直埋蒸汽管道隔热环绝热材料的选用_工程实践

摘要

介绍了直埋蒸汽管道隔热环的设置、作用及技术要求。对目前隔热环采用的绝热材料性能进行了分析比较。

摘要：介绍了直埋蒸汽管道隔热环的设置、作用及技术要求。对目前隔热环采用的绝热材料性能进行了分析比较。

关键词：直埋蒸汽管道；隔热环；石棉板；石棉橡胶；耐高温隔热钢；纳米绝热材料

Selection of Heat Insulation Materials of Heat Insulation Ring Oil Directly Buried Steam Pipeline

ZHANG Jingna，LI Zhi，JI Hongli，LIU Xin

Abstract：The installation，functions and technical requirements of heat insulation ring on directly buried steam pipeline are introduced.The performance of heat insulation materials currently used for heat insulation ring is analyzed and compared.

Key words：directly buried steam pipeline；heat insulation ring；asbestos board； asbestos rubber；high-temperature resistant beat insulation steel；nano heat insulation material

1 隔热环的设置、作用及技术要求

① 设置及作用

隔热环是直埋蒸汽管道中的一个重要组件，它的性能直接影响着直埋蒸汽管道的质量和使用寿命。隔热环在直埋蒸汽管道中的应用类型主要分为：用于滑动支架中的半环型(见图1)和用于固定支架中钢质环板的垫片型(见图2)。在直埋蒸汽管道以上两个部位加装隔热环是为了避免因工作钢管与外套钢管之间通过滑动支架和钢质环板形成热通道，造成外套钢管温度过高，进而造成外套钢管过度膨胀和缩短外套管防腐层的使用寿命。

隔热环在直埋蒸汽管道中主要起到隔热和支撑作用。半环型隔热环放置在工作钢管与滑动支架之间，起到绝热作用。半环型隔热环应具有足够的抗压强度，能够在工作钢管、保温层、工作介质三方总重量下不产生变形，以保证工作钢管的正常工作。垫片型隔热环与钢质环板组成推力构件，在管道运行期间起到限制工作钢管位移的作用。垫片型隔热环应具有更高的抗压强度，要能够承受工作钢管因热膨胀挤压补偿器产生的弹性反力，以及管道的内压产生的推力。

② 技术要求

隔热环的抗压强度与热导率是两个最为重要的参数，直埋蒸汽管道中无论哪个位置的隔热环都需要具备一定的抗压强度，隔热环的热导率直接影响着直埋蒸汽管道局部保温效果和外防腐层的寿命。为了防止保温层中进水而影响隔热环的性能，隔热环还要有一定的防水性，或吸水后强度和体积不会发生明显变化。且隔热环在正常和吸水状态下的氯离子析出量都要符合相关要求，防止隔热环对管道的腐蚀。

通过理论计算，对于半环型隔热环，抗压强度不小于2MPa就可以满足使用要求，对于垫片型隔热环抗压强度要求不小于5MPa，且热导率越低越好。直埋蒸汽管道的介质温度最高可达350℃，因此隔热环的长期耐温能力也必须在350℃以上。

2 隔热环绝热材料的分类及性能比较

目前，市场上的绝热材料种类繁多，我们首先要了解各种绝热材料的性能，然后再结合隔热环的技术指标要求，选择出合适的绝热材料。工程上，我们把热导率(常温下)＜0.3W/(m·K)的材料称为绝热材料，因此热导率大于等于0.3W/(m·K)的材料不予考虑。我们在对各种绝热材料的绝热性能进行比较时，必须是在同一温度下(350℃)，同一抗压强度下，否则比较就失去意义。目前，直埋蒸汽管道中隔热环采用的绝热材料主要有普通石棉板、石棉橡胶、耐高温隔热钢、纳米绝热材料。

① 普通石棉板

由于这种材料为板材，因此在包裹到管道上时成型差，不利于多层包裹，而且容易折断，不易与管道紧密贴合，因此绝热效果差，常导致滑动支架安装不牢固，支撑能力弱，不能满足设计要求。在2000年之前的工程中，普通石棉板应用比较广泛。但实际效果显示：这种材料的绝热效果差，易造成外套钢管局部温度过高，出现滑动支架松动等现象。然而由于其价格低，目前很多小型直埋蒸汽管道生产企业仍采用普通石棉板制作隔热环。

② 石棉橡胶

石棉橡胶是目前直埋蒸汽管道行业中普遍采用的绝热材料，是将耐高温橡胶与高强度石棉板结合在一起，高温橡胶在橡胶中加入云母，从而增强橡胶的耐热老化性能及绝热作用。在2000年之后，天津市管道工程集团有限公司保温管厂承揽的天津、北京、山东、安徽等地的大部分工程，均采用石棉橡胶制作隔热环，能基本满足工程需要。

优点：制作方便，加工期短，成型好，抗压强度高。缺点：石棉环保性差，含致癌物。石棉的热导率比较大，在制作时需要加大隔热环的厚度才能满足设计要求，增加了成本。耐高温橡胶与高强度石棉板的价格非常高，造成隔热环的整体价格偏高。耐高温橡胶存在易老化问题，虽然国内从采用石棉橡胶隔热环开始至今已有10余年的时间，目前还没有出现问题，但是否能达到直埋蒸汽管道要求的25～30年的使用寿命尚不能确定。

③ 耐高温隔热钢

耐高温隔热钢是上海某厂家近年来开发出的一种新产品，是针对石棉橡胶的升级换代产品。它采用镁化合物作为主要原材料，为玻璃纤维带、复合隔热钢和硅酸铝毯叠加形成的层状结构，外层为玻璃纤维带，中间层为复合隔热钢，内层为硅酸铝毯，各层之间相互粘接。中间层复合隔热钢由镁化合物、硫酸钡、芳砜纶浆粕、高纯型陶瓷纤维、膨胀珍珠岩和高硅玻璃纤维、助剂及填充料复合而成，利用模具浇注成型。这种材料在2009年开始应用于天津、山东等地区的工程中，可完全满足设计使用要求，绝热效果良好。

优点：无污染，密度低，抗老化，隔热效果好，抗压强度高，使用寿命长，符合当前环保和低碳经济的要求。缺点：复合隔热钢生产工艺要求高，生产期较长，通过模具浇注而成，需要凝固时间，并需要一定时间的养护，才能保证产品的各项物理性能达到要求，价格较高。

④ 纳米绝热材料

纳米绝热材料由于纳米填料自身的热导率就很小，加之能够传热的纳米颗粒的截面积和接触面积非常小，因此绝热效果优良。此外，纳米绝热材料中的纳米孔硅微粉具有超微细且致密的多孔结构，很难发生气体的流动，因此能够保持极低的热导率。

根据微纳米尺度传热学，介质尺度减小至微纳米级时，导热体可以变成绝热体。即当介质尺度小于热载子(分子、原子、电子、声子、光子等)平均自由程时(在常温常压下空气气体分子平均自由程为70nm)，孔隙内气体分子处于静止状态，气体分子不但不能对流传热，也失去了布朗运动的能力，大部分被吸附在孔壁上。若个别气体分子有热运动，也是直接与孔壁发生碰撞导致能量衰减，而且孔壁又是导热性能极低的薄膜式绝热材料。纳米孔硅微粉的最大孔隙小于50nm，因此可以有效地阻止气体分子热运动。

对于燃烧法或气相法生成的封闭中空纳米孔硅微粉颗粒，其内部是真空的或接近真空，这样就避免或减小了材料中气体分子的热运动。因此，纳米孔硅微粉的热导率很小，常温条件下仅为0.016～0.024W/(m·K)，是理想的绝热材料^[1]。

纳米绝热材料是建立在低密度和超细孔隙(小于50nm)结构基础上的一种新型绝热材料。某纳米绝热材料性能如下：密度200～300kg/m³，抗压强度1.3MPa，使用温度1000℃。热导率：100℃时为0.029W/(m·K)，800℃时为0.04W/(m·K)。这种材料首先被应用于航天航空、核电站，现已应用于冶金、建材、石化、电力等行业。

纳米绝热材料是近两年来新开发的直埋蒸汽管道隔热环绝热材料，经试验测试，隔热效果非常好，完全满足产品设计要求。但由于其价格比较高，基本没有业主选择这种绝热材料，因此在直埋蒸汽管道实际工程中尚未应用。

优点：耐温高，热导率低，绝热效果好。缺点：需要利用模具二次浇注成型，需要一定的养护时间，生产期较长，二次浇注提高了产品热导率。普通纳米绝热材料抗压强度较低，不能满足使用需要，高强度的纳米绝热材料价格昂贵。

3 绝热试验

针对普通石棉板、石棉橡胶、耐高温隔热钢和纳米绝热材料，进行了绝热试验，试样的长×宽×高为80cm×40cm×40cm。将4种绝热材料暴露于温度为(23±2)℃，相对湿度为(50±5)%的环境中，保持24h。将4种绝热材料放置于平板加热器上，加热温度设定为350℃。当温度稳定在350℃后，继续连续加热3h，测量绝热材料冷面温度，并记录测试数据(见表1)。由表1可知，纳米绝热材料的绝热性能最佳。

表1 测试数据