替換保溫材料對某工程設計的改善性分析

周 宏

( 浙江省天正設計工程有限公司，浙江 杭州 310030)

在化工建設項目的設計中，經常碰到需要輸送或者存儲溫度較高的介質，這就需要用到保溫材料，對設備管道進行保溫，以減少熱損失。保溫材料的選用在于化工建設項目的設計中只是很小一部分，容易被忽略。一個合適的保溫材料可以節省能耗、提高安全性，起到良好的節能降耗的作用。

1 保溫材料簡介

所謂保溫是一種使熱量的散發傳導速度減慢的措施。一般我們常把導熱系數小于0.2W/(m·K)的材料稱為保溫材料。例如石棉、珍珠巖等。

保溫的主要作用是為了減少供熱介質在輸送過程中的熱量損失，以便節約燃料，保證供熱質量；保溫還有一個作用是使管道外表面溫度不超過60℃，避免燙傷運行及檢修人員。

因此好的保溫材料應具有導熱系數小，吸水性低,機械強度較高,在使用溫度范圍內不變形、不變質、可燃性小、不腐蝕金屬，易施工、成本低的特點。

2 設計現狀

某廠生產車間用到導熱油加熱甬道。原設計中導熱油管道的壁溫大概220℃，導熱油管道直徑DN100，保溫材料采用了巖棉，保護層采用了鋁皮，已經運行使用了兩年。現場發現設備管道的外觀上，明細出現了松垮塌陷的現象，尤其頂部保溫層明顯變薄凹陷。導熱油管道進出車間的局部管道上出現腐蝕現象。導熱油管道法蘭連接處有滲漏，集聚在巖棉保溫層中，引起過局部悶燒現象，所幸發現及時。

3 原因分析

3.1 保溫管道的保溫層局部有塌陷現象

巖棉、泡沫石棉等屬于軟質保溫材料，軟質保溫材料優點是形狀適應性強，價錢便宜；缺點是抗壓性差，易粉化塌陷，吸水吸油性強，再利用率低。由于巖棉、硅酸鋁等纖維類制品靠粘合劑結合，泡沫石棉用發泡劑發泡成型。粘合劑和發泡劑都是有機物，長期受熱易分解，一般使用年限3～4年，3～4年后即使沒有拆裝過也會由于粉化塌陷等原因保溫效果大打折扣，熱損很大。巖棉等軟質保溫材料本身強度也不夠，沒有足夠的抗壓力和抗折的強度，在設備、管道上應用一段時間后，就會出現松垮和下墜現象。在現場會明顯看到了頂部保溫層變薄，使整體保溫效果顯著變差了。

3.2 在保護層不嚴密的地方有蓄水現象，局部管道外殼有腐蝕現象

進出車間的管道會被淋雨，保溫材料的保護層不嚴密的地方有蓄水現象，造成了部分管道腐蝕加快，這可能導致未到使用壽命就需要提前更換管道，帶來不必要的浪費。

3.3 測得保溫層外側溫度超過45℃

對多孔材料而言，當它受潮后，液態水會替代微孔中原有的空氣；而在常溫常壓下，液態水的導熱系數約為0.59W/(m·K)，空氣的導熱系數約為0.026W/(m·K)，液態水的導熱系數遠大于空氣的導熱系數，所以含濕材料的導熱系數一般大于干燥材料的導熱系數，而且含濕量越高，導熱系數也會越大。如果在低溫下水分凝結成冰，由于冰的導熱系數約為2.2W/(m·K)，所以結冰后整個材料的導熱系數也變大。

巖棉保溫材料的親水性比較大，吸濕后導熱系數增大，保溫性下降，導致保溫層外側溫度升高，熱損失增大。

3.4 管道保溫層局部出現過悶燒現象

原設計采用的軟質巖棉保溫材料，空隙率較大。導熱油系統的管路的法蘭處有少量泄漏時，泄漏大都被保溫材料吸收了。等到發現有漏的時候，前后兩片法蘭之間的整段管子都已經吸飽和了。當導熱油管外壁溫度較高，導熱油滲漏到保溫層，釋放的熱量被包裹在保溫層中不易導出，而使得其溫度逐步上升，當超過自燃點時就引起悶燒。

4 解決方案

考慮選擇防水性好，硬度高，導熱系數較小保溫性好的材料替代原巖棉保溫材料，來解決現存的問題。

硅酸鈣耐火性好，一種不燃原材料，耐火材料等級標準為A1級，在遇到火災的時候，板材不燃燒，不會產生具有刺鼻性氣味兒的毒煙；有良好的防水性能保溫性溫材料；耐熱性好，在使用溫度范圍內不變形；保溫性好，導熱系數比其它硬質塊狀絕熱材料低；抗菌防霉耐老化，環境友好；強度好，屬于硬質保溫材料，采用耐堿玻璃纖維、木漿作加強材料，沒有用到有機粘合劑。所以強度較好，不容易塌陷。

本案采用硬質硅酸鈣替代原有的巖棉作為保溫材料。

5 效果分析

5.1 節能降耗效果分析

選擇了硬質硅酸鈣的保溫材料進行更換原有的保溫材料。采用的保溫厚度與原保溫材料厚度相同，對絕熱層外表面能耗損失進行測算，具體如下：

Q= (T0-Ta)/ { [D1/(2λ)〗 ( LnD1/D0)+1/αs}[1]，W/m2;

Q—— 絕熱層外表面的熱損失，W/m2;

T0——管道外壁的維持溫度，℃；

Ta——環境溫度 ℃；

λ——保溫材料的導熱系數，W/(m℃)，；

D1——絕熱層外層，m ；

D0——管道外徑，m；D1= D0+2δ；

δ——保溫層厚度，m；

Ln——自然對數；

αs——保溫層外表面向大氣的散熱系數，W/(m2℃)。

外表面換熱系數αs=αr+αc。

式中：αr——絕熱結構外表面材料輻射換熱系數[W/(m2·K)]；

ε——絕熱結構外表面材料的黑度，ε為鋁皮，取0.3.;

Ts——絕熱層外表面溫度，℃。

無風時，對流換熱系數αc：

式中：αc——對流換熱系數[W/(m2·K)]；

D1——絕熱層外徑，m。

節能降耗效果對比見表1。

表1 節能降耗效果對比

說明：從以上每平方米絕熱層外表面表示的熱損失量計算結果可知，散熱損失都小于《工業設備及管道絕熱工程設計規范》GB 50264-97 附錄B“當設備管道外表面溫度T 0為220℃時，絕熱層外表面最大允許熱損失量Q 值常年運行工況123W/m2”；保溫層的設計厚度及選用材料正確合格。

從巖棉改用硬質硅酸鈣為保溫材料后，保溫材料外側的散熱損失減少了36.9(W /m2)。

按車間內導熱油管道1000m計，管徑DN100，保溫層厚度100mm計,經計算保溫材料外側的散熱損失減少了：36.9×3.14×0.333×1000×860/1000=33181.7kcal/h。

天然氣的熱值以8400(kcal/Nm3)計；1kW=860kcal/h；天然氣單價按3.2元/ Nm3計；連續工況，按一年7200h計。

從巖棉改用硬質硅酸鈣為保溫材料后，經測算一年可以大約節約費用：33181.7×7200/8400×3.2=9.1萬元。

5.2 安全性分析

5.2.1 悶燒可能性降低

在原車間中，發生過保溫層悶燒現象，所幸及時發現。現采用硬質硅酸鈣作為保溫材料，硬質硅酸鈣吸油率較小，大大減少了吸飽滲漏的油的可能性，也減少了悶燒可能性。以下是做了一個簡單的測試的數據：采用尺寸相同保溫材料進行浸油試驗；試驗用油為90#柴油；油滲透的時間為24h。實驗結果如下表2：說明憎水硅酸鈣的吸油率約9.5%，巖棉的吸油率約250%，憎水硅酸鈣的吸油率遠小于憎水硅酸鈣的吸油率。

表2 保溫材料吸油量的測定

5.2.2 強度增大，不易塌陷

現有硬質硅酸鈣作為保溫材料，材料的硬度較好，是無機硬質絕熱材料中強度最高的保溫材料。不容易塌陷而造成保溫效果下降。

6 結論

本案將原來的巖棉保溫材料用硬質硅酸鈣替代，節約了能耗，節省了生產費用，增加了運行的安全性。在工程設計中，保溫材料的選擇也是設計的一部分，合適的保溫材料，可以節能減耗，降低運行費用，在設計中應加以重視。