煉化企業(yè)典型保溫材料性能評(píng)價(jià)與問(wèn)題分析

蘇耀倫 李玖重 郜建松 王恒博 李曉睿

（中石化煉化工程（集團(tuán)）股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心）

1 概述

煉化企業(yè)大量的高溫設(shè)備及管線因工藝、安全等因素需進(jìn)行絕熱處理，每年保溫檢維修工程投資多達(dá)上千萬(wàn)元，因此對(duì)保溫材料的需求量巨大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)保溫材料已多達(dá)20 多個(gè)種類、幾十個(gè)品種。因使用環(huán)境要求，煉化企業(yè)使用的保溫材料需具有不燃等安全特性，一般為無(wú)機(jī)材料，包括玻璃纖維、巖棉、硅酸鋁耐火纖維、硅酸鈣、復(fù)合硅酸鹽、二氧化硅氣凝膠氈等[1]。優(yōu)質(zhì)的保溫材料一定程度上能夠降低設(shè)備及管線的散熱損失，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，延長(zhǎng)保溫工程的全生命周期，降低保溫層下設(shè)備及管線的腐蝕概率，同時(shí)也會(huì)降低因反復(fù)施工帶來(lái)的安全隱患[2-3]。

2021 年9 月，為提升煉化企業(yè)油漆保溫工程質(zhì)量與施工管理水平，根據(jù)集團(tuán)公司HSE 委員會(huì)動(dòng)靜設(shè)備專委會(huì)工作安排，針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)27 家煉化企業(yè)開(kāi)展了油漆保溫專項(xiàng)治理項(xiàng)目質(zhì)量監(jiān)督工作。對(duì)近兩年完工的保溫管道進(jìn)行了能效評(píng)價(jià)，散熱損失超標(biāo)率為22.2%。其中：厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的管道占超標(biāo)管道數(shù)量的80%；厚度達(dá)標(biāo)但散熱損失依然超標(biāo)的管道占超標(biāo)管道數(shù)量的20%，主要原因是采購(gòu)的保溫材料質(zhì)量較差及未按標(biāo)準(zhǔn)施工。現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量測(cè)評(píng)時(shí)發(fā)現(xiàn)管道保溫結(jié)構(gòu)“上薄下空”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，一方面是因?yàn)楸夭牧侠υ唤Y(jié)實(shí)及保護(hù)層貼敷不緊等不規(guī)范施工，保溫結(jié)構(gòu)受重力原因變形；另一方面是因?yàn)楸Ｗo(hù)層密封性較差，而保溫層外也未設(shè)置防潮層，雨水滲入后與保溫材料直接接觸，吸水后質(zhì)量增加并下沉，干燥后難以恢復(fù)原狀，久而久之嚴(yán)重變形。

許多學(xué)者對(duì)保溫材料的種類、適用范圍、保溫性能、經(jīng)濟(jì)性等方面做了大量研究[4-7]，但對(duì)煉化企業(yè)保溫材料的使用現(xiàn)狀、關(guān)鍵性能指標(biāo)評(píng)價(jià)及其對(duì)保溫工程的影響所做的研究較少。因此，對(duì)27 家煉化企業(yè)保溫材料進(jìn)行了采樣，對(duì)其使用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)評(píng)，確定與其相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)并進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)出典型保溫材料存在的問(wèn)題。

2 保溫材料使用現(xiàn)狀

對(duì)27 家煉化企業(yè)使用的保溫材料進(jìn)行采樣，共收集到47 份保溫材料，主要包括巖棉板、硅酸鋁針刺毯、硅酸鋁管殼、復(fù)合硅酸鹽板、納米氣凝膠氈和CAS 納米微孔復(fù)合保溫氈等6 種類型的產(chǎn)品，各類型保溫材料數(shù)量及企業(yè)使用情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1。可見(jiàn)目前煉化企業(yè)使用最多的保溫材料為硅酸鋁針刺毯，使用較少的為復(fù)合硅酸鹽板、巖棉板及硅酸鋁管殼，同時(shí)部分企業(yè)嘗試使用納米氣凝膠氈和CAS 納米微孔復(fù)合保溫氈等新型保溫材料，主要是在蒸汽等高溫管線中應(yīng)用以提高保溫效果。

圖1 保溫材料使用情況統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of usage situation for insulation materials

對(duì)各企業(yè)使用保溫材料種類數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，27 家企業(yè)僅使用1 種類型保溫材料的有16 家，占比為59%；使用2 種保溫材料的企業(yè)有9 家，占比為33%；使用3 種保溫材料的企業(yè)有1 家，占比為4%；使用4 種保溫材料的企業(yè)有1 家，占比4%。可見(jiàn)大部分企業(yè)傾向于使用一種保溫材料。

3 性能評(píng)價(jià)

一般情況下，保溫材料應(yīng)具有的主要性能指標(biāo)包括導(dǎo)熱系數(shù)、密度、抗壓強(qiáng)度、浸出液pH 值、氯離子等可溶出離子含量、最高使用溫度、耐燃燒性能、渣球含量、線收縮或膨脹率、化學(xué)穩(wěn)定性、憎水性等[8]。導(dǎo)熱系數(shù)是指材料傳熱的能力，代表材料的絕熱性能，如果不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致保溫管道散熱損失超標(biāo)。憎水性是反映材料耐水滲透的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，如果不達(dá)標(biāo)會(huì)使得保溫材料容易被水浸入，吸水后重量增加造成保溫結(jié)構(gòu)下沉。因此，重點(diǎn)對(duì)收集到的保溫材料進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)和憎水性兩種關(guān)鍵指標(biāo)的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)

按照GB/T 5990—2021《耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)方法（熱線法）》[9]對(duì)所有保溫材料進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，所有保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)SH/T 3010《石油化工設(shè)備和管道絕熱工程設(shè)計(jì)》[10]表6.1.4 對(duì)結(jié)果進(jìn)行判定，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，只有企業(yè)5 的復(fù)合硅酸鹽板導(dǎo)熱系數(shù)0.046 2 W/(m·K)超標(biāo)，該保溫材料常用導(dǎo)熱系數(shù)在平均溫度70℃時(shí)應(yīng)不大于0.044 W/(m·K)，相比之下企業(yè)24 的復(fù)合硅酸鹽板導(dǎo)熱系數(shù)0.037 0 W/(m·K)最低。相對(duì)于其他企業(yè)的復(fù)合硅酸鹽板，企業(yè)5 的材料成形較差，外表如紙片，在運(yùn)輸過(guò)程中已出現(xiàn)開(kāi)裂，并且目測(cè)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松。 硅酸鋁針刺毯的導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 3～0.042 4 W/(m·K)，雖然均未超標(biāo)，但各企業(yè)的硅酸鋁針刺毯導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，說(shuō)明質(zhì)量相差較大。企業(yè)12 的納米氣凝膠氈的導(dǎo)熱系數(shù)最低，為0.028 0 W/(m·K)。

表1 保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of thermal coefficient for insulation materials

以管徑325 mm、介質(zhì)溫度為400 ℃、設(shè)計(jì)厚度為100 mm、長(zhǎng)度為1 km 的高溫管道為例對(duì)保溫材料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，環(huán)境風(fēng)速取0.5 m/s，環(huán)境溫度取20 ℃，絕熱層平均溫度為210 ℃。按照SH/T 3010表6.1.4 中復(fù)合硅酸鹽板導(dǎo)熱系數(shù)參考方程計(jì)算，平均溫度為210 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)不大于0.065 0 W/(m·K)，企業(yè)5（超標(biāo)）和企業(yè)24（優(yōu)秀）的復(fù)合硅酸鹽板導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.067 2 W/(m·K)和 0.058 0 W/(m · K)。 利用 SH/T 3010 公式7.2.4-2 進(jìn)行散熱損失計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下使用復(fù)合硅酸鹽板的散熱損失最大允許值應(yīng)為190.3 W/m2，企業(yè)5 保溫材料的散熱損失為196.5 W/m2，企業(yè)24 保溫材料的散熱損失為170.3 W/m2，如圖2 所示。

圖2 散熱損失值對(duì)比Fig.2 Comparison of heat dissipation loss values

企業(yè)5 保溫材料散熱損失超過(guò)最大允許值6.2 W/m2，整條管道年損失熱量約309.1 GJ，折合費(fèi)用約2.21 萬(wàn)元；而企業(yè)24 保溫材料散熱損失低于最大允許值20 W/m2，整條管道年節(jié)約熱量約997.0 GJ，折合費(fèi)用約7.14 萬(wàn)元。可見(jiàn)相同的保溫材料及厚度下，導(dǎo)熱系數(shù)越低的保溫材料節(jié)能效果越好，因此在采購(gòu)環(huán)節(jié)應(yīng)以導(dǎo)熱系數(shù)作為保溫材料選擇的主要判別指標(biāo)，在滿足標(biāo)準(zhǔn)的情況下盡量選擇導(dǎo)熱系數(shù)較低的產(chǎn)品并加強(qiáng)抽檢。

3.2 憎水性

憎水性一般以憎水率表示，按照GB/T 10299—2011《絕熱材料憎水性試驗(yàn)方法》進(jìn)行憎水率的測(cè)定（企業(yè)1 的樣本太小不予測(cè)定）保溫材料憎水率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。SH/T 3010《石油化工設(shè)備和管道絕熱工程設(shè)計(jì)》規(guī)定保溫材料的憎水率不得小于98%，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，收集的47 份保溫材料中有32 份不達(dá)標(biāo)，占比為69.1%。按材料類型分析，復(fù)合硅酸鹽板和巖棉板全部達(dá)標(biāo)；4 份納米氣凝膠氈有1 份不達(dá)標(biāo)，占比為25%；2 份CAS 納米微孔復(fù)合保溫氈有1 份不達(dá)標(biāo)，占比50%；31 份硅酸鋁針刺毯有28 份不達(dá)標(biāo)，占比為90.3%，且不同企業(yè)的保溫材料相差較大；硅酸鋁管殼均不達(dá)標(biāo)。可見(jiàn)煉化企業(yè)使用的大部分保溫材料不具憎水性，使用最多的硅酸鋁針刺毯憎水率達(dá)標(biāo)率極低。

圖3 保溫材料憎水率測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of hydrophobicity for insulation materials

大部分企業(yè)的保溫材料憎水率都在10%～50%范圍內(nèi)，分析原因?yàn)槠髽I(yè)未將憎水率納入保溫材料采購(gòu)指標(biāo)，采購(gòu)的保溫材料本身不具憎水性。而企業(yè)9 的硅酸鋁針刺毯（75.5%）、企業(yè)12 的硅酸鋁管殼（87.4%）、企業(yè)17 的硅酸鋁針刺毯（58.4%）、企業(yè)26 的CAS 納米微孔復(fù)合保溫氈（89.5%）憎水率都在50%以上，比其他保溫材料都要高，分析原因?yàn)槠髽I(yè)采購(gòu)的是憎水性保溫材料，但廠家送的批次性能不達(dá)標(biāo)。憎水性不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致保溫結(jié)構(gòu)下沉，增加保溫層下設(shè)備及管線的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)造成保溫工程反復(fù)施工，從而增加經(jīng)濟(jì)損失及安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 綜合對(duì)比

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)煉化企業(yè)6 種典型保溫材料進(jìn)行綜合對(duì)比，典型保溫材料性能對(duì)比見(jiàn)表2。巖棉板可用于低溫平面設(shè)備保溫；使用硅酸鋁針刺毯需嚴(yán)格把控憎水性指標(biāo)；硅酸鋁管殼包裹性好，適用于小管徑管道；復(fù)合硅酸鹽板導(dǎo)熱系數(shù)容易超標(biāo)，采購(gòu)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該指標(biāo)的要求；納米氣凝膠氈導(dǎo)熱系數(shù)較低，但也存在憎水性不達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品，需重點(diǎn)關(guān)注該指標(biāo)；CAS納米微孔復(fù)合保溫氈屬于新興產(chǎn)品，還沒(méi)有對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使用前應(yīng)進(jìn)行綜合試驗(yàn)驗(yàn)證。同類型保溫材料應(yīng)盡量選擇憎水性達(dá)標(biāo)且導(dǎo)熱系數(shù)更低的產(chǎn)品。

表2 典型保溫材料性能對(duì)比Tab.2 Performance comparison of typical insulation materials

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)27 家煉化企業(yè)保溫材料使用現(xiàn)狀的分析，目前煉化企業(yè)使用的典型保溫材料主要包括巖棉板、硅酸鋁針刺毯、硅酸鋁管殼、復(fù)合硅酸鹽板、納米氣凝膠氈和CAS 納米微孔復(fù)合保溫氈等6種類型的產(chǎn)品，多數(shù)企業(yè)傾向于選擇使用一種保溫材料，且以硅酸鋁針刺毯為主，部分企業(yè)嘗試使用納米氣凝膠氈和CAS 納米微孔復(fù)合保溫氈等新型保溫材料以提高保溫效果。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)評(píng)發(fā)現(xiàn)的散熱損失超標(biāo)及保溫結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題，分析出與其相關(guān)的兩種關(guān)鍵指標(biāo)為導(dǎo)熱系數(shù)與憎水性，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。結(jié)果表明，只有復(fù)合硅酸鹽板存在導(dǎo)熱系數(shù)超標(biāo)現(xiàn)象，同類型的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，69.1%的保溫材料憎水性不達(dá)標(biāo)。

對(duì)6 種典型保溫材料進(jìn)行了綜合對(duì)比，企業(yè)采購(gòu)保溫材料時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)熱系數(shù)與憎水性兩種關(guān)鍵指標(biāo)，盡量選擇憎水性達(dá)標(biāo)且導(dǎo)熱系數(shù)更低的產(chǎn)品，對(duì)收到的保溫材料嚴(yán)格按照程序進(jìn)行抽檢，確保質(zhì)量合格，從源頭確保保溫工程實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行。