模拟危化液体储罐复合热控涂层的开发与应用

李少香 *，尹燕福，慕常强，李新华，范伟建，翟士刚

（1.青岛科技大学环境与安全工程学院，山东 青岛 266042；2.中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司储运厂，山东 淄博 255400）

目前，对危化液体储罐的安全防护多采用冬天加热保温、夏天用水喷淋的方式，造成水、电等宝贵资源的浪费。部分采用涂覆热反射涂料技术，使罐内液体在夏天实现降温的目的。但单一的热反射原理不能达到最佳降温效果，也不具有保温功能。为使危化液体安全储存，需寻找一种具有轻、疏松、多孔、导热系数小等特点的热控节能涂层材料，可使各类液体储罐实现保温节能与长效防腐。

石油化工使用的保温技术正在向高效、薄层、隔热、防腐一体化方向发展，充分利用传热机理及光反射原理研制新型节能材料是重要的发展方向。薄层隔热保温涂料不仅自身热阻大、热导率低，而且热反射率很高，能有效地降低辐射传热及对流传热[1-2]。

本文设计了绝热涂层结构，研制的涂层材料主要是防止储罐内部温度的变化。在热控涂料中选用加有空心陶瓷微珠为填料的高效热反射层和喷涂成型的多孔材料配套应用，使高反射功能填料在涂层中形成反射层，提高涂层的热反射率；两者配套应用形成了低导热率的静止空气层。通过反射层对热能辐射的反射作用和静止空气层对辐射和对流传热的有效抑制，使绝大部分的辐射热能被阻隔和反射[3]，再加之良好的防腐性能，达到热控、节能和防腐的目的。

1 实验

1.1 原料和仪器

30 mm × 20 mm × 2 mm 的钢板；环氧云铁底漆，天津市仁爱科技开发有限公司；A 料(有机多元醇化合物)，自制；B 料(异氰酸酯PM-200)，工业级，烟台万华聚氨酯股份有限公司；WX−聚苯颗粒和WX−抗裂抹面砂浆，青岛万兴成材有限公司；耐碱格布，青岛杰良洋新型建材有限公司；热反射面涂，自制。

砂纸；R71 喷枪，泉州市新华焊接设备有限公司；JM20002 型电子天平，余姚纪铭称重校验设备有限公司；电动搅拌机，2 800 r/min，上海普力通电动工具有限公司；1013A 电热鼓风干燥箱，天津思德赛斯仪器设备有限公司；KN-100-R 数字式热电偶温度计，哈尔滨凯诺科技开发有限公司；QFH 划格测试器，天津永利达材料试验机有限公司；MSYS309-04504 拉拔测试仪，福建省计量科学技术研究所；GD(J)W-225 高低温交变箱，杭州利辉环境检测设备有限公司；KYP 型液压全自动压力试验机，深圳市凯强利试验仪器有限公司；JK-60H 全自动盐雾试验箱，青岛精科检测设备有限公司。

1.2 实验步骤

1.2.1 涂层系统的涂装

取尺寸为30 mm × 20 mm × 2 mm 的钢板和20 L的铁皮桶，喷涂3 个隔热层厚度不同的铁皮桶，分别按以下顺序涂装：环氧云铁底涂(50～60 μm)+聚氨酯硬泡隔热层(厚度分别为3、5 和8 cm)+网格加强层+过渡层(0.5 cm)+热反射面层(50～60 μm)。钢板上涂层系统的隔热层喷涂厚度为5 cm。铁皮桶保温保冷涂层结构见图1。

图1 热控涂层结构示意图Figure 1 Schematic diagram of the structure of thermal control coating

1.2.1.1 防腐底层的涂装

用砂纸将钢板和铁皮桶表面打磨后，将环氧云铁底漆用洁净的溶剂调至合适喷涂的黏度，涂装厚度为50～60 μm，常温晾干。涂装参照HG/T 4077–2009《防腐蚀涂层涂装技术规范》进行。

1.2.1.2 保温层的涂装

将A 料和B 料按质量比1∶1 混合，经快速搅拌后喷于带底涂的钢板和铁桶表面，待膨胀固化后用锯条将其规整至3、5 和8 cm 厚度。

1.2.1.3 网格加强层和过渡层的涂装

将聚苯颗粒和抗裂抹面砂浆混合后加入水搅拌均匀，然后把双层耐碱格布包覆于隔热层表面，最后将搅拌好的砂浆过渡层均匀涂抹于其表面，涂抹厚度约为0.5 cm。

1.2.1.4 热反射层的涂装

因为玻璃微珠的空心结构可以大大提高涂层的孔隙率，从而降低涂层的热导率，且能提高太阳光的反射率，故本文以热塑性丙烯酸树脂为成膜物、以空心玻璃微珠为填料，按文献[4]自制高效热反射层，涂装厚度为50～60 μm。

1.2.2 涂层系统的强度与剥离试验

1.2.2.1 附着力

环氧云铁底涂的附着力通过划格法测出，环氧云铁底涂与保温层之间和保温层与过渡层之间的附着力用拉拔测试仪测出，用划圈法对反射层与过渡层的附着力进行测试。

1.2.2.2 耐盐水及盐雾性能

将涂有环氧云铁防腐涂层的钢板分别放入3%NaCl 溶液(30 d)和全自动盐雾试验箱(5% NaCl 溶液，1 000 h)中，在规定的时间后取出，观察涂膜的状态变化。

1.2.2.3 抗压强度测试

用抗压测试机对保温层厚度为5 cm 的涂层系统的抗压强度进行测试。

1.2.2.4 耐高低温性能测试

将试样放入高低温交变箱，即试样放在(50 ± 3)°C的干燥箱中16 h，然后浸入(20 ± 3)°C 的水中8 h(试样面涂面向下，水面应至少高出试样表面20 mm)，再置于(−20 ± 3)°C 冷冻24 h 为1 个循环，每一个循环观察一次，试样经10 个循环后观察其表面有无空鼓、起泡和剥离现象，并用5 倍放大镜观察表面有无裂纹。

1.2.3 20 L 保温桶保温效果测试

在桶内同时装入等量的10°C 的水，将数字式热电偶的测试针置入水中，将测试桶放在烘箱中，设定温度为40°C，随时间的变化每隔0.5 h 记录温升情况，并对3 个不同保温层厚度的模拟桶进行保温效果比较。

用同样的方法将测试桶放在有太阳直射的地方(在炎热夏天)，每隔0.5 h 记录一次温度。

1.2.413 m3和40 m3储罐中的应用试验

由保温桶的保温效果测试得出的最优保温层厚度为5 cm，对40 m3储罐(1 号)和13 m3储罐(2 号)进行各层施工：环氧云铁防腐底涂(50～60 μm)+聚氨酯硬泡隔热层(厚度5 cm)+网格加强层+过渡层(0.5 cm)+热反射面层(50～60 μm)。

涂装完毕，在储罐中注满水，用数字式热电偶温度计分别测试1 号罐南侧中上部温度、东侧底部温度，环境温度，1 号罐水温和2 号罐水温。每日分别在7、9、11、13、15 和17 点采集记录温度，连续测试15 d。

2 结果与讨论

2.1 隔热层厚度的确定

图2a、2b 分别为不同厚度隔热层的20 L 保温桶在40°C 烘箱里和在炎热的大气中(夏天)不同时间的温度变化。从图2a、2b 可以看出，无论是在烘箱里还是在炎热的大气中，含8 cm 厚的聚氨酯保温层的保温桶的保温效果最好，其次是含5 cm 厚的聚氨酯保温层的保温桶，含3 cm 厚保温层的保温桶的保温效果最差。通过对聚氨酯经济厚度的计算[5]，得出经济厚度为2.99 cm。由于含3 cm 聚氨酯保温层的保温效果不理想，所以适宜的聚氨酯保温层的厚度取5 cm。

2.2 涂层的物理机械性能

在30 mm × 20 mm × 2 mm 的钢板上涂饰热控涂层，各涂层物理机械性能测试结果见表1。

图2 含不同厚度热阻隔层的保温桶在40°C 烘箱里和在大气中不同时间的温度变化曲线Figure 2 Temperature vs.time curves of the thermal insulation barrel with different thicknesses of thermal barrier coating in oven at 40°C and in the atmosphere

表1 各涂层的物理机械性能Table 1 Physical and mechanical properties of various coatings

由表1 可知，该涂层系统的物理机械性能良好，钢板与底涂之间、过渡层与热反射层之间的附着力均为1 级，底涂与保温层之间、保温层与过渡层之间的附着力分别为6.3 MPa 和5.2 MPa。耐盐水及盐雾测试中，涂层系统表面无起泡、脱落现象。保温层为5 cm的涂层系统的抗压强度约为350 kPa；高低温交变10 个循环后表面无空鼓、起泡、剥离现象，可以满足储罐工作环境的需要。

2.313 m3 和40 m3 槽罐中的应用试验

图3 是在容量13 m3(2 号)和40 m3(1 号)的储罐中分别涂覆复合热控涂层后，在炎热夏天中的温度变化，与储罐旁的消防棚内的温度变化进行对比。由图可知，随着环境温度的波动变化，消防棚内的温度在20～42°C 之间波动，而1 号罐南侧中部和东侧底部的温度仅在2°C 的范围内波动，1 号和2 号罐内的水温虽然随着环境温度的变化而变化，但波动范围在4°C 以内。试验结果证明，该保温层的保温效果良好，可以在外界环境温度波动变化大的情况下，实现罐内液体的保温。

图3 涂覆复合热控涂层的储罐内温度和消防棚内温度在15 d 内的变化对比Figure 3 Comparison between temperature variation inside a fire equipment shed and the storage tanks coated with composite thermal barrier coating in 15 d

3 结论

(1)通过腐蚀与防护、热阻隔、热辐射、热反射等技术集成，设计了一种绝热涂层复合结构。该复合热控涂层按以下顺序施工：环氧云铁防腐底涂(50～60 μm)+聚氨酯硬泡隔热层(厚度5 cm)+网格加强层+过渡层(0.5 cm)+热反射面层(50～60 μm)。测试结果表明，该涂层系统的物理机械性能良好，钢板与底涂之间、过渡层与热反射层之间的附着力均为1 级，底涂与保温层之间、保温层与过渡层之间的附着力分别为6.3 MPa 和5.2 MPa；耐盐水及盐雾测试中，涂层系统表面无起泡、脱落现象。保温层为5 cm 的涂层的系统抗压强度约为0.35 N/mm2，高低温交变10 个循环后表面光滑平整，无裂纹，可以满足储罐工作环境的需要。

(2)通过建立化工储罐模型，对此涂层材料进行热控性能研究，在13 m3和40 m3储罐保温测试中，当外界温度在20～42°C 之间变化时，罐内水温波动在4°C 以内，表明其减弱热传递和增强热反射的实际应用效果显著，保温性能优越。

(3)该方法具有稳定性好、成本低、施工简单等特点，可促进功能性涂层材料的应用，对液体化工原料及其油汽储运节能与防腐技术的发展具有一定的促进作用，同时产生较好的经济效益和社会效益。

[1]李少香,刘光烨,李光俊,等.高效热屏蔽降温防腐涂层材料[J].中国涂料,2006,21 (12):38-40.

[2]王甲春,阎培渝.外墙外保温系统的应用效果分析[J].砖瓦,2004 (7):78-79.

[3]徐永祥,李运德,师华,等.太阳热反射隔热涂料研究进展[J].涂料工业,2010,40 (1):70-74.

[4]马宏,刘文兴,孟军锋,等.高性能太阳热反射隔热涂层的研制[J].现代涂料与涂装,2006,9 (7):55-56,60.

[5]阚安康,韩厚德,陈威.冷藏集装箱保温涂层经济厚度的计算和绝热性能的分析[J].能源技术,2005,26 (6):265-267.