石油化工设备常用保冷材料的合理选择澳门威尼斯人官方直营

随着近些年国家对低温领域相关产业的重视,例如液化天然气( LNG) 行业、烯烃的制取及分离行业及乙烯产业等,需要进行保冷的石化设备越来越多。通常为了减少冷介质在生产或输送过程中的冷量损失,防止在环境温度下设备外表面结露或为减少冷介质在生产输送过程中温升和汽
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  随着近些年国家对低温领域相关产业的重视,例如液化天然气( LNG) 行业、烯烃的制取及分离行业及乙烯产业等,需要进行保冷的石化设备越来越多。通常为了减少冷介质在生产或输送过程中的冷量损失,防止在环境温度下设备外表面结露或为减少冷介质在生产输送过程中温升和汽化,相应设备均需要进行保冷。对储存和输送液化乙烯、乙烷、甲烷、液氧和液氮等介质的设备大多也需要保冷。

  为了提高保冷效果,主要通过减少热传导( 如固体中的传热) 、热对流( 冷热空气对流) 和热辐射( 太阳辐射) 等途径来实现,其中保冷材料的选用是保冷中需着重考虑的部分,尤其是保冷结构中的保冷层、防潮层和保护层的用材。目前国内外各种保冷材料的生产厂商众多,但质量层次不齐,保冷失效的案例常有发生,加上我国低温领域的研究人员偏少,高效且难燃的国产保冷材料较少,需要加强对保冷材料的研究和对市场材料加以甄别。

  1 选材时重点关注的性能指标

  保冷材料分为保冷主材和保冷辅材两大类。保冷材料的性能指标包括导热系数、密度、使用温度范围、吸水率、透湿性( 透湿系数和湿阻因子等) 、强度( 抗压强度、抗折强度及抗剪强度等) 、阻燃性( 阻燃氧指数、燃烧增长速率指数及烟密度等) 、热冲击稳定性、闭孔率、含水率、收缩率、抗老化性、松散类保冷材料的粒度、黏结剂类辅材的黏结强度等一系列特性参数。每种材料都有其特定性能和影响其性能的关键指标,因此对不同的保冷材料在选用时考察的侧重点应有所不同,需确保材料保持在最佳性能范围,同时兼顾经济性,需要使用人员仔细考虑。泡沫塑料类保冷材料大多阻燃性和阻湿性能差、吸水率较高、适用温度范围小以及导热系数差别大,因此需着重考察其阻燃性、透湿性、吸水率、闭孔率、使用温度和导热系数等,由于泡沫塑料类材料的密度均较小,可不必过于严格要求; 泡沫玻璃类保冷材料导热系数偏大、易脆,需注重考察导热系数、抗压强度、密度及热冲击稳定性等,由于泡沫玻璃属不燃材料,可不必过于关注阻燃指标; 膨胀珍珠岩松散类保冷材料的导热系数和其密度、粒度紧密相关,易吸水吸潮,因此需重点关注其导热系数、密度( 包括松散密度和振实密度) 、粒度、吸水率、含水率等,却可不必过于关注使用温度。另外,由于石化企业大多分布于沿海沿江气候潮湿地区,且石化保冷设备通常盛装易燃易爆介质,一旦发生事故,危害性大,因此尤其应注重考察保冷材料的吸水率、阻湿性和防火阻燃特性。

  2 常用保冷材料

  2. 1 保冷主材的性能及选用

  石油化工设备保冷主材应选用闭孔型材料,特殊环境下才选用纤维材料并应有干燥措施。设备常用的保冷主材有泡沫玻璃( JC /T 647—2014) 、聚异氰脲酸酯PIR ( GB /T 25997—2010) 、硬质聚氨酯泡沫塑料PUR ( GB /T21558—2008 ) 、聚苯乙烯泡沫塑料( GB /T10801. 1—2002和GB /T 10801. 2—2002) 、聚乙烯泡沫及气凝胶毡等,还可选用柔性泡沫橡塑绝热制品( GB /T 17794—2008) 。保冷材料通常为板、壳、毡或预制块等型式,对双壁容器或夹套容器还可以采用填充膨胀珍珠岩等松散类材料进行保冷。

  吸水率较小的材料有聚乙烯泡沫、泡沫玻璃、柔性泡沫橡塑类保冷材料和PIR; 阻湿性较好的材料是泡沫玻璃、聚乙烯泡沫、柔性泡沫橡塑类保冷材料、PIR 和气凝胶毡;导热系数较小的材料为气凝胶毡、PUR 和PIR; 防火阻燃性能最好的是泡沫玻璃和膨胀珍珠岩,其次是PIR 。气凝胶毡为近些年的新兴材料,市场上的材料质量差别较大,目前石化行业应用的还较少,由于其具有超低的导热系数,因此应加强对此类材料的进一步研究、改进和应用。PUR 的导热系数较小,在工程中应用较多,但耐温范围小、长期使用后性能下降较为明显,且阻燃性能不好,改性的PUR 性能略好,还需要继续研究和改进。

  水的常温导热系数约为0. 56 W/( mK) ,冰的0 ℃导热系数为2. 2 W/( mK) ,均大幅高于表1 中各材料的导热系数,且保冷设备热流方向大多是从环境传入设备,潮气易于渗入,保冷主材一旦吸潮或吸水后极易出现凝结水或结冰,致使保冷失效。因此,当有多种保冷主材可供选择时,应优先选用吸水率低及阻湿性好、含水率极低、不燃或难燃、导热系数较小、耐温性能好、强度较高及造价低的材料。

  当设备元件为规则结构( 如设备壳体) 时,保冷材料建议选用PIR、泡沫玻璃或复合保冷。对有高温低温双温工况的设备( 如需蒸汽吹扫的保冷设备) ,保冷材料宜采用泡沫玻璃或复合保冷,复合保冷的内层为泡沫玻璃,外层为PIR 等材料,因为泡沫玻璃的线膨胀系数和钢材较为接近且耐高低温、阻湿和阻燃效果好。当设备同时需要保温和保冷且高温超过400 ℃时,也可采用纤维材料与泡沫玻璃的复合结构。对防火要求非常严格的设备外保冷材料宜采用泡沫玻璃。当设备有双层壳体结构时建议选用膨胀珍珠岩填充式保冷。当设备元件为不规则结构( 如设备法兰、人孔、支座、支腿等) 时,宜选用柔性保冷材料保冷。保冷材料还应具有不易腐蚀设备、密度较小、易施工、损耗少及寿命长的特点。采用复合绝热时,应注意各层材料的使用温度及防水、防潮和接缝的设计,绝热层厚度超过80 mm 时应分层和错缝,以保证保冷效果。保冷材料的导热系数、吸水率、透湿性、强度等性能指标须符合GB/T 8175—2008,GB 50264—2013,GB/T 4272—2008,SH/T 3010—2013及相应材料标准的规定并应有质量证明文件,保冷材料宜有导热系数方程式或图表,生产商还应提供材料的安全使用温度值及耐燃烧性能、线膨胀系数或收缩率等指标。对一些重要的性能指标,例如石化设备保冷材料的阻燃氧指数应不小于30%,奥氏体不锈钢设备保冷材料的可溶出氯离子含量、氟离子含量等需符合GB /T 17393—2008的要求等,建议要求有第三方检测报告。

  2. 2 保冷辅材的介绍和选用

  保冷辅材通常有黏结剂、密封剂、耐磨剂、压敏带、打包带、防潮层及外保护层等。保冷辅材的性能需与保冷主材相匹配,能满足使用温度要求且不对金属壁产生腐蚀或引起保冷材料溶解,并符合相应标准的要求。保冷辅材一般建议由保冷主材供应商配套供应,外保护层可不包括在内。

  常用黏结剂有普通黏结剂、低温黏结剂和耐高低温黏结剂三大类,大多为酯类、沥青基或多组分材料。温度为- 70 ~ 150 ℃时可选用普通黏结剂,常温黏结强度宜大于0. 15 MPa; 在温度为- 196 ~ 60 ℃时宜选用低温黏结剂,- 196 ℃下的低温黏结强度宜大于0. 05 MPa; 温度为- 196 ~400 ℃时宜选用耐高低温黏结剂,常温黏结强度宜大于0. 10 MPa。常用密封剂有玻璃胶或沥青玛蹄脂等,使用温度多为- 196 ~ 65 ℃,常温黏结强度宜大于0. 06 MPa,大多数黏结剂也可兼作密封剂,黏结剂和密封剂应易固化、密封性好。对于泡沫玻璃材料,为了减小其在设备热胀冷缩或机械震动情况下,与金属外壁或层间的相互摩擦宜使用耐磨剂,耐磨剂的常用温度为- 196 ~100 ℃。设备的保冷层宜采用打包带或黏胶压敏带等固定,部分保冷材料也可采用不锈钢带固定,但不宜使用钢丝; 保冷中避免使用螺钉或铆钉; 外保护层外部的固定宜采用不锈钢带( 丝) 或镀锌钢带( 丝) 捆扎带及加强型打包带等材料,钢带不宜小于20 mm( 宽度) × 0. 5 mm( 厚度) ,钢丝直径不宜小于2 mm,在有强风的地区还应将捆扎带间距加密或强度增大。

  防潮层是保冷中较为关键的辅材,主要用来阻止外部环境的潮气和水的渗入,和保冷质量密切相关,尤其是对阻湿性较差的保冷主材至关重要。防潮层通常应具有较好的抗蒸汽渗透性、防水、防潮、无毒、阻燃、安全使用温度范围大且化学性能稳定,施工方便,干燥时间较短,吸水率应不大于1%,抗老化性好,且易形成整体严密的膜结构。防潮层宜采用铝箔复合树脂薄膜、高性能防水卷材或阻燃型沥青玛蹄脂,并配合玻璃布、油毡或塑料膜使用,沥青玛蹄脂单层厚度不宜小于3 mm。当采用铝箔复合树脂薄膜或防水卷材做防潮层时,其接缝宜搭接并密封; 当采用涂抹型防潮层时常温黏结强度宜不小于0. 15 MPa 且挥发物不宜大于30%; 防潮层外不宜设置铁丝、钢带等硬质捆扎件或螺钉、铆钉等连接件,以防止刺破或刮坏防潮层。

  保冷的外保护层应能使保冷结构免遭雨、雪等水分的侵入或风、冰雹及外力破坏,通常选用强度较高、抗腐蚀性好、使用寿命长,不燃或难燃、外表光滑美观、便于施工和检修的材料。以前有部分阻湿性较强的材料不设保护层,但长期使用后易受环境侵蚀、易光照老化和受到碰伤损坏,因此保冷结构的最外层( 除开填充式保冷) 均建议设外保护层。外保护层通常使用金属材料,例如不锈钢薄板、镀锌薄板、3003 防锈铝合金板或彩钢板等,铝合金板厚度不宜小于0. 8 mm,其他材料厚度不宜小于0. 5 mm,在特殊酸碱环境下可采用阻燃型的非金属材料,但宜涂敷防火涂层。外保护层不宜使用螺钉,以防止破坏防潮层和保冷层,接口宜设计成插接、搭接或咬接来吸收热胀冷缩效应。

  3 结语

  ( 1) 不同的保冷材料在选用时,对其性能考察的侧重点应有所不同,石化设备保冷材料尤其应注重考察材料的吸水率、阻湿性和防火阻燃特性。

  ( 2) 当石化设备元件为规则结构时,保冷主材建议采用PIR、泡沫玻璃或复合保冷; 对防火要求非常严格的设备外保冷主材宜采用泡沫玻璃;当设备有双层壳体结构时建议选用膨胀珍珠岩填充式保冷; 若设备元件不规则,保冷主材宜选用柔性保冷材料。同时应加强对气凝胶毡等新兴材料和高效难燃国产保冷材料的研究。

  ( 3) 黏结剂、密封剂、耐磨剂、防潮层和外保护层等辅材应满足相应使用环境的要求,保冷宜采用压敏带或打包带、捆扎带固定,不宜使用螺钉或铆钉以防止破坏保冷结构,影响保冷效果,外保护层接口宜设计成插接、搭接或咬接结构。

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