酚醛泡沫在LNG 管道保冷上的应用

2022-07-06池佩富李祥儒

山西化工 2022年3期

戢超，池佩富，李祥儒

（福建天利高新材料有限公司，福建厦门 361024）

引言

随着气候变化议题在全球范围内引起的高度关注，越来越多的国家开始为本国的碳排放达峰和实现温室气体净零排放设定了明确的目标。2020 年9 月22 日，国家主席习近平在联合国大会上代表中国作出承诺，2030 年前达到二氧化碳排放峰值，争取2060年前实现碳中和。

天然气是碳排放强度最低的化石能源之一。美国能源情报署（EIA）的详细数据表明，每百万英热单位（MMBtu）的LNG 会产生117 Lb（53.07 kg）二氧化碳。与之相比，每百万英热单位的煤炭和燃油分别会产生200 Lb（90.72 kg）和160 Lb（72.57 kg）二氧化碳。因此，LNG（液化天然气）被视为“最环保的化石燃料”。碳中和目标的确立，给中国天然气产业发展既带来了机遇也带来了挑战[1]。

基于LNG（液化天然气）超低温(-163℃)存储的特点，对LNG 管道保冷方式和材料的选取就成为行业必须面临的问题。保冷效果的好坏不仅关系到整个管路的输送效率，而且对装置的安全生产也有至关重要的影响。因而，合适的保冷方式和材料不仅能够降低能耗、减少冷量损失和BOG（boil off gas，闪蒸气）损耗，而且为企业安全生产和创造更好的效益提供了保障[2]。

1 LNG 管道常用保冷方式及材料

目前LNG 管道有两种保冷方式，一种是采用奥氏体不锈钢真空管道（以下简称真空管道），另一种采用奥氏体不锈钢管道外覆保冷材料。其中奥氏体不锈钢管道外覆保冷材料的方式由于结构相对简单，造价成本相对较低，因此应用比较广泛[3]。

1.1 真空管道

真空管道的工作原理就是通过内管和外管之间高真空绝热，把低温液体的蒸发损失降到最低，同时又通过波纹膨胀节有效地补偿了内管的应力变形。这种结构比普通的保冷材料绝热效果要好的多，不过由于其生产成本比较高，提前预制耗时长，因此只在LNG 气损比较大的地方才使用。

另外，由于真空管道对厂家生产质量要求很高，维修起来成本也很高，也限制了其应用。

1.2 采用奥氏体不锈钢管道外覆保冷材料

奥氏体不锈钢管道外覆保冷材料是指为减少LNG 在管道输送过程中的冷量损失，采用外覆包扎保冷材料的方式对低温管道进行保冷绝热。

目前国内市场上常用的保冷材料有聚氨酯泡沫（PU）、聚异氰脲酸酯泡沫(PIR)、泡沫玻璃、橡塑等。

综合来看，LNG 管道外覆保冷材料的典型结构从内到外依次为：PIR、次防潮层、泡沫玻璃、主防潮层、外保护层。如图1。

图1 常用LNG 管道保冷结构

2 酚醛泡沫在LNG 管道保冷上的的应用分析

2.1 酚醛泡沫简介

酚醛泡沫是由热固性酚醛树脂、乳化剂、发泡剂、固化剂及其他助剂，经过科学严格的配方发泡而成的闭孔型硬质泡沫塑料。优异的防火性能以及良好的保温性能使其被誉为“保温之王”[4]。

早在第二次世界大战时期，德国就将酚醛泡沫用于轮船舱壁、飞机机翼的填充。随后，受到英美军方的重视，首先用于航天、航母、潜艇等军事领域，后又被扩大应用于民用飞机、船舶、车站、油井等防火要求严格的场所。20 世纪70 年代以来，酚醛泡沫材料在英、美、日得到迅速发展，90 年代中国也获得较大突破，酚醛泡沫材料开始逐步普及，广泛应用于居住建筑、医院、体育场馆、机场、商场、石化企业等民用场所或领域。

2002 年，我国国防科学技术工业委员会就发布了兵器行业标准WJ 2569—2002《装甲车辆用酚醛泡沫规范》。规范表明，酚醛泡沫用于制造装甲车辆动力室/乘员室隔音隔热板夹心材料。

2.2 酚醛泡沫的性能介绍

2.2.1 导热系数

优质的酚醛泡沫在平均温度25 ℃下的导热系数可低于0.024 W（/mK），在平均温度-165 ℃下可达0.013 W（/mK）。

酚醛泡沫的保冷效果基本与PU/PIR 一致，明显优于泡沫玻璃和橡塑材料。较低的导热系数，可以减少管道保冷层的厚度。

2.2.2 工作温度适应性

LNG 管道保冷工况多样，通常把运行温度最低的LNG 管道温度（-162 ℃）作为保冷材料的使用温度来进行选材。

酚醛泡沫的使用温度范围广，可在-250 ℃～120 ℃范围内长期使用，完全满足LNG 的管道温度。而聚氨酯泡沫（PU）使用温度为-60 ℃～80 ℃、聚异氰脲酸酯泡沫（PIR）使用温度为-180 ℃～110 ℃、泡沫玻璃使用温度为-196 ℃～300 ℃、橡塑使用温度为-50～100 ℃（二烯烃特种橡塑使用温度可为-200 ℃～100 ℃）。

2.2.3 防火性能

LNG 泄露后会造成易燃气体体积迅速膨胀，存在一定的火灾隐患，因此，LNG 工程对所用材料的防火性能有较高要求。

酚醛泡沫的防火性能优异。酚醛泡沫属于热固性材料，遇火不燃，在火焰的直接作用下具有结炭、无融滴、无卷曲现象，火焰燃烧后表面形成一层“石墨”层，有效保护层内的泡沫结构；燃烧形成达到GB 8624—2012 B 级，氧指数检测大于40。

酚醛泡沫在火焰喷射1 min 后，仅表面1 cm 炭化。如图2。

图2 酚醛泡沫火焰喷射1 分钟

酚醛泡沫的防火性能优于PU/PIR、橡塑材料。

2.2.4 吸水及吸湿性能

吸水率、吸湿率对保冷材料的导热系数影响很大。保冷材料吸附水分后，不仅导热系数会大大提高，还会导致腐蚀污染物（氯离子、硫酸根等）随着水分的进入而溶解、聚集在金属管道表面，引起管道腐蚀。

酚醛泡沫为高闭孔泡沫材料，吸水率极低，一般低于4%。

2.2.5 水蒸气阻隔性能

若保冷材料的水蒸气阻隔性不佳，进入保冷结构的水分将不断向管壁积聚，使保冷材料受潮、积水或冻结，降低保冷效果并发生冻结膨胀，导致保冷结构破裂。

酚醛泡沫的透湿系数约为3 ng（/m·s·Pa）。

2.2.6 线性收缩

LNG 管道绝热要尽可能选用线性收缩系数与管材线性收缩系数相近的保冷材料。

从表1 可知，酚醛泡沫在3 个方向的热膨胀性能比较接近，低温下没有开裂且没有发生较大收缩，材料具有良好的尺寸稳定性。同时，这一测试数据与不锈钢非常接近，处在同一个数量级上，在低温工程应用时不锈钢管道与保冷材料可同步收缩，为施工及安全生产提供最大的保障。

表1 酚醛泡沫低温膨胀率测试数据（×10-6/℃）

2.2.7 防止保温层下腐蚀（CUI）

保温层下腐蚀（CUI）是指发送在施加了保温（冷）材料的的管道或设备外表面上的一种腐蚀现象。CUI发生的关键在于保温（冷）材料内部或外界的腐蚀污染物（氯离子、硫酸根等）会随着水分的进入而溶解，聚集在金属管道表面，随着腐蚀液浓度加大，腐蚀加速。为防止这种腐蚀的产生，绝热材料的氯化物、硫酸根、氟化物、硅酸根、钠离子的含量应符合GB/T 17393—2008《覆盖奥氏体不锈钢用绝热材料规范》的规定，其浸出液的pH 值在25 ℃时应为7～11。

酚醛泡沫的生产过程中要使用酸作为固化剂，如果采用无机酸作为固化剂的话，酚醛泡沫浸出液可能含有大量氯离子、硫酸根离子等。因此，应选用有机酸作为固化剂生产出来的酚醛泡沫。这一点需要特别注意。

聚氨酯泡沫（PU）和聚异氰脲酸酯泡沫(PIR)为了提高防火性能，一般需要添加阻燃剂，而阻燃剂水解后会容易产生酸性物质及氯离子、磷酸根等，呈现出强腐蚀性。

2.2.8 健康与环保

各国政府于1987 年签订的《蒙特利尔议定书》国际公约约定，在世界范围内完全禁止使用氟利昂作为发泡剂，中国承诺在2030 年以前完全禁止生产和使用HCFC-141b[5]。

酚醛泡沫目前一般采用戊烷发泡剂，而且不含石棉及其他细小纤维，对人体及环境均无危害，施工轻便。

2.3 酚醛泡沫在LNG 管道上的应用形式

2.3.1 安装形式

LNG 管道采用酚醛泡沫材料保冷的结构从内到外依次为：酚醛泡沫、次防潮层、酚醛泡沫、主防潮层、外保护层。具体见图3。

图3 酚醛泡沫的LNG 管道保冷结构

其中，酚醛泡沫采用预制好的，带企口的酚醛泡沫保温（冷）管壳。管壳表面可覆夹筋铝箔纸材料。如图4。安装时，两层酚醛泡沫保温（冷）管壳错峰安装。

图4 酚醛泡沫保温（冷）管壳

2.3.2 酚醛泡沫保温（冷）管托

在LNG 管道保冷中，管托位置也需要特别注意，比较容易出现冷（热）桥，产生冷凝水、结冰。

由于管托位置需要承受一定的质量，因此可采用80 kg/m3～150 kg/m3的高密度酚醛泡沫制成。

为了进一步优化提高管托位置的保冷效果，可以采用下部分（承重位置）为80 kg/m3～150 kg/m3高密度酚醛泡沫，上部分（非承重位置）为40 kg/m3～60 kg/m3密度酚醛泡沫的保温（冷）管托的形式，如图5。因为40 kg/m3～60 kg/m3密度的酚醛泡沫的导热系数最低，随着酚醛泡沫密度增加，导热系数会有所升高。