氣凝膠隔熱材料在船舶管路隔熱中的應用

摘" " 要：針對傳統船舶隔熱材料存在導熱系數高、容重大，溫度范圍窄以及不利于在狹窄空間系統中應用的局限性，分析氣凝膠新型隔熱材料與傳統隔熱材料的差異和優點，以及氣凝膠在船舶工程中的應用前景。并基于采用氣凝膠材料對船只煙道進行保溫改造的案例，具體分析對比了傳統礦質棉和氣凝膠隔熱材料的不同保溫效果，為新型隔熱材料在船舶保溫工程中的應用提供一定的參考。

關鍵詞：氣凝膠；隔熱材料；船舶；保溫

中圖分類號：U668" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Application of Aerogel Thermal Insulation Material

in Marine Pipeline Insulation

ZHANG Pingfeng，" HU Tingbo

（ Military Representative Office of Haizhuang Shanghai Bureau in NingBo Area，" Zhoushan 316000， China ）

Abstract： In response to the limitations of traditional ship insulation materials such as high thermal conductivity， high bulk density， narrow temperature range， and unsuitability for application in narrow space systems， this paper analyzes the differences and advantages of aerogel as a new insulation material compared to traditional insulation materials， as well as the application prospects of aerogel in ship engineering. Based on a case study of using aerogel materials for insulating the smoke ducts of ships， a specific comparative analysis of the different insulation effects of traditional mineral wool and aerogel insulation materials is conducted， providing a certain reference for the application of new insulation materials in ship insulation engineering.

Key words： aerogel;" thermal insulation material;" ship;" heat preservation

1" " 引言

船舶作為運輸和交通工具有著悠久的歷史，現代的造船工藝和技術也在不斷的改進和更新。考慮到船舶在航行過程中是相對孤立的系統，所以在船舶能源利用、節能環保、健康安全等方面提出了更高的要求。除了給船舶提供動力輸出以外，燃料在船舶航行中燃燒產生的其他大部分能量，還需要供給相關系統所需的蒸汽。因此，針對蒸汽管道的保溫性能進行強化可以有效提高蒸汽質量，減少能量損失，節約能源消耗，降低運輸成本。長期以來，不斷探索并研發新型高性能保溫材料一直是業內的一項研究熱點和難點。

目前，在船舶制造中船舶蒸汽管道的傳統保溫材料主要是礦棉、巖棉等。這些傳統的保溫材料由于具有不同的特點和差異，被使用在不同的船體部位。然而，隨著工業要求的不斷提高，傳統保溫材料的局限性越發凸顯，已經無法滿足日益增長的工業生產質量需求。因此，亟待開發性能更穩定、保溫效果更好、更加無害環保的新型材料取代傳統保溫材料。這導致新型氣凝膠保溫材料的研究受到越來越多的重視。

2" " 傳統保溫材料

船用的傳統保溫材料主要包括無機纖維類，例如巖棉、陶瓷棉、玻璃棉，一些特殊的船體部位還會用到有機類、無機礦物類隔熱材料。為了不斷提高的性能要求和施工要求，不同類別的防火保溫材料都在不斷精進技術，提升產品性能，同時，還創新新型系列產品，從而以高質量、高效能的產品服務于船舶。

2.1" "無機纖維類

1）巖棉

巖棉主要是以白云石、玄武巖等純天然礦石作為原材料，通過高溫灼燒溶化后采用高速離心法將其甩拉成非連續性纖維，同時也需要加入一定量防塵油、憎水劑和粘結劑形成不同的規格和用途的巖棉產品。經過此工藝所得到的巖棉制品不僅密度小、化學性能穩定，還具有優異的隔熱、防火和吸聲性能且價格低廉。但是，由于巖棉纖維較脆、較粗，耐熱性能不佳，尤其是在其吸潮或者老化之后，導致其使用溫度維持在650 ℃～850 ℃之間，現有的大部分巖棉材料未達到Ａ級耐火分隔材料的標準。除此之外，巖棉材料還存在憎水性較差、淋雨后易散掉、抗振動性差、在施工過程中易產生粉塵、刺激施工人員的皮膚等缺點。

2）陶瓷棉

船用陶瓷棉是由天然焦寶石或氧化鋁和氧化硅粉末等陶瓷質材料經高溫熔融、壓縮空氣吹制，再由集棉器制備而成的耐火纖維，耐高溫極限溫度可以達到1000℃～1200 ℃，具有纖維細、重量輕、強度高、彈性好、隔熱防火、隔音、耐腐蝕、耐機械振動等優勢，在船舶熱防護等級中能達到船舶防護等級標準。陶瓷棉取代了石棉板、珍珠巖板、蛙石板等易破碎的傳統保溫材料被用作A、B級分隔，艙壁、甲板的防火絕緣材料及A、B級防火絕熱材料。跟巖棉相比，陶瓷棉在使用過程中能夠有效減小結構的空間位置，有助于節約用料成本。而它對人體皮膚刺激性小、便于施工和維護的特點使得它在船體中被大量使用，應用非常廣泛。

3）玻璃棉

玻璃棉主要是石英砂、石灰石、白云石等作為主要原料，加上一些純堿、硼砂等化工原料混合熔融后，借助高溫氣體噴吹，得到一種人造無堿超細玻璃纖維。具有以下諸多優點：首先，它纖維直徑細（可以達到1μm左右）、容重低（低至20 kg/m3）；其次，它在高溫和低溫條件下均有良好的保溫隔熱性能、熱導率低（0.034 W/mK）；最后，它加工性能好、吸音性能好、耐腐蝕、耐老化、渣球含量低。因此，早在20世紀70年代，玻璃棉作為一種絕緣材料，被美國廣泛應用于海軍艦船的艙室及潛艇的圍殼。然而，玻璃棉的使用溫度較低，通常在500 ℃～600 ℃之間，因此無堿超細玻璃棉還不能直接用作A級耐火分隔材料[3-5]。

2.2" "有機類

常見的保溫材料還包括有機聚合物材料發泡形成的多孔材料，例如聚氨酯泡沫（PU）、聚酰亞胺（PI）泡沫和酚醛（PF）泡沫。

PU是聚氨酯經過添加催化劑、發泡劑反應發泡而成。船舶上常用的聚氨酯泡沫以閉孔的硬質PU為主。PU具有優異的隔熱保冷性能（導熱系數為0.0233～0.0256 W/mK），尤其是在低溫和超低溫環境中，因此在遠航船舶的冷庫建設時較為常見。此外，它具有高強度抗壓（0.196 MPa）特性，溫度適用范圍較窄（-110 ℃～130 ℃），適用于絕熱保溫、冷藏冷凍設備及冷庫、絕熱板材、墻體保溫、管道保溫、儲罐的絕熱填縫材料等方面。PU的防火性能與其他絕熱材料相比而言，其效果較為不佳，使得它的應用受到了一定的限制。

PI泡沫隔熱材料是聚酰亞胺與發泡劑、穩定劑通過發泡反應生成的泡沫材料，開發以來被應用于航天航空的隔熱保溫，是有機泡沫隔熱材料中價格最為昂貴且綜合性能最優的一種泡沫材料。其特點是容重低（5～8 kg/m3），可大大減輕船艦重量。PI泡沫隔熱材料溫度范圍為-260 ℃～350 ℃，在過高溫度下聚酰亞胺會發生分解。

PF是甲醛和苯酚產生反應生成預聚物后由交聯發泡形成的泡沫隔熱材料。酚醛泡沫具備寬溫適應性和高效絕熱性，主要用于低溫設施的保溫和中高溫的熱力管道方面。其唯一的不足之處在于脆性較大，因此為了更好的發揮其優勢，在應用于艦船領域隔熱保溫時，添加如聚硅氧烷等韌性好的聚合物對其進行化學改性，提高它的力學性能。

除此之外，還有一些其他較為常見的聚合物發泡材料，由于其阻燃性能達不到艦船使用要求、使用溫度范圍受限、發泡工藝復雜繁瑣，因而基本無應用[6-7]。

2.3" "無機礦物類

除上述無機纖維類材料之外，還有多孔性隔熱材料，例如以硅藻土、消石灰等為主要原料，添加纖維后經過多種工藝制成的硅酸鈣制品，可用于船舶的防火圍壁和高能管道方面。純天然珍珠巖礦砂在預熱后，瞬時高溫焙燒膨脹會得到一種內部為蜂窩狀結構的白色顆粒狀的材料——膨脹珍珠巖，也是一種被廣泛應用的保溫多孔材料（導熱系數約為0.076 W/mK）。膨脹珍珠巖具有良好的保溫效能、防火性能、環保性能以及化學穩定性能，應用范圍廣，在很多領域都具有普遍適用性并且表現出相當優異的成績。然而，該材料耐水性差、吸水率高的特性會導致其在后期出現易開裂、保溫性能降低的現象，并影響硬化后的相關技術性能。因此，常在生產過程中使用無機溶劑和助劑有效增加它的耐潮濕、耐腐蝕性能。

無機礦物類隔熱材料作為一種新型無機保溫材料，具有其特殊的優勢：第一，相較于傳統無機纖維類材料，在隔熱效率上有明顯提升；第二，無機礦物材料通常耐高溫，具有良好的化學穩定性和防火性能；第三，大多數無機礦物材料原料豐富，生產過程中對環境的影響較小，符合可持續發展的理念；第四，密度較低，重量輕，通常在10-20 kg/m3。

然而，利弊隨性，這類材料的缺點也隨之可見：第一，無機礦物類材料的導熱系數一般在0.03-0.05 W/（mK）左右，與有機材料相比導熱系數較高，可能影響保溫效果；第二，無機礦物類材料通常不具備良好的可塑性，可能難以適應船舶管路復雜的形狀和結構；第三，無機礦物類材料通常較硬，施工時需要專業的技術和設備，施工難度較大；第四，材料合成過程中的高腐蝕性化學物質殘留不僅存在一定的使用安全隱患，也增加了后期維護保養成本。

3" " "氣凝膠材料的優勢

3.1" "低導熱系數

目前，最輕的固體材料是氣凝膠，擁有極低的導熱系數（常溫下小于0.015 W/mK，是一種絕佳的絕熱材料。氣凝膠包括氧化物氣凝膠（包括SiO2、Al2O3等）、碳化物氣凝膠等，目前工藝較為成熟的是SiO2氧化物氣凝膠。一方面氣凝膠在制備過程中形成的低孔徑納米結構能有效延長熱量的傳導，這也是氣凝膠具有極低的導熱系數的原因，但是高孔隙率、低密度的特點導致氣凝膠有很大的脆性，在高溫時紅外射線容易輻射透過，增大導熱，很難直接使用。為了達到更好的使用效果，通常與纖維、遮光劑等進行復合，如氣凝膠和玻璃纖維進行復合，復合后的材料導熱系數為0.018～0.021 W/mK，遠低于傳統保溫材料的導熱系數值（0.018～0.48 W/mK）（見表1）。相比于傳統保溫材料，復合材料的節能效果可提升30%～50%[8]，有利于其被應用在管道、建筑保溫等領域。

3.2" "防火性能

船用防火隔熱材料使用環境主要是維持艙室適宜的工作和生活環境、對防火及熱力管道等進行隔熱保溫。其性能的優劣會直接影響艦船舒適性、安全性以及服役壽命，甚至是部隊的戰斗力。因此，使用該材料時需要展開多方面的綜合性能評價。船舶耐火分隔等級包括Ａ級、Ｂ級和C級三級，氣凝膠作為一種無機材料，具有防火性強、寬溫度使用范圍、耐溫差沖擊的特點，有A級的耐火性，在耐火性要求很高的船舶場合非常適用，在火災或意外發生時能夠很好的保護裝置。氣凝膠可以達到不燃性要求，硅基氣凝膠作為一種綠色的材料具有低播焰性、無毒性，符合船舶使用要求。

3.3" "減少保溫層厚度

氣凝膠復合材料不僅導熱系數低，而且在同等保溫效果時，它的使用厚度僅為傳統材料的1/4到1/2，溫度越高差距越明顯。因此氣凝膠復合材料在密集管線和狹窄的空間，可以大大降低保溫層厚度，提高空間利用率，降低運輸負荷，能有效增大船體空間。如在DN300管道，240 ℃工況中，使用硅酸鋁、巖棉和膨脹珍珠巖的厚度分別是氣凝膠的厚度的2.16倍、1.79倍和3.37倍（見圖1），低厚度表明氣凝膠在船體增加船艙空間方面更有優勢。

3.4" "抗老化能力

氣凝膠的憎水率不低于98%，體積吸水率則不大于1%，擁有極強的憎水性。但是氣凝膠獨特的多孔結構擁有透氣性，這有效避免設備和管道腐蝕，提高設備安全。此外，穩定的性能相比傳統保溫材料，氣凝膠有更強的抗老化能力，數據表明其壽命是常規材料的8～10倍，后續只需更少的維護成本就可達到可靠的絕熱效果。在施工方面，氣凝膠絕對憎水，在運輸和施工時無特殊防水需求，且雨水浸泡也不會導致解體沉降，即使在潮濕環境下也能存儲。最后是它的超強機械性能，這是由于基材賦予它良好的柔性、韌性及抗壓性，在一些管道、支撐件以及管托均可以使用，可以滿足各種設計及施工安裝需求[9]。

4" " "案例分析

對某船廠船只煙道使用氣凝膠材料進行保溫改造，分析對比了氣凝膠保溫結構和傳統礦質棉的保溫效果，為船舶保溫工程應用提供一定的借鑒。

4.1" "工況概括

船舶管道溫度：600 ℃；管道外徑：1 240 mm；管長度：1.5 m；風速0 m/s；平均環境溫度：25 ℃。

4.2" "保溫方案

改造方案是使用150 mm的氣凝膠氈（內部60 mm陶瓷纖維，外部90 mm玻璃纖維）代替200 mm的礦棉。

4.3" "保溫效果

根據GB 50 264-2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》分別計算改造前后保溫層厚度、表面溫度、熱損失、年散熱量，計算結果如表2所示。

數據表明，采用氣凝膠方案的優勢有：第一，保溫層厚度減小，150 mm的氣凝膠厚度可以符合保溫要求，保溫后直徑減少100 mm，減少了管道的占用空間，提高管廊利用；第二，氣凝膠保溫方案的表面溫度為45.03 ℃，遠低于礦棉（56.61 ℃），隨著運行時間增長，礦棉的表面溫度逐漸增高，現場測得數據超過60 ℃。；第三，氣凝膠方案的散熱損失和管線年散熱量比礦棉節省30%，有利于節能；第四，氣凝膠的施工難度低，安裝簡單，后期維護費用低。結合氣凝膠強度高，穩定性好，能夠長期保持良好的絕熱保溫效果，不會出現層下塌或是上薄下厚的現象，使用壽命更長。

5" " "結論

目前，常規的氣凝膠產品在國內已相對成熟，未來會朝著輕量化、耐高溫、低成本的方向發展。氣凝膠作為一種新型的防火隔熱材料，應用于船舶管道隔熱保溫系統可有效提高絕熱性能，減小能量損耗；在同樣的保溫效果下，使用氣凝膠可大大節約材料成本，減少管道包覆厚度和管道所占用的排布空間；輕量化的氣凝膠產品還可以進一步減少船系統的整體重量；同時，隨著成本的降低，氣凝膠產品在經濟性上較傳統材料更有優勢。相信不遠的將來，氣凝膠產品會在船舶領域有更大范圍的應用和延伸。

參考文獻

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