一種新型柔性低溫保冷材料在LNG項目中的應用

吳　軍　中國五環工程有限公司　武漢　430223

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一種新型柔性低溫保冷材料在LNG項目中的應用

吳軍*中國五環工程有限公司武漢430223

摘要針對傳統LNG低溫保冷材料大多選用硬質PIR或PUR，但使用壽命不長，保冷結構繁瑣且施工操作復雜的情況，本文提出一種由兩類合成橡膠和高分子彈性體材料發泡而成的新型柔性低溫保冷材料，經對比分析，證明該材料在保證良好保冷效果及施工簡單快捷，導熱系數穩定，使用壽命長等優勢。

關鍵詞柔性材料低溫LNG導熱系數低溫二烯烴聚合物

*吳軍：工程師。2008年畢業于中國石油大學(北京)材料學專業獲碩士學位。主要從事煉化工管道設計工作。

聯系電話：(010)58170109，E-mail：bj-qinquya@cnpccei.cn。

LNG管線深冷絕熱技術是LNG利用環節中的關鍵技術之一，LNG低溫保冷實施質量的好壞直接影響著LNG產業的實際應用效果。本文對LNG管線的保冷材料選擇進行了研究，通過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聚氨酯和泡沫玻璃。日本、韓國等主要采用硬質聚氨酯泡沫(PUR)，歐美國家多采用聚異腈脲酸酯(PIR)。聚異腈脲酸酯泡沫的耐熱性、尺寸穩定性、難燃性及抗壓強度都優于硬質聚氨酯泡沫，但成本高于聚氨酯泡沫[2]。筆者在實踐中發現，這兩種保冷材料無論是在運輸儲存方面還是施工便捷方面，都有著一定的缺點。在施工過程中拼接部位較多，對于一些異型部位，聚異腈脲酸酯與硬質聚氨酯泡沫均可現場進行澆注發泡，但在發泡加工制作過程中，受氣象條件、發泡時間和多組分攪拌等因素的影響，氣孔破壞率高，吸水防潮性能不好，導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，其不僅具有優越的保冷性能，還能避免運輸儲存、施工上的不便，具有一定的市場前景。

1保冷材料的選擇原則

由于LNG管道運行溫度為-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低于正常操作時介質最低溫度。

(2)具有較低的導熱系數(也就是應該具備良好的絕熱性能)。

(3)吸水吸濕性小、水蒸汽透濕系數低、低溫線膨脹系數小、阻燃性能好[3]。

(4)在超低溫和常溫下達到一定的強度要求。

(5)工程選材設計中應考慮保冷材料的經濟性、重量輕、施工便利，保冷材料還應具備良好的現場切割或裁剪加工性能，施工便捷，減輕現場安裝難度。

(6)減少保冷系統投產后的日常維護工作量，提高材料的再利用率[4]。

2常見保冷材料性能參數

用于絕熱的材料非常多，但由于LNG管道運行溫度為-162℃，因而能用于該系統的材料并不多，現就滿足LNG低溫條件的幾種常見保冷材料性能參數見表1[5]。

表1　常見保冷材料性能參數

注：HDPIR有五種不同的使用密度，分別對應不同的導熱系數，詳見文獻5。

3兩種保冷結構對比

傳統硬質PIR典型的保冷結構，由里到外依次由硬質材料、第二防潮層、硬質材料、第一防潮層以及最外層的金屬保護層組成，見圖1。

圖1　硬質PIR保冷結構

本文介紹的柔性低溫深冷絕熱系統由兩類合成橡膠和高分子彈性體材料發泡而成，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℃(用于內層)，屬減振兼顧隔熱層，提供低溫下彈性和機械強度，見圖2。

圖2　柔性材料保冷結構

兩者最顯著的區別：柔性材料保冷由于自身具備防水汽滲透功能，因而結構比起傳統硬質保冷結構簡單，施工起來也更方便。

4導熱系數與溫度的關系

幾種絕熱材料導熱系數與溫度的關系見圖3。

深冷環境下此低溫柔性材料(二烯烴聚合物)導熱系數介于泡沫玻璃與PIR之間，且隨溫度的降低呈下降趨勢。由圖3可見，在LNG運行溫度下，二烯烴聚合物與PIR導熱系數相比要大一些，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保冷材料導熱系數的變化

圖4、5為某絕熱材料公司生產的這種新型柔

圖3　幾種絕熱材料導熱系數與溫度的關系

注： PIR與泡沫玻璃導熱系數來源文獻5，柔性材料的導熱系數來自廠家產品說明書。

性保冷材料與傳統硬質保冷材料PIR的導熱系數和運行冷損與使用時間變化的對比。在環境溫度為33.5℃，相對濕度為83%，介質溫度為-100℃，管道尺寸為DN200，保冷厚度同時為125mm的相同條件下，統計時間為10年。可以看出PIR在第五年的時候，水蒸汽的導熱系數發生突變，由0.03W/(m·K)變為0.56 W/(m·K)，且同時它的運行冷損也在五年之后由40W/m突變為450W/m，而新型柔性保冷材料的導熱系數卻在10年時間內穩定地維持在0.03 W/(m·K)左右，運行冷損保持在31.6W/m左右。這說明保冷材料導熱系數隨使用時間的變化而改變。

圖4　柔性材料與PIR導熱系數隨使用時間的變化

圖5　柔性材料與PIR運行冷損隨使用時間的變化

6造成系數變化的原因分析

材料的實際導熱系數受以下幾個因素的影響：

(1)保冷材料使用中的導熱系數總會高于初始的導熱系數。尤其對于低溫管道的保溫，保溫管的內外壁兩側始終存在溫差和濕度差，從而造成水汽壓力差，在該壓力差的持續作用下，外側環境的水汽不可避免地滲入保溫材料內部。因水的導熱系數十數倍于材料的初始導熱系數，故材料使用中的導熱系數會逐漸增高，致使原有按初始導熱系數選定的保溫層厚度變得不足以防止結露發生。

(2) PIR保冷系統的導熱系數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(見圖6)，一旦此處疏忽大意，或施工不周全，將直接導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勢明顯，不僅接縫少(見圖7)，避免被水汽侵襲的概率變小，還因為其主保冷層(低溫丁腈聚合物)自帶抗水汽滲透性能，無需額外防潮層，這也是該柔性材料壽命較長的直接原因。

圖6　傳統硬質PIR保冷材料在工程中應用

圖7　新型柔性保冷材料在工程中的應用

實踐表明，吸水率、吸濕率對保冷材料的密度、導熱系數、機械強度影響很大。材料吸附水分后，材料內的空氣間隙減少，而常溫下水的導熱系數是空氣導熱系數的24倍，且水在蒸發時要吸收大量的熱，使材料導熱系數提高。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，隨著使用時間的延長會導致導熱系數發生變化，從而影響到保冷效果與使用壽命。

比如美標ASTM C591要求PIR進行導熱系數測試時，樣品存放的時間應為生產后180±5天后，就是要保證材料在吸水吸濕穩定之后測的數據準確，而國內往往忽視該測試要求，導致一些PIR導熱系數比實際偏小。

如某干燥保溫層本身的導熱系數為λ=0.033W/(m·K)，一旦滲入水汽以后凝集水汽，原本材料發泡孔中的空氣(λ=0.024W/(m·K))被水取代(λ=0.056W/(m·K))，其中一部分在LNG冷態作用下結成冰之后，λ=2.2W/(m·K)，保冷層將徹底失去效果。現場包裹得很好的保冷層運行一段時間就結冰，很多都是這種原因引起(見圖8)。

圖8　導熱系數變化

7新型與傳統保冷材料優缺點對比

以德國阿樂斯絕熱材料公司生產的一種Armaflex LT/LTD柔性保冷材料(內層為二烯烴彈性體發泡制品，外層為丁腈橡膠發泡制品)為例，對比其與傳統的硬質保冷材料的優缺點，見表2。

8結語

本文將一種新型柔性保冷材料與傳統的硬質保冷材料進行一系列對比，證明該新型柔性材料與傳統硬質材料相比，無論是運輸儲存還是施工與使用壽命方面皆有明顯優勢，具有一定的市場前景。當然這種材料并非完美無缺，由于導熱系數比普通的PIR與PUR硬質保冷材料要稍大，在同等條件下，它的保溫厚度往往偏大。目前，這種新型材料，已先后用于國內外LNG項目，使用效果良好。

表2　柔性材料與傳統硬質保冷材料優缺點對比

參考文獻

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

2韓帥，沈孝風，徐超等.LNG工程保冷層施工[J].管道技術與設備,2013，6:24-26

3GB/T8175-2008，設備及管道絕熱設計導則[S].北京：中國計劃出版社，2013.

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

5GB 50264-2013，工業設備及管道絕熱工程設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

6GB/T 22724-2008，液化天然氣設備與安裝陸上裝置設計[S].北京：中國計劃出版社，2009.

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

(收稿日期2015-12-07)