LNG低温管道支架保冷材料选择

方锦坤

(广东寰球广业工程有限公司，广东 广州 510655)

LNG低温管道支架保冷材料选择

方锦坤

(广东寰球广业工程有限公司，广东 广州 510655)

LNG低温管道支架是LNG管道系统重要的组成部分，用以支撑LNG管道，确保管道安全运行。选择合适的LNG低温管道支架保冷材料，对LNG低温管道支架保冷结构的可靠性和LNG管道系统的安全运行具有重要意义。

LNG；保冷材料；低温支架

近年来，随着国家能源产业政策的调整，作为清洁能源的天然气得到了广泛的应用和发展，也促进了天然气产业链的迅速发展，大中型LNG项目雨后春笋般在我国沿海地区迅速发展起来。

本文通过对几种不同性能的保冷材料进行对比和筛选，为LNG低温管道支架选择合适的保冷材料。

1 保冷材料的一般要求

保冷是指为减少周围环境向低温管道及其附件散热，在其外表面采取的增设保冷层的措施[1]。

低温管道及其附件的保冷设计，应以满足工艺生产、保持和发挥生产能力、减少冷损失、节约能源、并防止表面凝露，改善工作环境等为目的。

一般保冷材料的选择必须满足下列要求：

(1)在主要技术性能均能满足保冷要求的范围内，有不同保冷材料可供选择时，应优先选用导热系数小，吸水、吸湿率低，耐低温性能好，易施工、造价低，其综合经济效益较高的材料；

(2)保冷材料的最低安全使用温度，应低于正常操作时的介质最低温度；

(3)在低温条件下经综合经济比较后，可选用两种或多种保冷材料复合使用，或直接选用复合型保冷材料制品。一般保冷材料的基本性能要求应是：具有密度小、机械强度大、导热系数小、化学性能稳定，对管道没有腐蚀，以及能长期在工作温度下运行等性能。

设计采用的各种保冷材料，其性能必须符合现行国家、行业或省市级产品标准的规定，对新材料必须通过部、省、市级鉴定后方可采用。

对于保冷工程，由于保冷材料用于常温以下或者0℃以上常温以下的防结露，它的热流方向与保温的热流方向相反。保冷层外侧蒸汽压大于内侧，蒸汽易于渗入保冷层，致使保冷层内产生凝结水或结冰。因此，保冷材料应为闭孔型材料，其主要性能应符合GB 50126-2008《工业设备及管道绝热工程施工规范》以及其它国家、行业相关标准规范中的相关规定。

2 我国LNG项目中常用的几种保冷材料

在我国LNG中小型气化站工程、液化站工程以及大型LNG接收站工程中，常用以下的几种保冷材料：

2.1 硬质聚氨酯泡沫塑料

硬质聚氨酯泡沫塑料以聚醚或聚酯多元醇与多异腈酸酯为主要原料，再加催化剂、温泡剂和氟利昂发泡剂等，经混合、搅拌产生化学反应而形成发泡体。孔腔的闭孔率达80%～90%，吸水性小。由于其气孔为低导热系数的氟利昂氯质，所以它的导热系数比空气小，最低可达0.012 W/(m·K)(在-165℃下)。该种材料有较好的冷弹性、保冷特性、吸音性、吸振性，尺寸稳定性好，使用安全可靠，造价可行，无需过多的维修及在机械损伤后修复简便，因此它是低温LNG管道及支架十分理想的保冷材料。

硬质聚氨酯泡沫塑料制品可以由预制厂预制成板状或管壳状等制品。由于它可常温发泡、固化，可在现场喷涂或灌注发泡，是目前应用最广泛的有机保冷材料之一。

通常，密度较低的聚氨酯硬泡主要用作隔热材料，密度较高的聚氨酯硬泡是结构泡沫塑料，又称仿木材，具有强度高、韧性好、表面致密坚韧、成型工艺简单生产效率高等特点，可用作结构材料，例如低温支架用保冷材料。硬质聚氨酯泡沫塑料技术特性见表1。

表1 硬质聚氨酯泡沫塑料技术特性

2.2 泡沫玻璃

泡沫玻璃是以玻璃粉为基料，加入发泡剂、通过隧道窑炉加热焙烧冷却后再用机械加工成所需形状、尺寸的制品。泡沫玻璃有以下特点：

泡沫玻璃不吸水，不吸湿，它既是保冷材料，同时又是良好的防潮材料。

泡沫玻璃的导热系数十分恒定，不会像其它一些保冷材料那样，经过一段时间使用后会因吸湿而使导热系数增大。抗压、抗弯强度高。

具有与玻璃同样的耐化学腐蚀，不会老化，对管道具有防腐保护作用。

不会燃烧，是国际上人命安全条约规定的不燃材料。在低温管道上使用，可从根本上消除造成火灾的隐患。

线膨胀系数小，一般只有有机保冷材料的五分之一左右，它的膨胀系数与金属材料比较接近，胀缩差系数小。因此能避免胀缩差引起保冷材料与管道脱壳的危险，确保保冷结构的密闭性。

既能耐超低温，又能耐一定的高温，使用温度范围很广。

表2 泡沫玻璃技术特性

2.3 泡沫玻璃和硬质聚氨酯泡沫塑料复合

在接近低温处采用泡沫玻璃保冷，在靠近常温处采用硬质聚氨酯泡沫塑料保冷。因为在低温下泡沫玻璃的收缩率接近不锈钢的收缩率，所以泡沫玻璃在低温下不会开裂，不会引起冷脆点，但是泡沫玻璃绝热性差，所以在外层采用聚氨酯泡沫塑料来提高绝热性能，达到保冷的效果，充分发挥了两种材料的优点[2]。

2.4 聚异氰脲酸酯泡沫塑料

聚异氰脲酸酯泡沫(PIR)是指分子结构中含有异氰脲酸酯环的泡沫塑料，除了具有聚氨酯硬质泡沫的优良的绝热性能、在低密度时具有较好强度的优点外，与聚氨酯泡沫塑料相比，PIR具有使用温度范围更广，具体表现为它能在150℃下长期连续使用，而尺寸变化率小于1%，硬质聚氨酯泡沫塑料若在此温度下长期使用，强度明显下降，外观与尺寸也发生变化。；另外，耐火焰贯穿性好，厚度为2.5 cm左右的聚异氰脲酸酯泡沫塑料板，用丙烷火焰对着它的一侧中心燃烧，30min左右才能把泡沫塑料板烧穿，燃烧时发烟量低，而在同等条件下，硬质聚氨酯泡沫塑料一般几分钟就烧穿了。以上这些优异的性能使得PIR具有广阔的应用前景。

3 LNG低温管道支架保冷材料的选择

作为低温管道支架保冷材料来讲，除了具有一般保冷材料的保冷性能外，低温管道支架的保冷材料还应该能够承受管道、管内介质、保冷层以及其它作用在管托上的荷载，具有良好的机械性能以保证管道工作的安全性。另外，考虑到施工性能，要求其加工容易，同时检修和维护方便。

选择保冷材料时要根据介质温度及使用条件考虑其综合性能，优先考虑耐温性、工程热导率及价格。若有几种保冷材料均可使用，其使用寿命、维修周期、外观基本相同时，还需做一下比较，最后可用每平方米保冷层综合价格(包括保冷层、外护层、接点、施工等费用)与工程热导率的乘积大小来决定。需要注意的是同一种材料，不同厂家的产品性能差别可能较大，应做比较筛选。单位价格低不能作为唯一选择条件，而要看综合性能价格比。

3.1 按工艺运行温度对保冷材料的要求进行筛选

各种保冷材料适用的温度范围各不相同，如果超过材料允许使用温度范围，会使材料产生明显变化、变质或变形。因此，不应选用保冷材料承受超过极限的温度。

保冷材料的使用温度范围应大于被保冷管道的最低和最高表面温度。

表3列举了几种不同保冷材料的使用温度范围。

表3 不同材料的使用温度范围

从该表可以看出，这几种材料的最低使用温度范围都可满足LNG工程的要求。

3.2 按环境和工艺条件对保冷材料的性能做进一步的筛选

保冷材料除应满足耐温性要求外，保冷环境和工作条件还常常对保冷材料的物理化学性能有特殊要求。归纳起来，所要求的其他主要性能有：

3.2.1 机械强度

由于用于支架的保冷材料要求能够承受管道、管内介质、保冷层以及其它作用在支架上的荷载，所以要求支架的保冷材料具有较大的机械强度。值得指出的是，对机械强度的要求及对热导率的要求应作统一考虑。一般来说，机械强度高的材料密度较大，而热导率也较高。

3.2.2 吸水性

保冷材料一旦吸水，保冷效果会明显下降，同时也不利于安全生产和操作，因此，对有吸水环境的保冷工程施工，对保冷材料的吸水性应有较严格的要求，泡沫玻璃和硬质聚氨酯泡沫塑料以及PIR都具有较小的吸水性。

此外，还要结合保冷材料以及保冷结构的施工工艺的难易，综合考虑保冷工程的经济性。

4 LNG低温管道支架保冷材料选择结论

经过对各种保冷材料的性质分析，认为高密度PIR、高密度聚氨酯泡沫和泡沫玻璃的各项性能都比较适合做低温管道支架的保冷材料。但是泡沫玻璃的致命缺点是：它的脆性较大[3]，受到稍微强烈的振动时容易破碎，因此，在实际应用中，一般仅把它用作保冷管道用隔热材料。

结合LNG低温管道保冷支架的特点，最终确定有两种保冷材料可供选择。一种是高密度的聚氨酯，另一种是高密度的PIR。从广东LNG和福建LNG低温管道支架的工程应用看，所用的保冷材料都是高密度聚氨酯。此外，高密度PIR虽然单价比高密度聚氨酯要高，但其在耐高温、阻燃性方面要优于高密度聚氨酯，近几年国内多个大型LNG接收站逐渐在使用高密度PIR材料。

作为低温管道支架保冷材料采用的高密度PUF和高密度PIR技术特性见表4和表5。

表4 高密度PUF技术特性

表5 高密度PIR技术特性

欲使保冷工程达到最佳的节能效果和经济效益，在实际中有必要对支架保冷材料进行认真的筛选。保冷材料最终的取舍，不能将保冷材料的选择与工程孤立，既要考虑材料的性能是否满足管道的运行要求，也要考虑保冷工程造价和保冷施工工艺等诸多方面的因素。

[1] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T 4272-2008 设备及管道绝热技术通则[S].北京：中国标准出版社，2009.

[2] 李雨康，张世荣.深冷绝热材料的探讨[J].中国海洋平台，2001，16(3)：31-34.

[3] 孙丰海.保冷选材和施工浅析[J].化工设备与管道，2008，45(1)：61-62.

(本文文献格式：方锦坤.LNG低温管道支架保冷材料选择[J].山东化工,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

方锦坤(1984—)，男，广西人，本科，主要从事化工、环保及天然气工程设计工作。

TQ055.8

B

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