一种新型柔性低温保冷材料在LNG项目中的应用

2016-03-04中国五环工程有限公司武汉430223

化工设计 2016年1期

吴　军　中国五环工程有限公司　武汉　430223

吴军*中国五环工程有限公司武汉430223

摘要针对传统LNG低温保冷材料大多选用硬质PIR或PUR，但使用寿命不长，保冷结构繁琐且施工操作复杂的情况，本文提出一种由两类合成橡胶和高分子弹性体材料发泡而成的新型柔性低温保冷材料，经对比分析，证明该材料在保证良好保冷效果及施工简单快捷，导热系数稳定，使用寿命长等优势。

关键词柔性材料低温LNG导热系数低温二烯烃聚合物

*吴军：工程师。2008年毕业于中国石油大学(北京)材料学专业获硕士学位。主要从事炼化工管道设计工作。

联系电话：(010)58170109，E-mail：bj-qinquya@cnpccei.cn。

LNG管线深冷绝热技术是LNG利用环节中的关键技术之一，LNG低温保冷实施质量的好坏直接影响着LNG产业的实际应用效果。本文对LNG管线的保冷材料选择进行了研究，通过论证比选出一种新型的柔性低温保冷材料[1]。

目前保冷工程中常用的材料主要有硬质聚氨酯和泡沫玻璃。日本、韩国等主要采用硬质聚氨酯泡沫(PUR)，欧美国家多采用聚异腈脲酸酯(PIR)。聚异腈脲酸酯泡沫的耐热性、尺寸稳定性、难燃性及抗压强度都优于硬质聚氨酯泡沫，但成本高于聚氨酯泡沫[2]。笔者在实践中发现，这两种保冷材料无论是在运输储存方面还是施工便捷方面，都有着一定的缺点。在施工过程中拼接部位较多，对于一些异型部位，聚异腈脲酸酯与硬质聚氨酯泡沫均可现场进行浇注发泡，但在发泡加工制作过程中，受气象条件、发泡时间和多组分搅拌等因素的影响，气孔破坏率高，吸水防潮性能不好，导致最终保冷效果打折扣。因此，推荐一种新型柔性低温保冷绝热材料，其不仅具有优越的保冷性能，还能避免运输储存、施工上的不便，具有一定的市场前景。

1保冷材料的选择原则

由于LNG管道运行温度为-162℃，其管道深冷绝热材料必须具有如下特性：

(1)保冷材料的最低安全使用温度应低于正常操作时介质最低温度。

(2)具有较低的导热系数(也就是应该具备良好的绝热性能)。

(3)吸水吸湿性小、水蒸汽透湿系数低、低温线膨胀系数小、阻燃性能好[3]。

(4)在超低温和常温下达到一定的强度要求。

(5)工程选材设计中应考虑保冷材料的经济性、重量轻、施工便利，保冷材料还应具备良好的现场切割或裁剪加工性能，施工便捷，减轻现场安装难度。

(6)减少保冷系统投产后的日常维护工作量，提高材料的再利用率[4]。

2常见保冷材料性能参数

用于绝热的材料非常多，但由于LNG管道运行温度为-162℃，因而能用于该系统的材料并不多，现就满足LNG低温条件的几种常见保冷材料性能参数见表1[5]。

表1　常见保冷材料性能参数

注：HDPIR有五种不同的使用密度，分别对应不同的导热系数，详见文献5。

3两种保冷结构对比

传统硬质PIR典型的保冷结构，由里到外依次由硬质材料、第二防潮层、硬质材料、第一防潮层以及最外层的金属保护层组成，见图1。

图1　硬质PIR保冷结构

本文介绍的柔性低温深冷绝热系统由两类合成橡胶和高分子弹性体材料发泡而成，其中：低温丁腈聚合物材料主要用于-100～105℃(用于外层)，属主保冷层，提供优异的绝热和抗水汽渗透性能；低温二烯烃聚合物材料可用于-200～125℃(用于内层)，属减振兼顾隔热层，提供低温下弹性和机械强度，见图2。

图2　柔性材料保冷结构

两者最显著的区别：柔性材料保冷由于自身具备防水汽渗透功能，因而结构比起传统硬质保冷结构简单，施工起来也更方便。

4导热系数与温度的关系

几种绝热材料导热系数与温度的关系见图3。

深冷环境下此低温柔性材料(二烯烃聚合物)导热系数介于泡沫玻璃与PIR之间，且随温度的降低呈下降趋势。由图3可见，在LNG运行温度下，二烯烃聚合物与PIR导热系数相比要大一些，因此LNG管路选型中，此新型材料的保冷厚度将比PIR材料稍大。

5保冷材料导热系数的变化

图4、5为某绝热材料公司生产的这种新型柔

图3　几种绝热材料导热系数与温度的关系

注： PIR与泡沫玻璃导热系数来源文献5，柔性材料的导热系数来自厂家产品说明书。

性保冷材料与传统硬质保冷材料PIR的导热系数和运行冷损与使用时间变化的对比。在环境温度为33.5℃，相对湿度为83%，介质温度为-100℃，管道尺寸为DN200，保冷厚度同时为125mm的相同条件下，统计时间为10年。可以看出PIR在第五年的时候，水蒸汽的导热系数发生突变，由0.03W/(m·K)变为0.56 W/(m·K)，且同时它的运行冷损也在五年之后由40W/m突变为450W/m，而新型柔性保冷材料的导热系数却在10年时间内稳定地维持在0.03 W/(m·K)左右，运行冷损保持在31.6W/m左右。这说明保冷材料导热系数随使用时间的变化而改变。

图4　柔性材料与PIR导热系数随使用时间的变化

图5　柔性材料与PIR运行冷损随使用时间的变化

6造成系数变化的原因分析

材料的实际导热系数受以下几个因素的影响：

(1)保冷材料使用中的导热系数总会高于初始的导热系数。尤其对于低温管道的保温，保温管的内外壁两侧始终存在温差和湿度差，从而造成水汽压力差，在该压力差的持续作用下，外侧环境的水汽不可避免地渗入保温材料内部。因水的导热系数十数倍于材料的初始导热系数，故材料使用中的导热系数会逐渐增高，致使原有按初始导热系数选定的保温层厚度变得不足以防止结露发生。

(2) PIR保冷系统的导热系数虽然比柔性材料还要低，但其本身并不具有防潮防渗透功能，而往往依赖于防潮层(通常采用马蹄脂与玻璃布)。此外，硬质泡沫保冷材料如PIR和泡沫玻璃，保冷施工接缝多需额外的防潮处理(见图6)，一旦此处疏忽大意，或施工不周全，将直接导致被水蒸气渗透的可能性增加。弹性体新型材料在施工上优势明显，不仅接缝少(见图7)，避免被水汽侵袭的概率变小，还因为其主保冷层(低温丁腈聚合物)自带抗水汽渗透性能，无需额外防潮层，这也是该柔性材料寿命较长的直接原因。

图6　传统硬质PIR保冷材料在工程中应用

图7　新型柔性保冷材料在工程中的应用

实践表明，吸水率、吸湿率对保冷材料的密度、导热系数、机械强度影响很大。材料吸附水分后，材料内的空气间隙减少，而常温下水的导热系数是空气导热系数的24倍，且水在蒸发时要吸收大量的热，使材料导热系数提高。如材料中存在1%(ψ)湿气，保冷效率将降低20%～30%[6]。由于不同材料的吸水性、吸湿性大小不同，随着使用时间的延长会导致导热系数发生变化，从而影响到保冷效果与使用寿命。

比如美标ASTM C591要求PIR进行导热系数测试时，样品存放的时间应为生产后180±5天后，就是要保证材料在吸水吸湿稳定之后测的数据准确，而国内往往忽视该测试要求，导致一些PIR导热系数比实际偏小。

如某干燥保温层本身的导热系数为λ=0.033W/(m·K)，一旦渗入水汽以后凝集水汽，原本材料发泡孔中的空气(λ=0.024W/(m·K))被水取代(λ=0.056W/(m·K))，其中一部分在LNG冷态作用下结成冰之后，λ=2.2W/(m·K)，保冷层将彻底失去效果。现场包裹得很好的保冷层运行一段时间就结冰，很多都是这种原因引起(见图8)。

图8　导热系数变化

7新型与传统保冷材料优缺点对比

以德国阿乐斯绝热材料公司生产的一种Armaflex LT/LTD柔性保冷材料(内层为二烯烃弹性体发泡制品，外层为丁腈橡胶发泡制品)为例，对比其与传统的硬质保冷材料的优缺点，见表2。

8结语

本文将一种新型柔性保冷材料与传统的硬质保冷材料进行一系列对比，证明该新型柔性材料与传统硬质材料相比，无论是运输储存还是施工与使用寿命方面皆有明显优势，具有一定的市场前景。当然这种材料并非完美无缺，由于导热系数比普通的PIR与PUR硬质保冷材料要稍大，在同等条件下，它的保温厚度往往偏大。目前，这种新型材料，已先后用于国内外LNG项目，使用效果良好。