5。因為40 kg/m3～60 kg/m3密度的酚醛泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)最低，隨著酚醛泡沫密度增加，導(dǎo)熱系數(shù)會有所升高。

圖5 高低密度組合的酚醛泡沫管托

此種高、低密度組合形式的酚醛泡沫保溫（冷）管托可將管托位置的熱損失限制在最小。

3 結(jié)語

合理選用保冷材料是LNG 管道絕熱設(shè)計的前提。通過LNG 管道對保冷材料的多項性能要求等方面來綜合對比分析，酚醛泡沫是一款非常適合應(yīng)用于LNG 管道保冷的性能優(yōu)異的材料。

節(jié)能、綠色、環(huán)保是當今技術(shù)進步追求的主題。伴隨著世界能源結(jié)構(gòu)的深刻調(diào)整，LNG 會在未來的產(chǎn)業(yè)份額中占據(jù)越來越大的比例，因此LNG 管道保冷材料的市場需求也會越來越大，保冷材料行業(yè)自身將也必須朝著低碳、環(huán)保、高效的方向不斷發(fā)展。