LNG船液貨艙絕熱材料概述

劉寶勇 朱哲仁

（1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院 中國(guó) 上海 201306；2.中國(guó)液化天然氣運(yùn)輸〈控股〉有限公司 中國(guó) 上海 200000）

國(guó)際海事組織規(guī)定，LNG船的液貨艙必須配置絕熱層。絕熱層絕熱性能的好壞直接關(guān)系到船舶運(yùn)營(yíng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。液貨艙絕熱層既能夠減少外界熱量傳入液貨艙，從而減少液貨蒸發(fā)，又能夠防止LNG泄漏時(shí)對(duì)船體構(gòu)件造成低溫破壞。因此LNG船液貨艙絕熱層必須選用優(yōu)良的絕熱材料。

1 液貨艙絕熱材料的性能要求

用于LNG船液貨艙的絕熱材料應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求[1]。

1.1 較小的導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)的大小是衡量絕熱材料絕熱性能的最主要指標(biāo)，選擇絕熱材料的首要因素就是較小的導(dǎo)熱系數(shù)。被隔絕的介質(zhì)溫度越低，就要求絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小。一般在低溫環(huán)境下絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度降低而減小。

1.2 良好的抗吸水吸濕性

干燥的絕熱材料具有良好的絕熱性能，絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著材料濕度的增加而顯著上升，從而影響絕熱效果。這是因?yàn)樵诟稍餇顟B(tài)下絕熱材料的孔隙中充滿了空氣，吸水吸濕后，孔隙中的空氣被水替換，而水的導(dǎo)熱系數(shù)大約為空氣的25倍，這就使材料的絕熱效果大大降低。一般情況下，絕熱材料的體積吸水率每增加1%，其導(dǎo)熱系數(shù)就增加10%。因此良好的絕熱材料必須要具有較低的吸水率和吸濕率。

1.3 良好的抗水蒸氣滲透性

除了良好的抗吸水吸濕性，絕熱材料還要具有良好的抗水蒸氣滲透性。因?yàn)楦鶕?jù)菲克定律，水蒸氣分壓是水蒸氣擴(kuò)散的推動(dòng)力，在液貨艙表面水蒸氣分壓較低，外界環(huán)境水蒸氣分壓較高，二者之間的壓力差使水蒸氣向絕熱材料內(nèi)部擴(kuò)散，從而使絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加，絕熱效果降低。

1.4 較小的低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)

絕熱材料與液貨艙鋼結(jié)構(gòu)一般為剛性結(jié)合，由于絕熱材料與液貨艙材料的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)液貨艙溫度變化時(shí)，絕熱層會(huì)因絕熱材料與液貨艙低溫鋼材膨脹量的差異而破裂，這是導(dǎo)致絕熱層受到破壞的主要原因。目前與低溫鋼收縮差為零的絕熱材料還不存在，因此在選擇絕熱材料時(shí)應(yīng)該盡量選擇熱膨脹系數(shù)與液貨艙低溫鋼材接近的材料。

1.5 良好的阻燃性

常用的低溫絕熱材料大多是有機(jī)泡沫塑料，較易燃燒，存在一定的火災(zāi)隱患。因此工程上使用的有機(jī)絕熱材料必須經(jīng)過(guò)阻燃處理，以符合各種規(guī)范要求的阻燃指標(biāo)。

除以上要求以外，選擇的絕熱材料還應(yīng)滿足化學(xué)性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，價(jià)格便宜及施工方便等要求。

2 液貨艙絕熱材料的性能及選擇

LNG船液貨艙常使用的絕熱材料主要有聚氨酯泡沫、膨脹珍珠巖、泡沫玻璃、聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、酚醛泡沫等[2]。

2.1 常用絕熱材料及其性能

2.1.1 聚氨酯泡沫

聚氨酯泡沫是由有機(jī)異氰酸酯與多元醇化合物，加入其它助劑，相互發(fā)生反應(yīng)而形成的高分子聚合物。聚氨酯泡沫是一種性能優(yōu)良的絕熱材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)小，密度小，低溫性能良好，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在低溫絕熱方面應(yīng)用廣泛，是LNG船最主要的絕熱材料之一。但由于聚氨酯泡沫是有機(jī)材料，所以有一定的燃燒性，用于有O2冷凝或發(fā)生泄漏的地方時(shí)會(huì)有一定的危險(xiǎn)性。該材料在極低溫工況下強(qiáng)度低、尺寸穩(wěn)定性差，但可以通過(guò)一些改進(jìn)方法來(lái)滿足要求。

聚氨酯泡沫材料分為軟質(zhì)、半硬質(zhì)和硬質(zhì)聚氨酯泡沫等幾種，用于絕熱材料的主要是硬質(zhì)聚氨酯泡沫。

2.1.2 膨脹珍珠巖

膨脹珍珠巖是一種主要成分為SiO2和Al2O3的酸性玻璃質(zhì)顆粒，可通過(guò)將火山噴射出口的熔巖粉碎后在爐中焙燒加壓膨脹制成。膨脹珍珠巖具有導(dǎo)熱系數(shù)小，密度較小，化學(xué)穩(wěn)定性好，使用溫度范圍寬，無(wú)毒，不腐蝕，不燃燒等優(yōu)點(diǎn)，且原材料來(lái)源廣泛，加工技術(shù)簡(jiǎn)單，成本低廉，是一種很有應(yīng)用價(jià)值的輕質(zhì)、高效絕熱材料，但其最大缺點(diǎn)是吸水率高，使用過(guò)程中有沉積壓實(shí)現(xiàn)象，長(zhǎng)期使用后性能會(huì)有所下降。

2.1.3 泡沫玻璃

泡沫玻璃是以廢玻璃及各種富含玻璃相的物質(zhì)為主要原料，經(jīng)過(guò)粉碎磨細(xì)，添加發(fā)泡劑、改性劑等材料，均勻混合形成配合料，再將其放置在特定模具，經(jīng)過(guò)焙燒發(fā)泡、退火冷卻而制成的內(nèi)部充滿均勻氣孔的多孔玻璃材料，其主要成分為鋁、硅等無(wú)機(jī)化合物。由于泡沫玻璃內(nèi)部絕大多數(shù)氣孔都是孤立的，所以泡沫玻璃材料的吸水率幾乎為零。作為絕熱材料，泡沫玻璃具有使用溫度范圍廣，耐火性能好，不易老化，強(qiáng)度高以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但相比其它絕熱材料，泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)較大，在高溫下易斷裂，且價(jià)格昂貴，所以一般只用在低溫或需要嚴(yán)格防火的地方。

2.1.4 聚苯乙烯泡沫

聚苯乙烯泡沫塑料是由可發(fā)性聚苯乙烯樹(shù)脂（EPS）珠粒加工制造而成的一種優(yōu)質(zhì)的絕熱材料，具有質(zhì)輕，導(dǎo)熱系數(shù)小，抗壓強(qiáng)度高，耐老化，耐低溫，易成型，易于施工，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但是該材料使用范圍小，尤其是耐熱性差，瞬時(shí)溫度驟然上升的地方嚴(yán)禁使用本材料。

2.1.5 聚氯乙烯泡沫

聚氯乙烯泡沫是以PVC樹(shù)脂為主體，添加適量的高分子改性劑、熱穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑和增塑劑等，經(jīng)過(guò)低速或高速混合機(jī)混勻，經(jīng)預(yù)塑造粒或壓片，再采用模壓發(fā)泡、擠出發(fā)泡或注射發(fā)泡而制成的一種泡沫塑料。該材料具有導(dǎo)熱系數(shù)小，抗壓強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格較高，且有一定的毒性，所以使用范圍較小。

2.1.6 酚醛泡沫

酚醛泡沫是以酚醛樹(shù)脂為主要原料，加入阻燃劑、發(fā)泡劑、固化劑及其它助劑，在樹(shù)脂交聯(lián)固化的同時(shí)，發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體分散其中而發(fā)泡形成的閉孔硬質(zhì)泡沫塑料，是一種新型難燃、防火保溫材料。其具有均勻的閉孔結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率較低。且具有適用溫度范圍大，阻燃性高，抗腐蝕性、抗老化性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。但其機(jī)械強(qiáng)度較差。

2.2 液貨艙絕熱材料的選擇

表1所示為L(zhǎng)NG船液貨艙常采用的幾種絕熱材料的性能參數(shù)。從表中可以看出，各種絕熱材料各有優(yōu)點(diǎn)：硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的導(dǎo)熱系數(shù)最小，絕熱效果最好；泡沫玻璃吸水率最低，抗吸水吸濕性最好；酚醛泡沫材料耐燃性最好。

表1 LNG船液貨艙常用的絕熱材料物理性能

表2 各種類型液貨艙最常選用的絕熱材料

為提高液貨艙的絕熱效果，有效降低LNG的蒸發(fā)率，各種不同類型的液貨艙都根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的絕熱材料[3]。表2為各種類型的LNG船液貨艙最常采用的絕熱材料。

［1］賈琦月，劉志偉.LNG項(xiàng)目的隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道，2009，46(3)：67-69.

［2］顧安忠，主編.液化天然氣技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］王永偉，王傳榮，王晶.LNG船三種儲(chǔ)罐系統(tǒng)比較分析[J].船舶物資與市場(chǎng)，2007(2)：25-28.