高溫大口徑熱風(fēng)管道內(nèi)保溫技術(shù)研究

陳小祥，許可，朱志坤

（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江 杭州 310030）

某工程項(xiàng)目熱風(fēng)管道保溫要求如下：設(shè)計(jì)溫度為700 ℃，工作溫度約650 ℃，介質(zhì)為空氣，介質(zhì)流速≤25 m/s，工作壓力＜3 kPa，介質(zhì)流量為65100 Nm3/h，保溫后介質(zhì)壓降＜2000 Pa/100 m，管道外壁溫度＜50 ℃，管道內(nèi)熱風(fēng)溫降＜50 ℃/100 m，管道直徑為2900 mm。

目前高溫管道常見(jiàn)保溫方式為外保溫，即采用一定厚度的保溫材料，通過(guò)一定方式固定在管道外壁，再用鋁皮或彩鋼板對(duì)保溫材料外表面進(jìn)行保護(hù)[1]。而在高溫?zé)犸L(fēng)管道中接觸的管道介質(zhì)為熱風(fēng)，溫度可達(dá)600 ℃以上，如果也選用相同的保溫方式，管壁會(huì)直接接觸高溫介質(zhì)，普通碳鋼無(wú)法在高溫下工作，必須選用耐熱溫度較高的不銹鋼321，甚至是不銹鋼310S；此外，支撐和結(jié)構(gòu)件也需要選用耐高溫材料，工程造價(jià)高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。

在常用外保溫?zé)o法滿足使用要求的情況下，轉(zhuǎn)而考慮內(nèi)保溫方式，將保溫層敷設(shè)于管道內(nèi)部，使管道壁溫降低至合適溫度。管材和支撐可以選用普通碳鋼，有效降低造價(jià)成本，并提高管道的安全性和穩(wěn)定性[2]。但是管道內(nèi)保溫層直接與高溫空氣接觸，并劇烈沖刷，工作環(huán)境惡劣，其性能好壞直接影響保溫效果及使用壽命。本研究以具體工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)，對(duì)常用的幾種內(nèi)保溫方式進(jìn)行研究，圍繞內(nèi)保溫材料選擇、保溫厚度計(jì)算、保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行探討，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行情況進(jìn)行總結(jié)歸納，解決內(nèi)保溫存在的各種問(wèn)題。

1 保溫結(jié)構(gòu)方案分析

針對(duì)該項(xiàng)目工況，套管式結(jié)構(gòu)存在造價(jià)高、施工難度大；內(nèi)襯澆注料（或耐火磚）使管道質(zhì)量大，造成管道支架施工困難，這兩種形式在目前項(xiàng)目中均不適用[1]。而常見(jiàn)使用輕質(zhì)保溫材料的內(nèi)保溫形式和外保溫形式均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1 所示。外保溫型式里層采用321 不銹鋼，外面包敷保溫材料，最外層為鍍鋅鐵皮保護(hù)層。內(nèi)保溫型式采用耐磨耐火材料作為管道內(nèi)部保護(hù)層，直接接觸高溫?zé)犸L(fēng)，采用耐高溫的硅酸鋁保溫材料作為保溫層，管道本體采用碳鋼管，材質(zhì)為Q235B。

表1 內(nèi)保溫和外保溫型式對(duì)比表

外保溫具有整體重量輕和安裝難度相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，由于管道壁溫高，管道處于紅熱狀態(tài)，因此容易造成管道斷裂、保溫脫落、支吊架管部開(kāi)焊及補(bǔ)償器頂死等故障，存在維護(hù)費(fèi)用高、維護(hù)量大、安全性低等缺點(diǎn)。

內(nèi)保溫型式具有安全性高、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、密閉性好、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，特別是該種保溫型式能夠保持高溫爐煙管道長(zhǎng)年穩(wěn)定運(yùn)行，這是外保溫型式無(wú)法比擬的[3-4]。

由此可見(jiàn)，內(nèi)保溫型式比較適合熱風(fēng)工況，但其存在一定的缺點(diǎn)[5]，不能完全滿足項(xiàng)目需求。本文結(jié)合龜甲網(wǎng)隔熱耐磨襯里結(jié)構(gòu)[6-7]對(duì)內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2 新型內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 保溫材料的選擇

2.1.1 主體保溫材料選擇

本項(xiàng)目涉及的流體介質(zhì)溫度較高，要求保溫材料的最高使用溫度≥650 ℃，表2 中巖棉和玻璃棉制品不能滿足使用溫度要求。同時(shí)管道為架空敷設(shè)，保溫后管道重量受到支架設(shè)置和管體剛度的限制，因此排除耐火澆注料（容重較大，且導(dǎo)熱系數(shù)大，保溫效果差）。而硅酸鈣板脆性比較大，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)钠茡p率高達(dá)30%以上，由于脆性較大，在熱煙氣管道的圓形空間里，施工難度很大，而且保溫隔熱效果也一般，造價(jià)也不低。因此硅酸鋁作為保溫材料較為合適，其耐熱溫度高，密度中等，且質(zhì)地較軟，可施工性好，導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫效果好。

表2 常見(jiàn)保溫材料性能

2.1.2 內(nèi)保護(hù)層材料選擇

保溫層材料不耐熱風(fēng)沖刷，需設(shè)內(nèi)保護(hù)層。內(nèi)保護(hù)層直接與高溫?zé)煔饨佑|，工作環(huán)境惡劣，其性能好壞直接影響保溫效果及使用壽命。內(nèi)保護(hù)層必須滿足耐高溫、線脹系數(shù)小、耐熱風(fēng)沖刷、整體強(qiáng)度高、密閉性好等特性，這樣才能對(duì)保溫層起到保護(hù)作用，同時(shí)還要易于安裝固定。目前可用的材料主要有耐火可塑料、耐高溫陶瓷、耐火磚和耐磨耐火搗打料等[2]。其中前3 種都存在安裝難度大、容易局部脫落、密封效果不好等缺點(diǎn)，而且脫落部分的修補(bǔ)非常困難，同時(shí)修補(bǔ)部分與原有部分很難結(jié)合到一起，極易發(fā)生重新脫落現(xiàn)象。耐磨耐火搗打料針對(duì)其他3 種內(nèi)保層的缺點(diǎn)而開(kāi)發(fā)，在管道內(nèi)易成型、易安裝、易維護(hù)和保養(yǎng)，保溫效果好，是由白剛玉粉、剛玉和氧化鋁微粉、硅微粉、電溶水泥、不同的結(jié)合劑、外加劑配制而成的具有高強(qiáng)度性能的搗打料。該材料性能參數(shù)見(jiàn)表3。本項(xiàng)目所使用的內(nèi)保護(hù)層材料為此種搗打料。

表3 耐磨耐火搗打料性能

2.2 結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)高溫?zé)犸L(fēng)（煙氣）管道采用碳鋼作為管道本體的材料，管道內(nèi)側(cè)分別敷設(shè)耐火與保溫材料：最內(nèi)側(cè)為抗高溫的耐火材料，一般為耐火澆注料；在其外側(cè)一般敷設(shè)硅酸鋁保溫材料作為主要保溫層。其主要缺點(diǎn)為抗熱疲勞能力差，耐火及保溫材料因熱脹冷縮導(dǎo)致的熱疲勞而產(chǎn)生裂縫并脫落；其次由于熱風(fēng)流速快，管道內(nèi)部不平整，抗熱風(fēng)沖刷能力差[1]。

為克服內(nèi)保護(hù)層以上缺點(diǎn)，本研究對(duì)雙層內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)做了較多的優(yōu)化，其組成如圖1 所示，由外至內(nèi)有3 層保溫材料，分別為硅酸鋁折疊塊、硅酸鹽復(fù)合噴涂料、耐磨耐火搗打料。內(nèi)壁的搗打料使管道內(nèi)部光滑平整，有效避免了熱風(fēng)沖刷引起的使用壽命下降；同時(shí)在耐磨耐火搗打料之中設(shè)置一層不銹鋼龜甲網(wǎng)，用于固緊搗打料和折疊塊，防止內(nèi)保護(hù)層熱疲勞，避免產(chǎn)生裂縫和脫落。

圖1 保溫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

從圖1 可以看出，保護(hù)層不能直接與管壁接觸，中間隔有軟性材料的保溫層，因此必須對(duì)保護(hù)層進(jìn)行固定，使之與外部的管道形成一個(gè)整體。為此，采用不銹鋼L 型錨固釘一端焊在管道內(nèi)壁上，相鄰鉤釘間距為200 mm，開(kāi)叉的一端深入保護(hù)層30 mm，并在末端用螺帽擰緊，這樣就將保護(hù)層（硅酸鹽復(fù)合噴涂料層及耐磨耐火搗打料層）和管道固定，同時(shí)也使中間的保溫材料得以固定。

在硅酸鋁折疊塊安裝完成之后，噴涂一層復(fù)合硅酸鹽噴涂料，厚度為20 mm，以更好地固定硅酸鋁模塊，增強(qiáng)硅酸鋁模塊與耐磨耐火搗打料之間的黏結(jié)性能。復(fù)合硅酸鹽噴涂料材料主要成分為硅酸鹽礦物質(zhì)及高溫黏結(jié)劑，具有防腐、保溫、耐油、耐酸、耐堿的功能及較強(qiáng)的吸附性和黏結(jié)力。本產(chǎn)品為全粉末狀固態(tài)材料，到施工現(xiàn)場(chǎng)按一定比例配水?dāng)嚢韬笫褂脤Ｓ脟娡吭O(shè)備進(jìn)行噴涂。噴涂層形成一個(gè)密封狀整體，不易開(kāi)裂、脫落和粉化。

在噴涂料之外設(shè)置一層龜甲網(wǎng)，龜甲網(wǎng)為正六邊形結(jié)構(gòu)，材料選用SS304 不銹鋼，厚度為1 mm，高度為20 mm，六邊形寬度為50 mm，其采用點(diǎn)焊的方式將龜甲網(wǎng)焊接成為一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成耐磨耐火搗打料層的骨架，有效防止保護(hù)層在熱風(fēng)沖刷下發(fā)生開(kāi)裂脫落現(xiàn)象。在龜甲網(wǎng)安裝完成后，再進(jìn)行搗打料施工，形成一層高強(qiáng)度耐磨保護(hù)層，防止熱風(fēng)沖刷導(dǎo)致保溫材料脫落。

2.3 成品設(shè)計(jì)參數(shù)匯總

成品設(shè)計(jì)的參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 成品設(shè)計(jì)參數(shù)

3 應(yīng)用

目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于某工程項(xiàng)目熱風(fēng)管道中，根據(jù)實(shí)際測(cè)量，熱風(fēng)管道外表面溫度為48.6 ℃，內(nèi)部熱風(fēng)溫度約為625 ℃，環(huán)境溫度約為30 ℃，與設(shè)計(jì)目標(biāo)基本一致。

以某段熱風(fēng)管為例，如圖2 所示。管道起點(diǎn)熱風(fēng)溫度為587.7 ℃，終點(diǎn)溫度為556.0 ℃，該段管道熱風(fēng)溫降為31.7 ℃，管道長(zhǎng)度約為75 m，百米溫降為42.3 ℃，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖2 某段管道熱風(fēng)溫度實(shí)測(cè)

4 結(jié)論

本文研究了一種新型復(fù)合內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)，其由輕質(zhì)耐高溫的保溫材料、復(fù)合硅酸鹽噴涂料、耐磨耐火搗打料復(fù)合而成，在復(fù)合硅酸鹽噴涂料和耐火耐磨保護(hù)層之間設(shè)置一層龜甲網(wǎng)作為骨架。施工時(shí)先在需保溫的管道內(nèi)壁焊接錨固釘，再依次敷設(shè)輕質(zhì)耐高溫保溫材料，噴涂復(fù)合硅酸鹽噴涂料，安裝龜甲網(wǎng)，內(nèi)壁再用耐火保護(hù)材料填實(shí)。該結(jié)構(gòu)保溫效果好，管道系統(tǒng)質(zhì)量輕，易于架空敷設(shè)，耐磨耐沖刷性能好、保溫材料不易脫落；同時(shí)管道不與熱風(fēng)直接接觸，管壁溫度低，管道材質(zhì)可選用碳鋼，整體經(jīng)濟(jì)性好。