替換保溫材料對(duì)某工程設(shè)計(jì)的改善性分析

周 宏

( 浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江 杭州 310030)

在化工建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常碰到需要輸送或者存儲(chǔ)溫度較高的介質(zhì)，這就需要用到保溫材料，對(duì)設(shè)備管道進(jìn)行保溫，以減少熱損失。保溫材料的選用在于化工建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中只是很小一部分，容易被忽略。一個(gè)合適的保溫材料可以節(jié)省能耗、提高安全性，起到良好的節(jié)能降耗的作用。

1 保溫材料簡(jiǎn)介

所謂保溫是一種使熱量的散發(fā)傳導(dǎo)速度減慢的措施。一般我們常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.2W/(m·K)的材料稱為保溫材料。例如石棉、珍珠巖等。

保溫的主要作用是為了減少供熱介質(zhì)在輸送過(guò)程中的熱量損失，以便節(jié)約燃料，保證供熱質(zhì)量；保溫還有一個(gè)作用是使管道外表面溫度不超過(guò)60℃，避免燙傷運(yùn)行及檢修人員。

因此好的保溫材料應(yīng)具有導(dǎo)熱系數(shù)小，吸水性低,機(jī)械強(qiáng)度較高,在使用溫度范圍內(nèi)不變形、不變質(zhì)、可燃性小、不腐蝕金屬，易施工、成本低的特點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

某廠生產(chǎn)車間用到導(dǎo)熱油加熱甬道。原設(shè)計(jì)中導(dǎo)熱油管道的壁溫大概220℃，導(dǎo)熱油管道直徑DN100，保溫材料采用了巖棉，保護(hù)層采用了鋁皮，已經(jīng)運(yùn)行使用了兩年?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備管道的外觀上，明細(xì)出現(xiàn)了松垮塌陷的現(xiàn)象，尤其頂部保溫層明顯變薄凹陷。導(dǎo)熱油管道進(jìn)出車間的局部管道上出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。導(dǎo)熱油管道法蘭連接處有滲漏，集聚在巖棉保溫層中，引起過(guò)局部悶燒現(xiàn)象，所幸發(fā)現(xiàn)及時(shí)。

3 原因分析

3.1 保溫管道的保溫層局部有塌陷現(xiàn)象

巖棉、泡沫石棉等屬于軟質(zhì)保溫材料，軟質(zhì)保溫材料優(yōu)點(diǎn)是形狀適應(yīng)性強(qiáng)，價(jià)錢便宜；缺點(diǎn)是抗壓性差，易粉化塌陷，吸水吸油性強(qiáng)，再利用率低。由于巖棉、硅酸鋁等纖維類制品靠粘合劑結(jié)合，泡沫石棉用發(fā)泡劑發(fā)泡成型。粘合劑和發(fā)泡劑都是有機(jī)物，長(zhǎng)期受熱易分解，一般使用年限3～4年，3～4年后即使沒(méi)有拆裝過(guò)也會(huì)由于粉化塌陷等原因保溫效果大打折扣，熱損很大。巖棉等軟質(zhì)保溫材料本身強(qiáng)度也不夠，沒(méi)有足夠的抗壓力和抗折的強(qiáng)度，在設(shè)備、管道上應(yīng)用一段時(shí)間后，就會(huì)出現(xiàn)松垮和下墜現(xiàn)象。在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)明顯看到了頂部保溫層變薄，使整體保溫效果顯著變差了。

3.2 在保護(hù)層不嚴(yán)密的地方有蓄水現(xiàn)象，局部管道外殼有腐蝕現(xiàn)象

進(jìn)出車間的管道會(huì)被淋雨，保溫材料的保護(hù)層不嚴(yán)密的地方有蓄水現(xiàn)象，造成了部分管道腐蝕加快，這可能導(dǎo)致未到使用壽命就需要提前更換管道，帶來(lái)不必要的浪費(fèi)。

3.3 測(cè)得保溫層外側(cè)溫度超過(guò)45℃

對(duì)多孔材料而言，當(dāng)它受潮后，液態(tài)水會(huì)替代微孔中原有的空氣；而在常溫常壓下，液態(tài)水的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.59W/(m·K)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.026W/(m·K)，液態(tài)水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，所以含濕材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般大于干燥材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而且含濕量越高，導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)越大。如果在低溫下水分凝結(jié)成冰，由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)約為2.2W/(m·K)，所以結(jié)冰后整個(gè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)也變大。

巖棉保溫材料的親水性比較大，吸濕后導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫性下降，導(dǎo)致保溫層外側(cè)溫度升高，熱損失增大。

3.4 管道保溫層局部出現(xiàn)過(guò)悶燒現(xiàn)象

原設(shè)計(jì)采用的軟質(zhì)巖棉保溫材料，空隙率較大。導(dǎo)熱油系統(tǒng)的管路的法蘭處有少量泄漏時(shí)，泄漏大都被保溫材料吸收了。等到發(fā)現(xiàn)有漏的時(shí)候，前后兩片法蘭之間的整段管子都已經(jīng)吸飽和了。當(dāng)導(dǎo)熱油管外壁溫度較高，導(dǎo)熱油滲漏到保溫層，釋放的熱量被包裹在保溫層中不易導(dǎo)出，而使得其溫度逐步上升，當(dāng)超過(guò)自燃點(diǎn)時(shí)就引起悶燒。

4 解決方案

考慮選擇防水性好，硬度高，導(dǎo)熱系數(shù)較小保溫性好的材料替代原巖棉保溫材料，來(lái)解決現(xiàn)存的問(wèn)題。

硅酸鈣耐火性好，一種不燃原材料，耐火材料等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為A1級(jí)，在遇到火災(zāi)的時(shí)候，板材不燃燒，不會(huì)產(chǎn)生具有刺鼻性氣味兒的毒煙；有良好的防水性能保溫性溫材料；耐熱性好，在使用溫度范圍內(nèi)不變形；保溫性好，導(dǎo)熱系數(shù)比其它硬質(zhì)塊狀絕熱材料低；抗菌防霉耐老化，環(huán)境友好；強(qiáng)度好，屬于硬質(zhì)保溫材料，采用耐堿玻璃纖維、木漿作加強(qiáng)材料，沒(méi)有用到有機(jī)粘合劑。所以強(qiáng)度較好，不容易塌陷。

本案采用硬質(zhì)硅酸鈣替代原有的巖棉作為保溫材料。

5 效果分析

5.1 節(jié)能降耗效果分析

選擇了硬質(zhì)硅酸鈣的保溫材料進(jìn)行更換原有的保溫材料。采用的保溫厚度與原保溫材料厚度相同，對(duì)絕熱層外表面能耗損失進(jìn)行測(cè)算，具體如下：

Q= (T0-Ta)/ { [D1/(2λ)〗 ( LnD1/D0)+1/αs}[1]，W/m2;

Q—— 絕熱層外表面的熱損失，W/m2;

T0——管道外壁的維持溫度，℃；

Ta——環(huán)境溫度 ℃；

λ——保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m℃)，；

D1——絕熱層外層，m ；

D0——管道外徑，m；D1= D0+2δ；

δ——保溫層厚度，m；

Ln——自然對(duì)數(shù)；

αs——保溫層外表面向大氣的散熱系數(shù)，W/(m2℃)。

外表面換熱系數(shù)αs=αr+αc。

式中：αr——絕熱結(jié)構(gòu)外表面材料輻射換熱系數(shù)[W/(m2·K)]；

ε——絕熱結(jié)構(gòu)外表面材料的黑度，ε為鋁皮，取0.3.;

Ts——絕熱層外表面溫度，℃。

無(wú)風(fēng)時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)αc：

式中：αc——對(duì)流換熱系數(shù)[W/(m2·K)]；

D1——絕熱層外徑，m。

節(jié)能降耗效果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 節(jié)能降耗效果對(duì)比

說(shuō)明：從以上每平方米絕熱層外表面表示的熱損失量計(jì)算結(jié)果可知，散熱損失都小于《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50264-97 附錄B“當(dāng)設(shè)備管道外表面溫度T 0為220℃時(shí)，絕熱層外表面最大允許熱損失量Q 值常年運(yùn)行工況123W/m2”；保溫層的設(shè)計(jì)厚度及選用材料正確合格。

從巖棉改用硬質(zhì)硅酸鈣為保溫材料后，保溫材料外側(cè)的散熱損失減少了36.9(W /m2)。

按車間內(nèi)導(dǎo)熱油管道1000m計(jì)，管徑DN100，保溫層厚度100mm計(jì),經(jīng)計(jì)算保溫材料外側(cè)的散熱損失減少了：36.9×3.14×0.333×1000×860/1000=33181.7kcal/h。

天然氣的熱值以8400(kcal/Nm3)計(jì)；1kW=860kcal/h；天然氣單價(jià)按3.2元/ Nm3計(jì)；連續(xù)工況，按一年7200h計(jì)。

從巖棉改用硬質(zhì)硅酸鈣為保溫材料后，經(jīng)測(cè)算一年可以大約節(jié)約費(fèi)用：33181.7×7200/8400×3.2=9.1萬(wàn)元。

5.2 安全性分析

5.2.1 悶燒可能性降低

在原車間中，發(fā)生過(guò)保溫層悶燒現(xiàn)象，所幸及時(shí)發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)采用硬質(zhì)硅酸鈣作為保溫材料，硬質(zhì)硅酸鈣吸油率較小，大大減少了吸飽滲漏的油的可能性，也減少了悶燒可能性。以下是做了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試的數(shù)據(jù)：采用尺寸相同保溫材料進(jìn)行浸油試驗(yàn)；試驗(yàn)用油為90#柴油；油滲透的時(shí)間為24h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表2：說(shuō)明憎水硅酸鈣的吸油率約9.5%，巖棉的吸油率約250%，憎水硅酸鈣的吸油率遠(yuǎn)小于憎水硅酸鈣的吸油率。

表2 保溫材料吸油量的測(cè)定

5.2.2 強(qiáng)度增大，不易塌陷

現(xiàn)有硬質(zhì)硅酸鈣作為保溫材料，材料的硬度較好，是無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱材料中強(qiáng)度最高的保溫材料。不容易塌陷而造成保溫效果下降。

6 結(jié)論

本案將原來(lái)的巖棉保溫材料用硬質(zhì)硅酸鈣替代，節(jié)約了能耗，節(jié)省了生產(chǎn)費(fèi)用，增加了運(yùn)行的安全性。在工程設(shè)計(jì)中，保溫材料的選擇也是設(shè)計(jì)的一部分，合適的保溫材料，可以節(jié)能減耗，降低運(yùn)行費(fèi)用，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加以重視。