直埋蒸汽管道隔熱環(huán)絕熱材料的選用

摘 要

介紹了直埋蒸汽管道隔熱環(huán)的設(shè)置、作用及技術(shù)要求。對目前隔熱環(huán)采用的絕熱材料性能進行了分析比較。
摘要：介紹了直埋蒸汽管道隔熱環(huán)的設(shè)置、作用及技術(shù)要求。對目前隔熱環(huán)采用的絕熱材料性能進行了分析比較。
關(guān)鍵詞：直埋蒸汽管道；隔熱環(huán)；石棉板；石棉橡膠；耐高溫隔熱鋼；納米絕熱材料
Selection of Heat Insulation Materials of Heat Insulation Ring Oil Directly Buried Steam Pipeline
ZHANG Jingna，LI Zhi，JI Hongli，LIU Xin
Abstract：The installation，functions and technical requirements of heat insulation ring on directly buried steam pipeline are introduced.The performance of heat insulation materials currently used for heat insulation ring is analyzed and compared.
Key words：directly buried steam pipeline；heat insulation ring；asbestos board； asbestos rubber；high-temperature resistant beat insulation steel；nano heat insulation material
1 隔熱環(huán)的設(shè)置、作用及技術(shù)要求
   ① 設(shè)置及作用
   隔熱環(huán)是直埋蒸汽管道中的一個重要組件，它的性能直接影響著直埋蒸汽管道的質(zhì)量和使用壽命。隔熱環(huán)在直埋蒸汽管道中的應(yīng)用類型主要分為：用于滑動支架中的半環(huán)型(見圖1)和用于固定支架中鋼質(zhì)環(huán)板的墊片型(見圖2)。在直埋蒸汽管道以上兩個部位加裝隔熱環(huán)是為了避免因工作鋼管與外套鋼管之間通過滑動支架和鋼質(zhì)環(huán)板形成熱通道，造成外套鋼管溫度過高，進而造成外套鋼管過度膨脹和縮短外套管防腐層的使用壽命。

    隔熱環(huán)在直埋蒸汽管道中主要起到隔熱和支撐作用。半環(huán)型隔熱環(huán)放置在工作鋼管與滑動支架之間，起到絕熱作用。半環(huán)型隔熱環(huán)應(yīng)具有足夠的抗壓強度，能夠在工作鋼管、保溫層、工作介質(zhì)三方總重量下不產(chǎn)生變形，以保證工作鋼管的正常工作。墊片型隔熱環(huán)與鋼質(zhì)環(huán)板組成推力構(gòu)件，在管道運行期間起到限制工作鋼管位移的作用。墊片型隔熱環(huán)應(yīng)具有更高的抗壓強度，要能夠承受工作鋼管因熱膨脹擠壓補償器產(chǎn)生的彈性反力，以及管道的內(nèi)壓產(chǎn)生的推力。
   ② 技術(shù)要求
   隔熱環(huán)的抗壓強度與熱導(dǎo)率是兩個最為重要的參數(shù)，直埋蒸汽管道中無論哪個位置的隔熱環(huán)都需要具備一定的抗壓強度，隔熱環(huán)的熱導(dǎo)率直接影響著直埋蒸汽管道局部保溫效果和外防腐層的壽命。為了防止保溫層中進水而影響隔熱環(huán)的性能，隔熱環(huán)還要有一定的防水性，或吸水后強度和體積不會發(fā)生明顯變化。且隔熱環(huán)在正常和吸水狀態(tài)下的氯離子析出量都要符合相關(guān)要求，防止隔熱環(huán)對管道的腐蝕。
   通過理論計算，對于半環(huán)型隔熱環(huán)，抗壓強度不小于2MPa就可以滿足使用要求，對于墊片型隔熱環(huán)抗壓強度要求不小于5MPa，且熱導(dǎo)率越低越好。直埋蒸汽管道的介質(zhì)溫度最高可達350℃，因此隔熱環(huán)的長期耐溫能力也必須在350℃以上。
2 隔熱環(huán)絕熱材料的分類及性能比較
    目前，市場上的絕熱材料種類繁多，我們首先要了解各種絕熱材料的性能，然后再結(jié)合隔熱環(huán)的技術(shù)指標要求，選擇出合適的絕熱材料。工程上，我們把熱導(dǎo)率(常溫下)＜0.3W/(m·K)的材料稱為絕熱材料，因此熱導(dǎo)率大于等于0.3W/(m·K)的材料不予考慮。我們在對各種絕熱材料的絕熱性能進行比較時，必須是在同一溫度下(350℃)，同一抗壓強度下，否則比較就失去意義。目前，直埋蒸汽管道中隔熱環(huán)采用的絕熱材料主要有普通石棉板、石棉橡膠、耐高溫隔熱鋼、納米絕熱材料。
   ① 普通石棉板
   由于這種材料為板材，因此在包裹到管道上時成型差，不利于多層包裹，而且容易折斷，不易與管道緊密貼合，因此絕熱效果差，常導(dǎo)致滑動支架安裝不牢固，支撐能力弱，不能滿足設(shè)計要求。在2000年之前的工程中，普通石棉板應(yīng)用比較廣泛。但實際效果顯示：這種材料的絕熱效果差，易造成外套鋼管局部溫度過高，出現(xiàn)滑動支架松動等現(xiàn)象。然而由于其價格低，目前很多小型直埋蒸汽管道生產(chǎn)企業(yè)仍采用普通石棉板制作隔熱環(huán)。
   ② 石棉橡膠
   石棉橡膠是目前直埋蒸汽管道行業(yè)中普遍采用的絕熱材料，是將耐高溫橡膠與高強度石棉板結(jié)合在一起，高溫橡膠在橡膠中加入云母，從而增強橡膠的耐熱老化性能及絕熱作用。在2000年之后，天津市管道工程集團有限公司保溫管廠承攬的天津、北京、山東、安徽等地的大部分工程，均采用石棉橡膠制作隔熱環(huán)，能基本滿足工程需要。
    優(yōu)點：制作方便，加工期短，成型好，抗壓強度高。缺點：石棉環(huán)保性差，含致癌物。石棉的熱導(dǎo)率比較大，在制作時需要加大隔熱環(huán)的厚度才能滿足設(shè)計要求，增加了成本。耐高溫橡膠與高強度石棉板的價格非常高，造成隔熱環(huán)的整體價格偏高。耐高溫橡膠存在易老化問題，雖然國內(nèi)從采用石棉橡膠隔熱環(huán)開始至今已有10余年的時間，目前還沒有出現(xiàn)問題，但是否能達到直埋蒸汽管道要求的25～30年的使用壽命尚不能確定。
   ③ 耐高溫隔熱鋼
   耐高溫隔熱鋼是上海某廠家近年來開發(fā)出的一種新產(chǎn)品，是針對石棉橡膠的升級換代產(chǎn)品。它采用鎂化合物作為主要原材料，為玻璃纖維帶、復(fù)合隔熱鋼和硅酸鋁毯疊加形成的層狀結(jié)構(gòu)，外層為玻璃纖維帶，中間層為復(fù)合隔熱鋼，內(nèi)層為硅酸鋁毯，各層之間相互粘接。中間層復(fù)合隔熱鋼由鎂化合物、硫酸鋇、芳砜綸漿粕、高純型陶瓷纖維、膨脹珍珠巖和高硅玻璃纖維、助劑及填充料復(fù)合而成，利用模具澆注成型。這種材料在2009年開始應(yīng)用于天津、山東等地區(qū)的工程中，可完全滿足設(shè)計使用要求，絕熱效果良好。
    優(yōu)點：無污染，密度低，抗老化，隔熱效果好，抗壓強度高，使用壽命長，符合當前環(huán)保和低碳經(jīng)濟的要求。缺點：復(fù)合隔熱鋼生產(chǎn)工藝要求高，生產(chǎn)期較長，通過模具澆注而成，需要凝固時間，并需要一定時間的養(yǎng)護，才能保證產(chǎn)品的各項物理性能達到要求，價格較高。
   ④ 納米絕熱材料
   納米絕熱材料由于納米填料自身的熱導(dǎo)率就很小，加之能夠傳熱的納米顆粒的截面積和接觸面積非常小，因此絕熱效果優(yōu)良。此外，納米絕熱材料中的納米孔硅微粉具有超微細且致密的多孔結(jié)構(gòu)，很難發(fā)生氣體的流動，因此能夠保持極低的熱導(dǎo)率。
    根據(jù)微納米尺度傳熱學，介質(zhì)尺度減小至微納米級時，導(dǎo)熱體可以變成絕熱體。即當介質(zhì)尺度小于熱載子(分子、原子、電子、聲子、光子等)平均自由程時(在常溫常壓下空氣氣體分子平均自由程為70nm)，孔隙內(nèi)氣體分子處于靜止狀態(tài)，氣體分子不但不能對流傳熱，也失去了布朗運動的能力，大部分被吸附在孔壁上。若個別氣體分子有熱運動，也是直接與孔壁發(fā)生碰撞導(dǎo)致能量衰減，而且孔壁又是導(dǎo)熱性能極低的薄膜式絕熱材料。納米孔硅微粉的最大孔隙小于50nm，因此可以有效地阻止氣體分子熱運動。
    對于燃燒法或氣相法生成的封閉中空納米孔硅微粉顆粒，其內(nèi)部是真空的或接近真空，這樣就避免或減小了材料中氣體分子的熱運動。因此，納米孔硅微粉的熱導(dǎo)率很小，常溫條件下僅為0.016～0.024W/(m·K)，是理想的絕熱材料[1]。
    納米絕熱材料是建立在低密度和超細孔隙(小于50nm)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的一種新型絕熱材料。某納米絕熱材料性能如下：密度200～300kg/m3，抗壓強度1.3MPa，使用溫度1000℃。熱導(dǎo)率：100℃時為0.029W/(m·K)，800℃時為0.04W/(m·K)。這種材料首先被應(yīng)用于航天航空、核電站，現(xiàn)已應(yīng)用于冶金、建材、石化、電力等行業(yè)。
    納米絕熱材料是近兩年來新開發(fā)的直埋蒸汽管道隔熱環(huán)絕熱材料，經(jīng)試驗測試，隔熱效果非常好，完全滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。但由于其價格比較高，基本沒有業(yè)主選擇這種絕熱材料，因此在直埋蒸汽管道實際工程中尚未應(yīng)用。
    優(yōu)點：耐溫高，熱導(dǎo)率低，絕熱效果好。缺點：需要利用模具二次澆注成型，需要一定的養(yǎng)護時間，生產(chǎn)期較長，二次澆注提高了產(chǎn)品熱導(dǎo)率。普通納米絕熱材料抗壓強度較低，不能滿足使用需要，高強度的納米絕熱材料價格昂貴。
3 絕熱試驗
    針對普通石棉板、石棉橡膠、耐高溫隔熱鋼和納米絕熱材料，進行了絕熱試驗，試樣的長×寬×高為80cm×40cm×40cm。將4種絕熱材料暴露于溫度為(23±2)℃，相對濕度為(50±5)%的環(huán)境中，保持24h。將4種絕熱材料放置于平板加熱器上，加熱溫度設(shè)定為350℃。當溫度穩(wěn)定在350℃后，繼續(xù)連續(xù)加熱3h，測量絕熱材料冷面溫度，并記錄測試數(shù)據(jù)(見表1)。由表1可知，納米絕熱材料的絕熱性能最佳。
表1 測試數(shù)據(jù)
絕熱材料
普通石棉板
石棉橡膠
耐高溫隔熱鋼
納米絕熱材料
冷面溫度/℃
140
110
100
70
4 結(jié)語
    納米絕熱材料具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ@種絕熱材料在國外發(fā)展了近20年，在國內(nèi)也只有8年的時間，但隨著技術(shù)的逐步完善和生產(chǎn)的規(guī)?；a(chǎn)成本將進一步降低，必將在市場上占有很大的份額。我們應(yīng)根據(jù)直埋蒸汽管道隔熱環(huán)的性能要求，結(jié)合每種絕熱材料的特性和市場價格，優(yōu)選出性價比最高的絕熱材料。
參考文獻：
[1] 施利毅.納米材料[M].上海：華東理工大學，2007：233.
 
(本文作者：張景娜1 李志1 紀紅利2 劉鑫3 1.天津市管道工程集團有限公司保溫管廠 天津 300400；2.天津第二市政公路工程有限公司 天津 300113；3.天津市興業(yè)工程造價咨詢有限責任公司 天津 300042)