高溫大口徑熱風管道內保溫技術研究

陳小祥，許可，朱志坤

（浙江省天正設計工程有限公司，浙江 杭州 310030）

某工程項目熱風管道保溫要求如下：設計溫度為700 ℃，工作溫度約650 ℃，介質為空氣，介質流速≤25 m/s，工作壓力＜3 kPa，介質流量為65100 Nm3/h，保溫后介質壓降＜2000 Pa/100 m，管道外壁溫度＜50 ℃，管道內熱風溫降＜50 ℃/100 m，管道直徑為2900 mm。

目前高溫管道常見保溫方式為外保溫，即采用一定厚度的保溫材料，通過一定方式固定在管道外壁，再用鋁皮或彩鋼板對保溫材料外表面進行保護[1]。而在高溫熱風管道中接觸的管道介質為熱風，溫度可達600 ℃以上，如果也選用相同的保溫方式，管壁會直接接觸高溫介質，普通碳鋼無法在高溫下工作，必須選用耐熱溫度較高的不銹鋼321，甚至是不銹鋼310S；此外，支撐和結構件也需要選用耐高溫材料，工程造價高，結構穩(wěn)定性差。

在常用外保溫無法滿足使用要求的情況下，轉而考慮內保溫方式，將保溫層敷設于管道內部，使管道壁溫降低至合適溫度。管材和支撐可以選用普通碳鋼，有效降低造價成本，并提高管道的安全性和穩(wěn)定性[2]。但是管道內保溫層直接與高溫空氣接觸，并劇烈沖刷，工作環(huán)境惡劣，其性能好壞直接影響保溫效果及使用壽命。本研究以具體工程項目為基礎，對常用的幾種內保溫方式進行研究，圍繞內保溫材料選擇、保溫厚度計算、保溫結構設計等內容進行探討，并結合實際項目執(zhí)行情況進行總結歸納，解決內保溫存在的各種問題。

1 保溫結構方案分析

針對該項目工況，套管式結構存在造價高、施工難度大；內襯澆注料（或耐火磚）使管道質量大，造成管道支架施工困難，這兩種形式在目前項目中均不適用[1]。而常見使用輕質保溫材料的內保溫形式和外保溫形式均有各自的優(yōu)缺點，如表1 所示。外保溫型式里層采用321 不銹鋼，外面包敷保溫材料，最外層為鍍鋅鐵皮保護層。內保溫型式采用耐磨耐火材料作為管道內部保護層，直接接觸高溫熱風，采用耐高溫的硅酸鋁保溫材料作為保溫層，管道本體采用碳鋼管，材質為Q235B。

表1 內保溫和外保溫型式對比表

外保溫具有整體重量輕和安裝難度相對較低等優(yōu)勢，由于管道壁溫高，管道處于紅熱狀態(tài)，因此容易造成管道斷裂、保溫脫落、支吊架管部開焊及補償器頂死等故障，存在維護費用高、維護量大、安全性低等缺點。

內保溫型式具有安全性高、使用壽命長、維護費用低、密閉性好、維護量小等優(yōu)點，特別是該種保溫型式能夠保持高溫爐煙管道長年穩(wěn)定運行，這是外保溫型式無法比擬的[3-4]。

由此可見，內保溫型式比較適合熱風工況，但其存在一定的缺點[5]，不能完全滿足項目需求。本文結合龜甲網隔熱耐磨襯里結構[6-7]對內保溫結構進行改進。

2 新型內保溫結構設計

2.1 保溫材料的選擇

2.1.1 主體保溫材料選擇

本項目涉及的流體介質溫度較高，要求保溫材料的最高使用溫度≥650 ℃，表2 中巖棉和玻璃棉制品不能滿足使用溫度要求。同時管道為架空敷設，保溫后管道重量受到支架設置和管體剛度的限制，因此排除耐火澆注料（容重較大，且導熱系數大，保溫效果差）。而硅酸鈣板脆性比較大，根據以往經驗，長途運輸的破損率高達30%以上，由于脆性較大，在熱煙氣管道的圓形空間里，施工難度很大，而且保溫隔熱效果也一般，造價也不低。因此硅酸鋁作為保溫材料較為合適，其耐熱溫度高，密度中等，且質地較軟，可施工性好，導熱系數低，保溫效果好。

表2 常見保溫材料性能

2.1.2 內保護層材料選擇

保溫層材料不耐熱風沖刷，需設內保護層。內保護層直接與高溫煙氣接觸，工作環(huán)境惡劣，其性能好壞直接影響保溫效果及使用壽命。內保護層必須滿足耐高溫、線脹系數小、耐熱風沖刷、整體強度高、密閉性好等特性，這樣才能對保溫層起到保護作用，同時還要易于安裝固定。目前可用的材料主要有耐火可塑料、耐高溫陶瓷、耐火磚和耐磨耐火搗打料等[2]。其中前3 種都存在安裝難度大、容易局部脫落、密封效果不好等缺點，而且脫落部分的修補非常困難，同時修補部分與原有部分很難結合到一起，極易發(fā)生重新脫落現象。耐磨耐火搗打料針對其他3 種內保層的缺點而開發(fā)，在管道內易成型、易安裝、易維護和保養(yǎng)，保溫效果好，是由白剛玉粉、剛玉和氧化鋁微粉、硅微粉、電溶水泥、不同的結合劑、外加劑配制而成的具有高強度性能的搗打料。該材料性能參數見表3。本項目所使用的內保護層材料為此種搗打料。

表3 耐磨耐火搗打料性能

2.2 結構形式

傳統內保溫結構高溫熱風（煙氣）管道采用碳鋼作為管道本體的材料，管道內側分別敷設耐火與保溫材料：最內側為抗高溫的耐火材料，一般為耐火澆注料；在其外側一般敷設硅酸鋁保溫材料作為主要保溫層。其主要缺點為抗熱疲勞能力差，耐火及保溫材料因熱脹冷縮導致的熱疲勞而產生裂縫并脫落；其次由于熱風流速快，管道內部不平整，抗熱風沖刷能力差[1]。

為克服內保護層以上缺點，本研究對雙層內保溫結構做了較多的優(yōu)化，其組成如圖1 所示，由外至內有3 層保溫材料，分別為硅酸鋁折疊塊、硅酸鹽復合噴涂料、耐磨耐火搗打料。內壁的搗打料使管道內部光滑平整，有效避免了熱風沖刷引起的使用壽命下降；同時在耐磨耐火搗打料之中設置一層不銹鋼龜甲網，用于固緊搗打料和折疊塊，防止內保護層熱疲勞，避免產生裂縫和脫落。

圖1 保溫結構簡圖

從圖1 可以看出，保護層不能直接與管壁接觸，中間隔有軟性材料的保溫層，因此必須對保護層進行固定，使之與外部的管道形成一個整體。為此，采用不銹鋼L 型錨固釘一端焊在管道內壁上，相鄰鉤釘間距為200 mm，開叉的一端深入保護層30 mm，并在末端用螺帽擰緊，這樣就將保護層（硅酸鹽復合噴涂料層及耐磨耐火搗打料層）和管道固定，同時也使中間的保溫材料得以固定。

在硅酸鋁折疊塊安裝完成之后，噴涂一層復合硅酸鹽噴涂料，厚度為20 mm，以更好地固定硅酸鋁模塊，增強硅酸鋁模塊與耐磨耐火搗打料之間的黏結性能。復合硅酸鹽噴涂料材料主要成分為硅酸鹽礦物質及高溫黏結劑，具有防腐、保溫、耐油、耐酸、耐堿的功能及較強的吸附性和黏結力。本產品為全粉末狀固態(tài)材料，到施工現場按一定比例配水攪拌后使用專用噴涂設備進行噴涂。噴涂層形成一個密封狀整體，不易開裂、脫落和粉化。

在噴涂料之外設置一層龜甲網，龜甲網為正六邊形結構，材料選用SS304 不銹鋼，厚度為1 mm，高度為20 mm，六邊形寬度為50 mm，其采用點焊的方式將龜甲網焊接成為一個網狀結構，構成耐磨耐火搗打料層的骨架，有效防止保護層在熱風沖刷下發(fā)生開裂脫落現象。在龜甲網安裝完成后，再進行搗打料施工，形成一層高強度耐磨保護層，防止熱風沖刷導致保溫材料脫落。

2.3 成品設計參數匯總

成品設計的參數見表4。

表4 成品設計參數

3 應用

目前該技術已經應用于某工程項目熱風管道中，根據實際測量，熱風管道外表面溫度為48.6 ℃，內部熱風溫度約為625 ℃，環(huán)境溫度約為30 ℃，與設計目標基本一致。

以某段熱風管為例，如圖2 所示。管道起點熱風溫度為587.7 ℃，終點溫度為556.0 ℃，該段管道熱風溫降為31.7 ℃，管道長度約為75 m，百米溫降為42.3 ℃，滿足設計目標。

圖2 某段管道熱風溫度實測

4 結論

本文研究了一種新型復合內保溫結構，其由輕質耐高溫的保溫材料、復合硅酸鹽噴涂料、耐磨耐火搗打料復合而成，在復合硅酸鹽噴涂料和耐火耐磨保護層之間設置一層龜甲網作為骨架。施工時先在需保溫的管道內壁焊接錨固釘，再依次敷設輕質耐高溫保溫材料，噴涂復合硅酸鹽噴涂料，安裝龜甲網，內壁再用耐火保護材料填實。該結構保溫效果好，管道系統質量輕，易于架空敷設，耐磨耐沖刷性能好、保溫材料不易脫落；同時管道不與熱風直接接觸，管壁溫度低，管道材質可選用碳鋼，整體經濟性好。