管道保溫材料的發展及其選擇依據

黃 麗

（遼寧省石油化工規劃設計院有限公司，遼寧 沈陽 110004）

能源為國家的經濟發展提供了源源不斷的動力，也保障了基本的民生。隨著經濟的飛速發展，對能源的需求和消耗也在不斷增加，節約能源成為各行各業所面臨的重要問題。而正確選擇保溫材料，有效減少熱媒在輸送過程中的散熱損失、減少熱能的損耗、節約燃料消耗、提高企業的經濟效益，在很多領域起著重要的作用。例如，在石油、化工、化纖、冶金、印染、制藥等生產領域，熱流傳輸管道、閥門等高溫部件都需要保溫隔熱。采用良好的保溫技術與材料，往往能起到事半功倍的效果。

保溫材料一般是指導熱系數小于或等于0.2的材料。保溫材料種類繁多，常用的保溫絕熱材料按其材質成分可分為無機和有機兩大類。無機絕熱材料主要包括巖棉、玻璃纖維、泡沫玻璃、硅酸鈣、珍珠巖、硅酸鹽類涂料、氣凝膠材料。這類材料適用于熱力設備和管道；有機絕熱材料主要包括EPS聚苯乙烯泡沫保溫板、XPS擠塑聚苯乙烯保溫板、聚氨酯泡沫塑料、軟木。這類材料適用于天然氣、冰箱等的保冷。保溫材料按其形態又可分為多孔狀、纖維狀、粉末狀等多種材料。其中多孔狀材料主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡膠、硅酸鈣、酚醛板、輕質耐火材料；纖維狀材料主要有石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁陶瓷纖維、晶質氧化鋁纖維；粉末狀材料主要有硅藻土、膨脹珍珠巖、海泡石、玻化微珠。

1 我國管道保溫材料的發展歷程[1]

我國的保溫材料研發應用主要是從20世紀50年代開始的，當時的發展方向以模仿國外保溫材料為主。例如，管道保溫領域采用的保溫材料主要包括硅藻土、石棉-碳酸鎂以及石棉-白云石。保溫材料的結構主要是采用砌塊式保溫，然后在外部采用鋼絲網包裹，最后用保溫灰漿抹面，干燥固化后包纏棉布。從20世紀60年代開始，又出現新一代的保溫材料，例如以膨脹蛭石為原料制得的保溫制品以及玻璃棉和泡沫混凝土制品，同時也兼顧使用硅藻土、輕型黏土磚和礦渣棉瀝青制品等原料制成的保溫制品，從而在管道保溫材料領域得到了廣泛應用。到了20世紀70年代，采用的保溫材料以膨脹珍珠巖為主，同時膨脹蛭石、硅藻土制品、微孔硅酸鈣和各種礦質纖維制品依然有部分應用。合成樹脂泡沫塑料等有機高分子保溫材料也開始出現。在國外新型保溫材料開始引入我國的初期，我國的科技工作者也開始對這些保溫材料進行大規模研制、開發和改進。如巖棉和泡沫陶瓷材料等，同時金屬護殼、鋁箔等新型保溫外殼也開始不斷出現并得到推廣。

在經歷了20世紀60年代的發展階段和20世紀70年代的改進階段之后，我國的保溫材料到目前為止已出現20余類，幾十個品種。在熱力設備及管道領域，人們常用的保溫材料以無機材料為主。無機保溫材料的特點是導熱系數小、質量輕、耐腐蝕、不易燃燒等。這類材料主要包括巖棉、玻璃棉等。隨著新的材料制備方法的出現以及新型材料加工技術的發展，出現了越來越多性能優良的保溫材料，如復合保溫材料石棉代用品以及納米孔硅質保溫材料等。

巖棉是以玄武巖為主要原材料，經高溫熔融加工而成的無機材料，1981年6月在英國量試成功的一種新型的保溫、吸聲材料，除此之外巖棉還具有防火性好、防潮、憎水等特殊功能，在多雨、潮濕環境下尤為適宜。不同廠家和工藝生產的巖棉質量差別很大。一般而言，保溫性能好的巖棉管密度較低，但抗拉強度也低，耐久性比較差，另外，巖棉材料在施工過程中對施工人員有很大的傷害，因此巖棉保溫材料不是施工人員的首選。

玻璃棉是一種人造無機纖維，屬于玻璃纖維的一種，它是將熔融的玻璃纖維化后制成的棉狀材料，具有保溫絕熱、耐腐蝕、化學性能穩定的優點。玻璃棉的制備方法包括蒸汽吹制法、火焰吹制法和離心吹制法等。玻璃棉可以制成玻璃棉保溫板、保溫氈、管套、保溫帶等不同形式制品，其中玻璃棉套管的性能與巖棉管很類似，但價格高于巖棉管，對皮膚稍有刺激。在使用過程中，玻璃棉的保溫層在受到不斷的重力作用或短暫浸水時，保溫層可能會出現下拽現象，導致管線上方保溫層變薄，下方脫離管道。

聚氨酯硬質泡沫塑料具有閉孔結構，具有絕熱效果好、重量輕、比強度大等特性，因此近年來被廣泛用于管道保溫工程中。聚氨酯材料在發泡之后具有很強的附著力，因此管道表面只需進行簡單的除銹處理，可不做防腐層，這樣可以減少防腐材料費用和人工成本，塑料保護層同時還具有優良的防水能力，可以保護聚氨酯材料的完整性，使用壽命更長，因此可以大大降低保溫材料的維修或更換費用。但聚氨酯硬質泡沫的缺陷也十分明顯，如該材料為滿足防火規范的要求，需要添加大量的阻燃劑，殼體保溫材料聚乙烯也是一種易燃的有機高分子材料，為了阻燃，還必須在外部包覆鍍鋅鐵皮護管。

近年來，納米技術發展迅猛，各類納米材料日益受到人們的青睞。例如，納米級多孔硅質保溫材料，該材料在-190～1 050 ℃內都具有優良的保溫效果。二氧化硅氣凝膠也是一種新型輕質納米多孔材料，因其具有良好的保溫隔熱能力而受到各國科學家的關注，同傳統的保溫材料相比，二氧化硅氣凝膠具有如下特點：

1）更低的導熱系數。二氧化硅氣凝膠的導熱系數約為傳統材料的20%～33%，因此具有更高的空間利用率，也就是說只需原來20%～50%的厚度就可以達到傳統材料相同的隔熱效果。

2）材料自身具備阻燃防水能力。

3）化學性能惰性，對管道無腐蝕性。

4）該材料加工方便，易于切割。

2 管道保溫材料的選擇依據

依據GB 50264—2013[2]對不同保溫材料性能提出的要求，選擇管道保溫材料時應全面考慮下列因素：

1）材料的導熱系數要小；

2）材料的密度要小；

3）更加寬泛的使用溫度范圍；

4）具有優良的機械性能，在外力作用下保持足夠的強度并能承受生產時的震動；

5）材料的阻燃性要好，最好是不燃或難燃材料；

6）極低的吸水率，避免因材料吸水影響絕熱效果以及對金屬管道的腐蝕。

除此之外，管道保溫材料的選擇還需考慮安裝工藝、工程造價以及使用壽命等其他因素。

3 結束語

發展保溫材料符合國家節能環保的產業政策，管道保溫是節能工作的重要組成部分，選擇合適的保溫材料并確定合理的保溫層厚度是確保管道保溫效果的關鍵，因此在利用現有管道保溫層厚度設計方法的基礎上，還需要不斷優化并完善現有的保溫層厚度設計方法。通過理論分析并結合保溫層厚度測試的實驗數據，來驗證理論分析的合理性，從而為管道保溫材料的研究發展指出新的方向。