方錦坤

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

LNG低溫管道支架保冷材料選擇

方錦坤

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

LNG低溫管道支架是LNG管道系統(tǒng)重要的組成部分，用以支撐LNG管道，確保管道安全運(yùn)行。選擇合適的LNG低溫管道支架保冷材料，對LNG低溫管道支架保冷結(jié)構(gòu)的可靠性和LNG管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

LNG；保冷材料；低溫支架

近年來，隨著國家能源產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，作為清潔能源的天然氣得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，也促進(jìn)了天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的迅速發(fā)展，大中型LNG項(xiàng)目雨后春筍般在我國沿海地區(qū)迅速發(fā)展起來。

本文通過對幾種不同性能的保冷材料進(jìn)行對比和篩選，為LNG低溫管道支架選擇合適的保冷材料。

1 保冷材料的一般要求

保冷是指為減少周圍環(huán)境向低溫管道及其附件散熱，在其外表面采取的增設(shè)保冷層的措施[1]。

低溫管道及其附件的保冷設(shè)計，應(yīng)以滿足工藝生產(chǎn)、保持和發(fā)揮生產(chǎn)能力、減少冷損失、節(jié)約能源、并防止表面凝露，改善工作環(huán)境等為目的。

一般保冷材料的選擇必須滿足下列要求：

(1)在主要技術(shù)性能均能滿足保冷要求的范圍內(nèi)，有不同保冷材料可供選擇時，應(yīng)優(yōu)先選用導(dǎo)熱系數(shù)小，吸水、吸濕率低，耐低溫性能好，易施工、造價低，其綜合經(jīng)濟(jì)效益較高的材料；

(2)保冷材料的最低安全使用溫度，應(yīng)低于正常操作時的介質(zhì)最低溫度；

(3)在低溫條件下經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)比較后，可選用兩種或多種保冷材料復(fù)合使用，或直接選用復(fù)合型保冷材料制品。一般保冷材料的基本性能要求應(yīng)是：具有密度小、機(jī)械強(qiáng)度大、導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定，對管道沒有腐蝕，以及能長期在工作溫度下運(yùn)行等性能。

設(shè)計采用的各種保冷材料，其性能必須符合現(xiàn)行國家、行業(yè)或省市級產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對新材料必須通過部、省、市級鑒定后方可采用。

對于保冷工程，由于保冷材料用于常溫以下或者0℃以上常溫以下的防結(jié)露，它的熱流方向與保溫的熱流方向相反。保冷層外側(cè)蒸汽壓大于內(nèi)側(cè)，蒸汽易于滲入保冷層，致使保冷層內(nèi)產(chǎn)生凝結(jié)水或結(jié)冰。因此，保冷材料應(yīng)為閉孔型材料，其主要性能應(yīng)符合GB 50126-2008《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程施工規(guī)范》以及其它國家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定。

2 我國LNG項(xiàng)目中常用的幾種保冷材料

在我國LNG中小型氣化站工程、液化站工程以及大型LNG接收站工程中，常用以下的幾種保冷材料：

2.1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料以聚醚或聚酯多元醇與多異腈酸酯為主要原料，再加催化劑、溫泡劑和氟利昂發(fā)泡劑等，經(jīng)混合、攪拌產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而形成發(fā)泡體?？浊坏拈]孔率達(dá)80%～90%，吸水性小。由于其氣孔為低導(dǎo)熱系數(shù)的氟利昂氯質(zhì)，所以它的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣小，最低可達(dá)0.012 W/(m·K)(在-165℃下)。該種材料有較好的冷彈性、保冷特性、吸音性、吸振性，尺寸穩(wěn)定性好，使用安全可靠，造價可行，無需過多的維修及在機(jī)械損傷后修復(fù)簡便，因此它是低溫LNG管道及支架十分理想的保冷材料。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料制品可以由預(yù)制廠預(yù)制成板狀或管殼狀等制品。由于它可常溫發(fā)泡、固化，可在現(xiàn)場噴涂或灌注發(fā)泡，是目前應(yīng)用最廣泛的有機(jī)保冷材料之一。

通常，密度較低的聚氨酯硬泡主要用作隔熱材料，密度較高的聚氨酯硬泡是結(jié)構(gòu)泡沫塑料，又稱仿木材，具有強(qiáng)度高、韌性好、表面致密堅韌、成型工藝簡單生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，可用作結(jié)構(gòu)材料，例如低溫支架用保冷材料。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料技術(shù)特性見表1。

表1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料技術(shù)特性

2.2 泡沫玻璃

泡沫玻璃是以玻璃粉為基料，加入發(fā)泡劑、通過隧道窯爐加熱焙燒冷卻后再用機(jī)械加工成所需形狀、尺寸的制品。泡沫玻璃有以下特點(diǎn)：

泡沫玻璃不吸水，不吸濕，它既是保冷材料，同時又是良好的防潮材料。

泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)十分恒定，不會像其它一些保冷材料那樣，經(jīng)過一段時間使用后會因吸濕而使導(dǎo)熱系數(shù)增大?？箟?、抗彎強(qiáng)度高。

具有與玻璃同樣的耐化學(xué)腐蝕，不會老化，對管道具有防腐保護(hù)作用。

不會燃燒，是國際上人命安全條約規(guī)定的不燃材料。在低溫管道上使用，可從根本上消除造成火災(zāi)的隱患。

線膨脹系數(shù)小，一般只有有機(jī)保冷材料的五分之一左右，它的膨脹系數(shù)與金屬材料比較接近，脹縮差系數(shù)小。因此能避免脹縮差引起保冷材料與管道脫殼的危險，確保保冷結(jié)構(gòu)的密閉性。

既能耐超低溫，又能耐一定的高溫，使用溫度范圍很廣。

表2 泡沫玻璃技術(shù)特性

2.3 泡沫玻璃和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料復(fù)合

在接近低溫處采用泡沫玻璃保冷，在靠近常溫處采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保冷。因?yàn)樵诘蜏叵屡菽ＡУ氖湛s率接近不銹鋼的收縮率，所以泡沫玻璃在低溫下不會開裂，不會引起冷脆點(diǎn)，但是泡沫玻璃絕熱性差，所以在外層采用聚氨酯泡沫塑料來提高絕熱性能，達(dá)到保冷的效果，充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)[2]。

2.4 聚異氰脲酸酯泡沫塑料

聚異氰脲酸酯泡沫(PIR)是指分子結(jié)構(gòu)中含有異氰脲酸酯環(huán)的泡沫塑料，除了具有聚氨酯硬質(zhì)泡沫的優(yōu)良的絕熱性能、在低密度時具有較好強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)外，與聚氨酯泡沫塑料相比，PIR具有使用溫度范圍更廣，具體表現(xiàn)為它能在150℃下長期連續(xù)使用，而尺寸變化率小于1%，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料若在此溫度下長期使用，強(qiáng)度明顯下降，外觀與尺寸也發(fā)生變化。；另外，耐火焰貫穿性好，厚度為2.5 cm左右的聚異氰脲酸酯泡沫塑料板，用丙烷火焰對著它的一側(cè)中心燃燒，30min左右才能把泡沫塑料板燒穿，燃燒時發(fā)煙量低，而在同等條件下，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料一般幾分鐘就燒穿了。以上這些優(yōu)異的性能使得PIR具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 LNG低溫管道支架保冷材料的選擇

作為低溫管道支架保冷材料來講，除了具有一般保冷材料的保冷性能外，低溫管道支架的保冷材料還應(yīng)該能夠承受管道、管內(nèi)介質(zhì)、保冷層以及其它作用在管托上的荷載，具有良好的機(jī)械性能以保證管道工作的安全性。另外，考慮到施工性能，要求其加工容易，同時檢修和維護(hù)方便。

選擇保冷材料時要根據(jù)介質(zhì)溫度及使用條件考慮其綜合性能，優(yōu)先考慮耐溫性、工程熱導(dǎo)率及價格。若有幾種保冷材料均可使用，其使用壽命、維修周期、外觀基本相同時，還需做一下比較，最后可用每平方米保冷層綜合價格(包括保冷層、外護(hù)層、接點(diǎn)、施工等費(fèi)用)與工程熱導(dǎo)率的乘積大小來決定。需要注意的是同一種材料，不同廠家的產(chǎn)品性能差別可能較大，應(yīng)做比較篩選。單位價格低不能作為唯一選擇條件，而要看綜合性能價格比。

3.1 按工藝運(yùn)行溫度對保冷材料的要求進(jìn)行篩選

各種保冷材料適用的溫度范圍各不相同，如果超過材料允許使用溫度范圍，會使材料產(chǎn)生明顯變化、變質(zhì)或變形。因此，不應(yīng)選用保冷材料承受超過極限的溫度。

保冷材料的使用溫度范圍應(yīng)大于被保冷管道的最低和最高表面溫度。

表3列舉了幾種不同保冷材料的使用溫度范圍。

表3 不同材料的使用溫度范圍

從該表可以看出，這幾種材料的最低使用溫度范圍都可滿足LNG工程的要求。

3.2 按環(huán)境和工藝條件對保冷材料的性能做進(jìn)一步的篩選

保冷材料除應(yīng)滿足耐溫性要求外，保冷環(huán)境和工作條件還常常對保冷材料的物理化學(xué)性能有特殊要求。歸納起來，所要求的其他主要性能有：

3.2.1 機(jī)械強(qiáng)度

由于用于支架的保冷材料要求能夠承受管道、管內(nèi)介質(zhì)、保冷層以及其它作用在支架上的荷載，所以要求支架的保冷材料具有較大的機(jī)械強(qiáng)度。值得指出的是，對機(jī)械強(qiáng)度的要求及對熱導(dǎo)率的要求應(yīng)作統(tǒng)一考慮。一般來說，機(jī)械強(qiáng)度高的材料密度較大，而熱導(dǎo)率也較高。

3.2.2 吸水性

保冷材料一旦吸水，保冷效果會明顯下降，同時也不利于安全生產(chǎn)和操作，因此，對有吸水環(huán)境的保冷工程施工，對保冷材料的吸水性應(yīng)有較嚴(yán)格的要求，泡沫玻璃和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料以及PIR都具有較小的吸水性。

此外，還要結(jié)合保冷材料以及保冷結(jié)構(gòu)的施工工藝的難易，綜合考慮保冷工程的經(jīng)濟(jì)性。

4 LNG低溫管道支架保冷材料選擇結(jié)論

經(jīng)過對各種保冷材料的性質(zhì)分析，認(rèn)為高密度PIR、高密度聚氨酯泡沫和泡沫玻璃的各項(xiàng)性能都比較適合做低溫管道支架的保冷材料。但是泡沫玻璃的致命缺點(diǎn)是：它的脆性較大[3]，受到稍微強(qiáng)烈的振動時容易破碎，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一般僅把它用作保冷管道用隔熱材料。

結(jié)合LNG低溫管道保冷支架的特點(diǎn)，最終確定有兩種保冷材料可供選擇。一種是高密度的聚氨酯，另一種是高密度的PIR。從廣東LNG和福建LNG低溫管道支架的工程應(yīng)用看，所用的保冷材料都是高密度聚氨酯。此外，高密度PIR雖然單價比高密度聚氨酯要高，但其在耐高溫、阻燃性方面要優(yōu)于高密度聚氨酯，近幾年國內(nèi)多個大型LNG接收站逐漸在使用高密度PIR材料。

作為低溫管道支架保冷材料采用的高密度PUF和高密度PIR技術(shù)特性見表4和表5。

表4 高密度PUF技術(shù)特性

表5 高密度PIR技術(shù)特性

欲使保冷工程達(dá)到最佳的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)際中有必要對支架保冷材料進(jìn)行認(rèn)真的篩選。保冷材料最終的取舍，不能將保冷材料的選擇與工程孤立，既要考慮材料的性能是否滿足管道的運(yùn)行要求，也要考慮保冷工程造價和保冷施工工藝等諸多方面的因素。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 4272-2008 設(shè)備及管道絕熱技術(shù)通則[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2] 李雨康，張世榮.深冷絕熱材料的探討[J].中國海洋平臺，2001，16(3)：31-34.

[3] 孫豐海.保冷選材和施工淺析[J].化工設(shè)備與管道，2008，45(1)：61-62.

(本文文獻(xiàn)格式：方錦坤.LNG低溫管道支架保冷材料選擇[J].山東化工,2017,46(7):148-150.)

Selection of Insulation Material for Liquefied Natural Gas Cryogenic Support

FangJinkun

(HQCEC(GD),Guangzhou 510655,China)

Liquefied Natural Gas cryogenic support is a significant part of pipeline,for supporting and ensuring the safely operation the pipeline. So,choose a appropriate insulation material for Liquefied Natural Gas cryogenic support is very importance,for the structure of heat proof and the safely operation of pipeline.

LNG;insulation material;cryogenic pipe support

2017-02-13

方錦坤(1984—)，男，廣西人，本科，主要從事化工、環(huán)保及天然氣工程設(shè)計工作。

TQ055.8

B

1008-021X(2017)07-0148-03