LNG低溫管道支架保冷材料選擇

方錦坤

(廣東寰球廣業工程有限公司，廣東 廣州 510655)

LNG低溫管道支架保冷材料選擇

方錦坤

(廣東寰球廣業工程有限公司，廣東 廣州 510655)

LNG低溫管道支架是LNG管道系統重要的組成部分，用以支撐LNG管道，確保管道安全運行。選擇合適的LNG低溫管道支架保冷材料，對LNG低溫管道支架保冷結構的可靠性和LNG管道系統的安全運行具有重要意義。

LNG；保冷材料；低溫支架

近年來，隨著國家能源產業政策的調整，作為清潔能源的天然氣得到了廣泛的應用和發展，也促進了天然氣產業鏈的迅速發展，大中型LNG項目雨后春筍般在我國沿海地區迅速發展起來。

本文通過對幾種不同性能的保冷材料進行對比和篩選，為LNG低溫管道支架選擇合適的保冷材料。

1 保冷材料的一般要求

保冷是指為減少周圍環境向低溫管道及其附件散熱，在其外表面采取的增設保冷層的措施[1]。

低溫管道及其附件的保冷設計，應以滿足工藝生產、保持和發揮生產能力、減少冷損失、節約能源、并防止表面凝露，改善工作環境等為目的。

一般保冷材料的選擇必須滿足下列要求：

(1)在主要技術性能均能滿足保冷要求的范圍內，有不同保冷材料可供選擇時，應優先選用導熱系數小，吸水、吸濕率低，耐低溫性能好，易施工、造價低，其綜合經濟效益較高的材料；

(2)保冷材料的最低安全使用溫度，應低于正常操作時的介質最低溫度；

(3)在低溫條件下經綜合經濟比較后，可選用兩種或多種保冷材料復合使用，或直接選用復合型保冷材料制品。一般保冷材料的基本性能要求應是：具有密度小、機械強度大、導熱系數小、化學性能穩定，對管道沒有腐蝕，以及能長期在工作溫度下運行等性能。

設計采用的各種保冷材料，其性能必須符合現行國家、行業或省市級產品標準的規定，對新材料必須通過部、省、市級鑒定后方可采用。

對于保冷工程，由于保冷材料用于常溫以下或者0℃以上常溫以下的防結露，它的熱流方向與保溫的熱流方向相反。保冷層外側蒸汽壓大于內側，蒸汽易于滲入保冷層，致使保冷層內產生凝結水或結冰。因此，保冷材料應為閉孔型材料，其主要性能應符合GB 50126-2008《工業設備及管道絕熱工程施工規范》以及其它國家、行業相關標準規范中的相關規定。

2 我國LNG項目中常用的幾種保冷材料

在我國LNG中小型氣化站工程、液化站工程以及大型LNG接收站工程中，常用以下的幾種保冷材料：

2.1 硬質聚氨酯泡沫塑料

硬質聚氨酯泡沫塑料以聚醚或聚酯多元醇與多異腈酸酯為主要原料，再加催化劑、溫泡劑和氟利昂發泡劑等，經混合、攪拌產生化學反應而形成發泡體。孔腔的閉孔率達80%～90%，吸水性小。由于其氣孔為低導熱系數的氟利昂氯質，所以它的導熱系數比空氣小，最低可達0.012 W/(m·K)(在-165℃下)。該種材料有較好的冷彈性、保冷特性、吸音性、吸振性，尺寸穩定性好，使用安全可靠，造價可行，無需過多的維修及在機械損傷后修復簡便，因此它是低溫LNG管道及支架十分理想的保冷材料。

硬質聚氨酯泡沫塑料制品可以由預制廠預制成板狀或管殼狀等制品。由于它可常溫發泡、固化，可在現場噴涂或灌注發泡，是目前應用最廣泛的有機保冷材料之一。

通常，密度較低的聚氨酯硬泡主要用作隔熱材料，密度較高的聚氨酯硬泡是結構泡沫塑料，又稱仿木材，具有強度高、韌性好、表面致密堅韌、成型工藝簡單生產效率高等特點，可用作結構材料，例如低溫支架用保冷材料。硬質聚氨酯泡沫塑料技術特性見表1。

表1 硬質聚氨酯泡沫塑料技術特性

2.2 泡沫玻璃

泡沫玻璃是以玻璃粉為基料，加入發泡劑、通過隧道窯爐加熱焙燒冷卻后再用機械加工成所需形狀、尺寸的制品。泡沫玻璃有以下特點：

泡沫玻璃不吸水，不吸濕，它既是保冷材料，同時又是良好的防潮材料。

泡沫玻璃的導熱系數十分恒定，不會像其它一些保冷材料那樣，經過一段時間使用后會因吸濕而使導熱系數增大。抗壓、抗彎強度高。

具有與玻璃同樣的耐化學腐蝕，不會老化，對管道具有防腐保護作用。

不會燃燒，是國際上人命安全條約規定的不燃材料。在低溫管道上使用，可從根本上消除造成火災的隱患。

線膨脹系數小，一般只有有機保冷材料的五分之一左右，它的膨脹系數與金屬材料比較接近，脹縮差系數小。因此能避免脹縮差引起保冷材料與管道脫殼的危險，確保保冷結構的密閉性。

既能耐超低溫，又能耐一定的高溫，使用溫度范圍很廣。

表2 泡沫玻璃技術特性

2.3 泡沫玻璃和硬質聚氨酯泡沫塑料復合

在接近低溫處采用泡沫玻璃保冷，在靠近常溫處采用硬質聚氨酯泡沫塑料保冷。因為在低溫下泡沫玻璃的收縮率接近不銹鋼的收縮率，所以泡沫玻璃在低溫下不會開裂，不會引起冷脆點，但是泡沫玻璃絕熱性差，所以在外層采用聚氨酯泡沫塑料來提高絕熱性能，達到保冷的效果，充分發揮了兩種材料的優點[2]。

2.4 聚異氰脲酸酯泡沫塑料

聚異氰脲酸酯泡沫(PIR)是指分子結構中含有異氰脲酸酯環的泡沫塑料，除了具有聚氨酯硬質泡沫的優良的絕熱性能、在低密度時具有較好強度的優點外，與聚氨酯泡沫塑料相比，PIR具有使用溫度范圍更廣，具體表現為它能在150℃下長期連續使用，而尺寸變化率小于1%，硬質聚氨酯泡沫塑料若在此溫度下長期使用，強度明顯下降，外觀與尺寸也發生變化。；另外，耐火焰貫穿性好，厚度為2.5 cm左右的聚異氰脲酸酯泡沫塑料板，用丙烷火焰對著它的一側中心燃燒，30min左右才能把泡沫塑料板燒穿，燃燒時發煙量低，而在同等條件下，硬質聚氨酯泡沫塑料一般幾分鐘就燒穿了。以上這些優異的性能使得PIR具有廣闊的應用前景。

3 LNG低溫管道支架保冷材料的選擇

作為低溫管道支架保冷材料來講，除了具有一般保冷材料的保冷性能外，低溫管道支架的保冷材料還應該能夠承受管道、管內介質、保冷層以及其它作用在管托上的荷載，具有良好的機械性能以保證管道工作的安全性。另外，考慮到施工性能，要求其加工容易，同時檢修和維護方便。

選擇保冷材料時要根據介質溫度及使用條件考慮其綜合性能，優先考慮耐溫性、工程熱導率及價格。若有幾種保冷材料均可使用，其使用壽命、維修周期、外觀基本相同時，還需做一下比較，最后可用每平方米保冷層綜合價格(包括保冷層、外護層、接點、施工等費用)與工程熱導率的乘積大小來決定。需要注意的是同一種材料，不同廠家的產品性能差別可能較大，應做比較篩選。單位價格低不能作為唯一選擇條件，而要看綜合性能價格比。

3.1 按工藝運行溫度對保冷材料的要求進行篩選

各種保冷材料適用的溫度范圍各不相同，如果超過材料允許使用溫度范圍，會使材料產生明顯變化、變質或變形。因此，不應選用保冷材料承受超過極限的溫度。

保冷材料的使用溫度范圍應大于被保冷管道的最低和最高表面溫度。

表3列舉了幾種不同保冷材料的使用溫度范圍。

表3 不同材料的使用溫度范圍

從該表可以看出，這幾種材料的最低使用溫度范圍都可滿足LNG工程的要求。

3.2 按環境和工藝條件對保冷材料的性能做進一步的篩選

保冷材料除應滿足耐溫性要求外，保冷環境和工作條件還常常對保冷材料的物理化學性能有特殊要求。歸納起來，所要求的其他主要性能有：

3.2.1 機械強度

由于用于支架的保冷材料要求能夠承受管道、管內介質、保冷層以及其它作用在支架上的荷載，所以要求支架的保冷材料具有較大的機械強度。值得指出的是，對機械強度的要求及對熱導率的要求應作統一考慮。一般來說，機械強度高的材料密度較大，而熱導率也較高。

3.2.2 吸水性

保冷材料一旦吸水，保冷效果會明顯下降，同時也不利于安全生產和操作，因此，對有吸水環境的保冷工程施工，對保冷材料的吸水性應有較嚴格的要求，泡沫玻璃和硬質聚氨酯泡沫塑料以及PIR都具有較小的吸水性。

此外，還要結合保冷材料以及保冷結構的施工工藝的難易，綜合考慮保冷工程的經濟性。

4 LNG低溫管道支架保冷材料選擇結論

經過對各種保冷材料的性質分析，認為高密度PIR、高密度聚氨酯泡沫和泡沫玻璃的各項性能都比較適合做低溫管道支架的保冷材料。但是泡沫玻璃的致命缺點是：它的脆性較大[3]，受到稍微強烈的振動時容易破碎，因此，在實際應用中，一般僅把它用作保冷管道用隔熱材料。

結合LNG低溫管道保冷支架的特點，最終確定有兩種保冷材料可供選擇。一種是高密度的聚氨酯，另一種是高密度的PIR。從廣東LNG和福建LNG低溫管道支架的工程應用看，所用的保冷材料都是高密度聚氨酯。此外，高密度PIR雖然單價比高密度聚氨酯要高，但其在耐高溫、阻燃性方面要優于高密度聚氨酯，近幾年國內多個大型LNG接收站逐漸在使用高密度PIR材料。

作為低溫管道支架保冷材料采用的高密度PUF和高密度PIR技術特性見表4和表5。

表4 高密度PUF技術特性

表5 高密度PIR技術特性

欲使保冷工程達到最佳的節能效果和經濟效益，在實際中有必要對支架保冷材料進行認真的篩選。保冷材料最終的取舍，不能將保冷材料的選擇與工程孤立，既要考慮材料的性能是否滿足管道的運行要求，也要考慮保冷工程造價和保冷施工工藝等諸多方面的因素。

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 4272-2008 設備及管道絕熱技術通則[S].北京：中國標準出版社，2009.

[2] 李雨康，張世榮.深冷絕熱材料的探討[J].中國海洋平臺，2001，16(3)：31-34.

[3] 孫豐海.保冷選材和施工淺析[J].化工設備與管道，2008，45(1)：61-62.

(本文文獻格式：方錦坤.LNG低溫管道支架保冷材料選擇[J].山東化工,2017,46(7):148-150.)

Selection of Insulation Material for Liquefied Natural Gas Cryogenic Support

FangJinkun

(HQCEC(GD),Guangzhou 510655,China)

Liquefied Natural Gas cryogenic support is a significant part of pipeline,for supporting and ensuring the safely operation the pipeline. So,choose a appropriate insulation material for Liquefied Natural Gas cryogenic support is very importance,for the structure of heat proof and the safely operation of pipeline.

LNG;insulation material;cryogenic pipe support

2017-02-13

方錦坤(1984—)，男，廣西人，本科，主要從事化工、環保及天然氣工程設計工作。

TQ055.8

B

1008-021X(2017)07-0148-03