基于局部冻结的保温材料性能试验研究

孟祥前，姚直书，薛维培，王宗金，吴 成

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.中煤特殊凿井有限责任公司安徽冻结分公司，安徽 合肥 230000)

随着竖井穿过冲积层厚度的增加，井筒中下部需要厚度大、强度高的冻结壁，冻结孔布置由单圈孔发展到双圈孔、三圈孔、甚至四圈孔。而井筒上部冻结壁承受地压小，所需冻结壁强度和刚度也相对较小，单圈孔或双圈孔冻结便能满足工程要求。在多圈孔冻结工程中，其外圈孔上部必须采用隔热保温材料，以达到上部地层局部冻结目的，从而减少冷量浪费，降低工程造价。在我国西部含水软岩地层斜井冻结施工时，由于目前还不具备施工倾斜冻结孔技术，仍采用多排直孔冻结方式，部分冻结管穿过井筒也需要采用保温隔热措施以实现局部冻结，避免冷量浪费。因此，不论是竖井还是斜井冻结，在不需要过分冻结的区域，均应对冻结管进行保温隔热处理以减少冷量损失。虽然实施局部冻结的方法有多种，但采用保温隔热材料包裹(涂抹)在冻结管外表面是一种最简单实用的方法。所以寻求一种符合冻结法凿井施工工况、性能优异的保温材料具有十分重要的实用价值。

关于局部冻结保温材料，过去对聚氨脂发泡材料研究较多。如文献[9]研究了保温层厚度对局部保温单管冻结温度场的影响；文献[10]研究了聚氨酯保温对冻结温度场的分布影响；文献[11]研究了聚氨酯在浅部地层冻结管保温中的节能；文献[12]研究了聚氨酯保温对冻结温度场影响；文献[13]对局部地层扩孔填充导热材料强化进行了冻结试验；文献[14]对硬质聚氨酯泡沫材料的开发与应用进行了分析；文献[15]对冻结管采取聚氨酯保温后的温度场进行了分析。虽然上述文献都开展了局部冻结条件下保温材料性能研究，但在研究过程中均没有考虑地压作用影响，现场测试时也只在40m以内深度这一浅部地层开展。实际上，在深立井和斜井实施局部冻结时，地层埋深通常在200m区域，在此条件下，冻结管外侧包裹的隔热保温材料将要承受较大的地压力。此时，其隔热保温性能更值得研究。

由此可见，由于前人所作研究时考虑受力状态下的保温材料性能试验较少，所得试验结果与实际工程存在一定差距，导致前期聚氨酯保温材料在局部冻结工程中一直没能得到很好的推广应用。本试验在较高应力状态下对保温材料性能进行了对比研究，以期找出一种在实际工况下保温性能优异的材料。

1 材料选择

在材料选择时基于高密度、高弹性、低导热系数、施工方便的原则，先后选取3种新型材料进行保温性能试验，分别是：①日固力防水隔热保温涂料(陶瓷隔热材质，以下简称日固力涂料)，其特点是拉伸强度达到1.4MPa，具有极好的耐水性，使用寿命在5a以上，参考此类材料厚度取值要求，常用厚度为5mm；②阻燃橡塑海绵保温板(橡塑发泡绵材质，以下简称橡塑保温板),具有柔韧性能好、高弹性、最低温度使用环境-30℃、防潮、易粘贴、施工方便等优点，常用厚度为20mm；③压花方格铝板隔热保温棉(丁腈橡胶材质，以下简称铝板保温棉)保温隔热，防火耐高温，使用温度在-40～300℃，常用厚度为20mm。选择的3种材料实物如图1所示。

图1 试验材料实物图

2 试验方法

2.1 试验系统

本次试验系统如图2所示，主要由以下仪器设备组成：低温冷冻机组、TDS-630数据采集仪、卧式多级离心泵、冻结管以及围压施加装置。其中，低温冷冻机组产生冷源，可使冷媒保持在恒温-35℃；TDS-630数据采集仪测量精度可达±0.03，用来实时监测保温材料外表面(外部测点)和冻结管外表面(内部测点)的温度；冻结管采用

φ

159mm×8mm的无缝钢管，其长度为800mm；在冻结管上外套

φ

324mm×10mm、

L

=500mm的钢管，两端与冻结管密封焊接，通过高压水泵向其环形空间泵入压力水，对保温材料施加围压。

图2 试验系统示意图

2.2 试验方案

试验准备工作如下：首先，在冻结管外表面三等分点布置1测点和2测点，再将保温材料包裹(涂抹)在冻结管外表面；其次，在保温材料外表面三等分点布置3测点和4测点，并在保温材料表面涂上一层厚度约为3mm的沥青，起到防水防渗的作用；然后，使用纱布将沥青进行包裹，使得沥青厚度保持均匀；最后，使用防火材料将其表面包裹，以免焊接施工时产生的火星引起保温材料损坏而影响保温效果，测点布置图如图3所示。

图3 测点布置图

温度测试元件采用热电偶，康铜线从密封出线孔引出之后，将围压施加装置两端焊接在冻结管上，采用高压水泵施加水压。最后，使用冷媒传输管路将低温冷冻机组和冻结管联接起来；采用高压管路将卧式多级离心泵和围压施加装置串联起来。采用本试验系统分别对前述3种材料进行试验，试验过程中，设定每隔10min采集一次测点温度数据。

3 试验结果及分析

按照上述试验方法，采用3种保温隔热材料分别对冻结管进行包裹(涂抹)，然后开启高压水泵通过加压装置对保温材料进行施加水压，确保保温材料受到恒定围压作用，同时启动冷冻机对冻结管供应冷量，冻结试验正式开始运行，实时监测各测点的温度值，冻结试验情形如图4所示。

图4 冻结试验情形

每次试验结束后，及时对采集的试验数据进行分析处理，以分析在施加围压作用下各个材料的保温隔热效果，试验测试结果如图5～7所示。

图5 日固力涂料温度与时间变化关系

图6 橡塑保温板温度与时间变化关系

图7 铝板保温棉温度与时间变化关系

3种保温材料在不同压力相同时间下各测点的温差以及保温效果如表1所示。

表1 保温材料保温效果试验结果

由表1和图5～7可以看出，相同条件下，无论在1.5MPa还是2.5MPa下，橡塑保温板的保温效果比铝板保温棉的保温效果高出4.01℃和2.26℃，比日固力涂料保温效果高出12.13℃和5.51℃，铝板保温棉保温效果比日固力涂料高出8.12℃和3.25℃。说明橡塑保温板保温性能要优于铝板保温棉和日固力涂料。

不同围压下保温材料性能差异的原因在于，围压作用下保温材料微观闭孔结构会受到不同程度的破坏，围压越大破坏程度越大，保护层厚度相应地减小越明显，从而使保温材料在高围压下保温性能呈下降趋势。

此外保温材料性能差异的另一个原因与孔隙中空气的填充有关。保温材料在干燥状态下孔隙由空气填充，孔隙内气体流动性差或不流动，基本不存在对流换热过程，固体骨架的存在也减少了空气之间的辐射传热。因此，保温材料热量传递过程主要依靠固体骨架的热传导以及孔隙中空气的传热两种形式。当围压增大时，孔隙中的空气就会溢出，进而导致了材料保温性能下降。

之前研究在试验室对材料进行保温性能分析时，大都是在无压情况下进行的，虽然得出的数据比较理想，但应用到实际工程中时，发现并没有达到预期的保温效果，这是因为在实际工程中材料在地压作用下微观闭孔结构遭到了压缩破坏，使材料的导热系数发生了变化，所以造成保温材料保温性能的下降。本试验在围压作用下对保温材料进行试验，得到了比较符合工程实际的试验数据，可为实际工程应用提供参考。

4 结论

(1)设计了一套对冻结管保温隔热材料在加压状态下开展保温效果试验的装置。该装置可在围压和恒定冷媒作用下，对相关材料进行保温性能试验研究，具有操作简单、密闭性好、压力易控制等特点。

(2)1.5MPa围压作用下材料保温性能试验结果表明，阻燃橡塑海绵保温板保温性能最好，压花方格铝板隔热保温棉次之，日固力防水隔热保温涂料由于厚度较薄，保温效果不理想。

(3)2.5MPa围压作用下三种材料的保温效果优良顺序与1.5MPa相比没有发生变化，但是随着围压增大，保温效果均出现了下降。综合对比发现阻燃橡塑海绵保温板在围压作用环境下保温效果最佳，可为局部冻结工程保温材料选择提供参考。