LNG加气站管道保冷材料的选择及应用 - 图文

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LNG加气站管道保冷材料的选择及应用

摘 要

LNG加气站中有大量的低温深冷工艺，装置中包含大量低温深冷的管线和容器设备。装置运行的成本与其冷量损耗问题直接相关，可见找到一种合适的保冷方式非常重要。在现行运用比较多的保冷方式中，真空管的运用取得了较好的效果，但是其成本及维护费用高，也存在一些维护方面的操作问题。因此，在研究工作中希望找到一种即满足加气站装置保冷要求，又能达到成本及维护费用低的保冷材料。

泡沫玻璃和聚氨酯泡沫塑料是国内外现在比较常用的保冷材料，两者在使用寿命、绝热、防霉、防水、防腐蚀等多方面存在着问题。在材料的选择方面，通过全面调查，由德国阿乐斯国际有限公司研制开发的Armaflex低温保冷体系，是一种各项性能比较优越的保冷方式，其材料为丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物的组合。本文在分析了真空管保冷方式存在的问题，探讨了各保冷材料各项性能的优劣，文中对保冷材料的热力分析做了大量工作，为绝热设计提供了理论前提。研究中结合热力分析结果及材料各性能的对比分析，证明了Armaflex低温体系是适合LNG加气站的高质量保冷方式。

本文以LNG管道保冷材料的选择为主要研究对象，其研究成果已经部分应用于LNG加气站，取得了很好的效果，这证明了本次研究的思路以及方法的正确性。希望本次研究能够对《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2012）进一步完善，特别是LNG加气站安全运行带来积极地影响。

关键词 低温深冷； 保冷材料 ；绝热设计； LNG；

I

Abstract

Liquid Natural Gas (LNG) filling station has a lot of cryogenic technology, the devices contains a large number of cryogenic piping and vessel equipments. The cost of the devices is directly related to the cold loss, showing that it`s important to find a suitable clod insulation way. In the existing cold insulation way, the use of vacuum achieved good results, but there are some problem in it`s cost and maintenance. Therefore, in this study we wanted to find the material, which not only meet the requirements of stations`s cold storage, but also remain low cost and convinience to maintain.

Foam glass and polyurethane foam is the most commonly used cold insulation material at home and abroad now, but these two materials has some problems in service life, heat insulation, waterproof, mildew and corrosion, etc.. In the aspect of material selection, with a comprehensive survey, the German Alesi International Co Ltd developed Armaflex system at low temperature, cold insulation mode is a kind of the superior performance, the material is the NBR closed cell polymer at low temperature and low temperature close combination of diene global polymer. This paper analyzes the existing vacuum tube cold insulation problems, discussed the performance of the cold material, and has done a lot of work in thermal analysis of the cold insulation materials, including the analysis of the variable thermal conductivity material, the calculation formula of thermal analysis. Through the calculation of some outer wall temperature condition, the theoretical thickness of cold insulation materials, to compare the cold insulation performance. The study also use the commercial numerical software Fluent to make a numerical simulation of LNG cold insulation material in cold, obtained the temperature field, provides the theoretical premise for the insulation design. Comparative analysis on thermal analysis results and in combination with various material properties, proved that Armaflex system at low temperature

is

suitable

for

high

cooling

quality

in

LNG

filling

station.http://fanyi.http://www.wodefanwen.com//translate?query=?3??2??????II

????è???°¨é?ˉ?3??2?????????ˉ???????¤???°??¨?ˉ?è???????¨????????·???????????¤è????¨?????¨?ˉ????????????-???é?2é?????é?2?°′???é?2è??è???-??¤???1é?￠?-% - ## This paper consider LNG pipe cold insulation material selection as the main research object.the research results have been applied to some LNG stations.and very good results have come out, which prove the correctness of this research ideas and methods. Hopefully, this research work is able to help improving the \station design and construction specification\(GB50156-2012), and contribute to LNG filling station safety.

key word: low temperature；cold insulation material；adiabatic design; LNG;

III

目 录

摘 要 ...................................................... I Abstract .................................................... II 1 绪论 ...................................................... 3 1.1课题的研究背景和意义 ........................................... 3

1.1.1LNG发展概况 ........................................... 3

1.1.2 LNG管道保冷的目的和意义 .............................. 3

1.2相关工作回顾和研究现状 ......................................... 7 1.3本文主要工作 ................................................... 8

2真空管在LNG保冷中的运用 ................................... 10 2.1 真空管的绝热原理及安装工艺 ................................... 10 2.2 真空管的制造工艺 ............................................. 11 2.3真空管在LNG保冷中的优越特性 .................................. 12 2.4 真空管在LNG保冷中存在的问题 ................................. 13 2.5 本章小结 ..................................................... 14

3 真空管替代材料的研究 ....................................... 15 3.1确定备选材料 .................................................. 15

3.1.1 硬质聚氨酯泡沫塑料 .................................. 16 3.1.2 泡沫玻璃 ............................................ 16 3.1.3 丁晴橡胶与二烯烃低温闭泡聚合物 ...................... 17

3.2 针对保冷材料的热力分析与计算 ................................. 17

3.2.1 导热系数分析 ....................................... 17 3.2.2 保冷管道热力计算公式分析 ........................... 20 3.3.3 保冷管道保温层厚度计算及数值模拟验证 ................ 24

3.3性能对比与材料选择 ............................................ 29

3.4 本章小结 .............................................. 31 4 Armaflex 低温保冷系统 ...................................... 32 4.1 Armaflex 低温保冷系统性能分析 ............................... 32

4.1.1 Armaflex 低温系统简介 .............................. 32 4.1.2 机械结构完整性 ..................................... 33 4.1.3 抗水汽渗透性 ....................................... 34 4.1.4 内置膨胀伸缩性 ..................................... 35

1

4.1.5 吸音绝热系统 ....................................... 36

4.2 Armaflex低温系统安装工艺 .................................... 36 4.4 本章小结 ..................................................... 38

5 新型保冷材料在青岛某LNG加气站的应用及保冷改造的效果评价 .. 38 5.1 外观评价 .................................................... 38 5.2 应用及保冷改造处理 ........................................... 39

5.2.1 复杂部分处理 ....................................... 39 5.2.2 接缝等细节部位处理 ................................. 39 5.2.3 材料品质保障及配套辅材 ............................. 40 5.2.4 防潮特性 ........................................... 41

5.3 节能效果及分析 ............................................... 41 5.4 本章小结 ..................................................... 42

6 结论与展望................................................. 43 6.1主要结论 ..................................................... 43 6.2 展望 ......................................................... 44

参考文献 .................................................... 45 致谢 ........................................................ 47

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1 绪论

1.1课题的研究背景和意义 1.1.1LNG发展概况

LNG是气田生产或煤制天然气经过脱水等预处理工序，然后经深冷液化而成的低温液体，温度约-162℃。随着世界经济的迅猛发展和我国能源结构的调整，以及日趋严峻的环保要求，对绿色能源的需求越来越大。特别在交通领域，LNG作为柴油的替代品，具有减少颗粒物、氮氧化物等有害气体排放的优势，在重卡密集地区对改善空气质量具有非常显著的效果。因而近几年LNG在交通领域替代柴油的应用十分广泛，LNG汽车加气站也如雨后春笋般发展起来。

液化天然气（LNG）的生产是气田开采或煤制的天然气经脱水脱酸和重烃类气体，经深冷液化后得到的，液化后的体积只有常温下天然气体积的 六百分之一左右。由于脱水脱酸压缩液化后有利于远距离输送、降低天然气储存成本、避免因压力过高而产生安全隐患，并且杂质含量更低、更环保，所以LNG生产已成为各国能源发展的重点项目之一。LNG 法也是目前天然气远洋运输的主要手段，目前占天然气总运输量的 25%[2]。

由于LNG 便于运输，给LNG 的应用普及带来了可能。近年来，中海油、中石化、中石油以及新奥、港华等燃气企业都在大规模布局LNG 汽车加注站。

1.1.2 LNG管道保冷的目的和意义

天然气特点之一就是清洁高效，由于其充分燃烧后生成CO2、H2O 等无害物质，所以天然气能源满足了我国既要经济快速发展又要对环境影响较小的要求。我国除了西气东送等气态形式天然气的利用外，液化天然气LNG的应用也日益重要，在我国很多地区，城市居民天然气供应存在巨大峰谷差，为冬季天然气供应带来很大困难。LNG体积只有气态的六百分之一，加温气化后，能迅速补充管网内的天然气，弥补冬季用气高峰时产生的巨大缺口。我国目前已经建成和在

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建拟建的LNG接收站能力已经接近1000万吨/年。正在通过大量采购国外天然气资源以补充中国经济发展和人民生活质量的提高对能源的需求。同时改善环境惠及民生。天然气在加工处理和液化、运输过程中采用大量低温深冷工艺。良好的低温绝热措施可降低液化天然气的气化损耗和冷量损失，在行业内受到特别的重视，管道的绝热保冷设计是一个非常重要的课题。材料的保冷设计选取不合适，不仅会造成投资浪费，还会影响到液化天然气的正常使用[3]。

低温设备及管道保冷简称保冷，而热力设备及管道保温简称保温，两者在工程上合称为绝热。通常按设备及管道贮存和输送的介质温度划分，把介质温度低于常温的绝热措施称为保冷，把介质温度高于常温的绝热措施称为保温。绝热是利用一些具有特殊性能的工程材料构成的绝热结构来减少其结构内外因温差形成的热流传递的措施。绝热的目的是满足工艺生产，保持和发挥生产能力；减少冷(热)损失，节约能源；以及防止表面凝露或烫伤，改善工作环境等。因此，同属于绝热工程的保冷和保温具有基本相同的绝热原理、基本相同的绝热结构与绝热措施以及基本一致的绝热目的。习惯上常将保冷与保温统称为保温。

保冷区别于保温，主要有三点：一是传热的方向相反，保冷是由外向里，保温则是由里向外，因此保冷工程不仅受到外部热流向内传递的影响，同时受到外部环境的湿空气所含的水蒸气向内渗透的影响；二是保冷采取的结构，由于要阻止外部水蒸气向内渗透，需要在保冷层外敷设防潮层；三是保温介质常用一次能源(指煤、油等)，保冷介质常用二次(蒸汽)或二次(电)能源，由于设备折旧及能源多次转换消耗，冷价一般为热价的4—6倍，因此减少单位冷损失对于节约能源具有更高的经济附加值。今年由保冷和保温的三点区别衍生出几类课题：水蒸气渗透的传湿理论、防潮材料的选择与防潮层设置的技术措施以及保冷防潮设计计算与施工的相关技术问题等。

绝热材料是一种轻质的绝热性能优良的材料。在工程上，通常把室温下导热系数低于0.2W/( m·K)的材料称为绝热材料。而对于设备及管道绝热，相关国家提出了更严格的限定：当用于保温时，其绝热材料及制品在平均温度小于等于623K(350℃)时，导热系数值不得大于0.12W/( m·K)；当用于保冷时，其绝热材料及制品在平均温度小于等于3OOK(27℃)时，导热系数值不得大于0.064W/( m·K)。

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绝热材料种类繁多，常见常用的有： 1玻璃棉

玻璃棉是采用天然矿石如石灰石、石英砂等，配以其他化工原料如纯碱、硼酸等粉状玻璃原料，在熔炉内经高温熔化，然后借助离心力及火焰喷吹的双重作用，使熔融玻璃液纤维化，形成棉状材料，即所谓离心玻璃棉。玻璃棉的化学成分属于玻璃类，是一种无机质纤维。具有体积密度小、导热系数小、吸声性能好、不燃、耐热、抗冻、耐腐蚀、化学稳定性好等良好的特性。

2膨胀珍珠岩

膨胀珍珠岩是一种多孔的粉末状物料，是以珍珠岩矿石为原料，经过破碎、分级、预热、高温焙烧、瞬时急剧加热膨胀而成的一种常用的轻质、多功能绝热材料。

3泡沫玻璃

泡沫玻璃是以磨细玻璃粉为主要原料，再添加发泡剂，经特殊加工处理而制成。它具有均匀、独立密防潮、防火、防腐、抗老化等性能，在易潮及有化学侵蚀等环境下的绝热工程中具有明显优势。

4硬质聚氨醋泡沫塑料

硬质聚氨醋泡沫塑料，是用聚醚或聚醋多元醇与多异氛酸醋为主要原料，再加胺类和有机锡催化剂、有机硅油类泡沫稳定剂、低沸点氟烃类发泡剂等，经混合、搅拌产生化学反应而形成的一种绝热材料。

5聚苯乙烯泡沫塑料

聚苯乙烯泡沫塑料，由可发性聚苯乙烯树脂(EPS)，经预发泡、熟化、热压发泡成型，形成与模具形状相同的泡沫塑料制品。它具有表皮层和中心层构成的蜂窝状结构，表皮层不含气孔，而中层内则有大量封闭气孔。聚苯乙烯泡沫塑料对水、海水、弱碱、弱酸、植物油等都相当稳定。但可被石油系溶剂浸蚀，可溶于苯、醋、酮等溶剂中，因而不宜用于可能和这类溶剂接触的场合，油质的漆类对它有腐蚀或可能使材料软化。因此在选择涂敷材料和粘合剂时，不应有过多的溶媒。最好选用乳胶型的涂料或粘合剂，或用市场上销售的聚乙烯醇粘合剂、苯乙烯、丁二烯、冷凝的环氧树脂等。聚苯乙烯树脂属热塑性树脂，在高温下容易软化变形。

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6酚醛泡沫塑料

酚醛泡沫塑料，是用酚醛树脂为主要原料，加低沸点液体发泡剂、碘酸类催化剂以及保持泡沫稳定和均匀的各类表面活性剂，经混合、搅拌产生化学反应而形成发泡体。酚醛泡沫属难燃材料，火焰一离开即自熄。在火灾的情况下不会熔融，无滴落物，因此不会使火灾事故扩大加剧。其力学强度随密度的增加而增大，低容重制品的强度低，绝热效果也稍差。在耐腐蚀方面，除了能被浓硝酸和强碱侵蚀外，抵抗其他无机酸、有机酸、氨水和盐类的侵蚀能力较强，强有机溶剂如苯、丙酮可使它软化，但无显著的溶解现象。

7聚氯乙烯泡沫塑料

聚氯乙烯泡沫塑料是以PVC树脂为主体，添加适量的高分子改性剂、热稳定剂、发泡剂和增塑剂，经过低速或高速混合机混匀，经预塑造粒或压片，再采用模压发泡、挤出发泡或注射发泡而制成的一种泡沫塑料，也是一种用途广泛的绝热材料。

8泡沫橡胶

泡沫橡胶通常指具有多孔状结构的橡胶，也称为微孔橡胶、海绵橡胶或多孔橡胶。泡沫橡胶大多数以天然橡胶、合成橡胶为主要原料，加入发泡剂、硫化剂、促进剂、填允剂等辅料。配合胶乳熟成，起泡、匀泡和胶凝，注模和硫化，水洗和干燥而成。或对于干胶类，经塑炼、混炼、热炼、硫化发泡、停放收缩而成。它具有良好的隔热、隔音、缓冲和减震性能，耐疲劳、耐候性好，相对密度小，特殊情况下根据需要也可制得满足阻燃、耐油要求的制品。

以上绝热材料的基本性能都包括结构性能、力学性能、热物理性能、化学性能等。根据材料使用对象的不同，对其性能的要求会有所不同，但一般都以材料密度小、机械强度大、化学稳定性好、导热系数小。且疏松、多孔 [5]、并能长期承受工作温度为其必须具备的性能。其中，材料的导热系数是绝热材料最重要的性能指标。在各种低温设备及管道设备的绝热材料厚度相同时，导热系数越小，冷损失就越小，则保冷效率就越高[6]。

LNG 在生产过程中会消耗大量的能源，目前国际上每生产1 吨 LNG 需要消耗约 850kWh 左右的电力，相当于 0.314 吨标准煤；在 LNG 冷能高效综合利用方面，1 吨 LNG 在 9MPa 下气化时所释放的冷能相当于330kWh 左右电力，相当于 0.122 吨标准煤[7]。由于LNG有可观的冷量储备,做好管道保冷工作可以有效提高能量的利用效率,因此做好LNG管道保冷的工作就相当于相应国家节能政

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图2-2 真空多层绝热结构

1—内管1 2—封圈 3—支撑 4—波纹管 5—外管 6—内管2 7—吸附袋带和吸附剂

8—真空接头 9—端板 10—密封圈 11—珠光砂 12—薄膜 13—连接套

真空多层绝热管外边的缠绕材料及接触真空管的支承块均要经过不同工艺脱脂。在真空管预抽真空前, 需要将真空管内外壁均被加热到100-110 ℃,较高温度可以使得金属放气并且能使附着在工件上的少量气体被释放出来，以达到较好的真空。将真空管抽真空后，还要在管内充填高纯二氧化碳,使二氧化碳尽量充满夹层，然后再将充入的二氧化碳抽出；当抽到合适的真空度时, 再次充入高纯度二氧化碳, 当真空腔内的压力升高到略高于大气压力时, 再抽真空。如此返复充气抽气二至三次后, 再最后封结。

在真空腔内如此充填高纯二氧化碳并不会增加腔内对流换热，而是作为冷凝气更有利于抽真空, 二氧化碳的凝固点较高，当内管输送低温的液化天然气时, 二氧化碳的温度就会降到凝固点以下，立即凝结成固体,使真空腔内的真空度容易达到甚至超过绝热管道的基本要求, 有利于降低真空封结时对真空度的要求。

2.3真空管在LNG保冷中的优越特性

1、保冷特性

真空多层绝热，是一种在真空绝热空间中交替安置许多层平行于冷壁的具有高反射率的辐射屏和具有低热导率的间隔物，从而大幅度减少辐射而达到高效绝热目的的一种绝热结构，俗称真空管。

真空绝热能有效降低对流传热；真空管中基本已经将空气抽排干净。没有流体则不存在流体流动，从而降低了对流传热 。对于保冷设备，对流换热会加速热损失，是不容忽视的一部分。而对于低温深冷保冷的设备，更需要考虑对流换热的存在。而真空管从本质上杜绝了对流换热的产生，这是一个绝对的保

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冷优势。

真空管中的多层绝热层能有效地减少辐射传热；在理想的情况下，多层绝热中的辐射热流的减少与装置的辐射屏数量有关，辐射热流减少则绝热效果提高。研究表明辐射屏越多，辐射热流就越小。在实际工程中，多层绝热系统辐射屏采用的都是镀铝的聚脂薄膜或铝箔等，辐射屏之间的间隔物采用的是非金属材料，因此影响多层真空绝热管辐射传热的主要因素有材料的发射率、吸收系数以及散射系数和厚度等，其多层绝热层已经将绝热效果得以保证，其导热系数低于所有保冷材料。金属表面的状态对其辐射特性也有很大的影响。对于洁净而抛光的表面，其发射率低于粗糙表面。粗糙或者有污垢的表面将会使发射率增大。假如材料表面有一层比较厚的氧化膜，那么会导致其发射率增大，基本和非金属差不多。因此，低温绝热装置中采用了洁净而抛光的辐射表面，尽量将辐射传热减少到最小。

不锈钢外壳可防止空气中水分的渗入。在保冷材料中，水分的深入会使得保冷失效。而真空管的外壳为不锈钢，其密封严密，水分无法渗入，因此，杜绝了水分引起保冷失效。

2、安装与维护

真空管的绝热性能好，其导热系数低于所有的保冷材料。因此在生产设计中，其外径也相对小很多，较小的外径意味着仅需较小的安装空间，较小的穿墙和管道支架成本；在工程中显得很干净利索。

真空管以管段的形式生产居多，在安装过程中管段之间通过真空法兰连接或焊接连接，安装及维护方便。

2.4 真空管在LNG保冷中存在的问题

真空多层绝热结构虽然有非常好的绝热效果,在实际工程应用中也得到了较好的验证，但真空管的制造工艺复杂, 导致成本较高, 对于输送高压低温液体管道更是对真空管有较高的要求。实际应用时, 要综合考虑成本和施工工艺等诸多方面的因素。

真空管不能做到绝对的密闭性，时间一久，会有少量的空气通过细微缝隙进入空腔内，导致真空度降低，是保冷性能受到破坏，因此真空管需要定期抽真空，

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否则真空度下降会导致能量损失大，严重时使得加气站无法加气，影响加气站的正常工作运转。按要求，1-2年须对真空管抽一次真空度。

真空管容易受到物理损伤，一旦受到损坏或因其他原因导致漏冷后必须拆除进行返厂维修，维修成本高，并且维修期间加气站需停止生产，这将影响客户满意度和公司效益。这对于公司来说是不容忽视的问题。

安装要求高。真空管道上的抽空部分容易因安装、运输或吊装时受到碰撞损伤而损坏，严重时将致使工程停工，产生较大的经济损失。

近年来出现过很多加气站由于真空管真空失效被迫停产的案例，因此针对LNG加气站的运行环境和行业特点，寻找真空管的替代方案，具有十分必要的现实意义。

综合以上分析，真空管虽然能达到较好的保冷效果，但是其突出的问题较为尖锐。因此，我们希望找到一种成本低且维修费用低，并且能保证保冷效果的保冷方式。通过对已有的保冷材料以及新材料的研究，我们找到了真空管的替代材料。

2.5 本章小结

本章对本公司加气站现行使用的保冷方式进行了综合分析，包括保冷原理，施工工艺，以及优缺点的综合评价。得出真空管虽然具有较低的导热系数，但是其成本和维护费用高，其维护也比较复杂。因此，从公司效益方面出发，应该寻找更好的替代方式。

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3 真空管替代材料的研究

由第2章分析可知，尽管真空多层绝热结构有很好的绝热效果,但因其需要定期抽真空，故制造工艺复杂、维护成本高且保冷效果得不到保障[30]。因此，在真空管道的实际应用中,考虑到施工工艺、成本及使用效果等方面因素的影响，真空绝热管存在诸多问题，寻找替代真空绝热管的保冷材料成为急需解决的问题。

3.1确定备选材料

液化天然气具有-160℃的超低温特性，因此其输送过程与一般的液体输送不同[31]。在加气站的实际运行中，液态天然气一般先储存在储气罐中，通过输送管道给各用气设备加气。由于液化天然气的低温特性，其在输送过程中会吸收环境热量而汽化。若不用真空绝热管运输，则在管道外必须加设保冷材料。保冷材料需要考率多方面因素以满足保温要求，同时还要保证在实际运用中能持续保持保温效果以及其他各项要求。

按照GB/T22724《液化天然气设备与安装陆上装置设计》的标准，可以从吸气率、易燃度、温度梯度低温性能、绝热材料对潮气的敏感性等几个方面来选择绝热材料的质量和类型。此外，结合国内已建LNG气化（液化）站、加注站的经验，液化天然气的管道保冷材料应主要考虑以下几方面的性能：导热系数、防火性能、吸水及吸湿性能、水蒸气阻隔性、线性收缩、工作温度适应性、机械强度等[32]。

通过对各种材料性能的对比及各厂、站所使用材料的调查分析，初步选用硬质聚氨酯泡沫塑料、泡沫玻璃、二烯烃低温闭泡聚合物、丁晴橡胶低温闭泡聚合物为备选保冷材料[33]。其中，硬质聚氨酯泡沫塑料和泡沫玻璃在工程实际中已有运用并且取得了一定的实际效果。而二烯烃低温闭泡聚合物和丁晴橡胶低温闭泡聚合物为新型材料，在保冷工程中配合使用。在确定最终材料前，我们需对各材料的性能进行全面的对比与分析。

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3.1.1 硬质聚氨酯泡沫塑料

硬质聚氨酯泡沫塑料是以聚醚或聚酯多元醇与多异氰酸酯为主要原料，再加入催化剂、稳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材料[34]。其密度为30~60kg/m3，强度高，有一定的自熄性。其导热系数小于空气（在-60℃以下其导热系数呈直线下降[30]），孔腔的闭孔率可达80%~90%，故吸水性差，且吸潮对其导热系数的影响极小。硬质聚氨酯泡沫塑料尺寸稳定性好，可根据根据管道外径和绝热层厚度，现场喷灌施工或由预制厂预制成型材再安装，其外周还需要有防潮措施和防护外套

[35]

。

硬质聚氨酯泡沫塑料常用来在低温范围内进行保温，使用温度一般为-100~100℃，不适用于-196~ 90℃交变温度范围内的气体液化设备、液化气船及低温液体输送管道[30]。可用于液氧、液氮和液氩低温液体输送管路以及空分设备产品中温度不太低的管道绝热。在生产实践中，硬质聚氨酯泡沫塑料得到了广泛的应用并且效果显著，如采用该材料对40m3的液化乙烯槽车进行保冷,汽化率仅为0.1%[30]。

硬质聚氨酯泡沫塑料安全可靠，造价可行，无需过多的维修，且在机械损伤后修复简便，应用于低温下的聚氨酯泡沫塑料几乎不必担心其寿命问题[36]（使用寿命的对数和温度的倒数大致上呈直线关系）。因此，硬质聚氨酯泡沫塑料成为目前应用最广泛的有机保温材料。

3.1.2 泡沫玻璃

泡沫玻璃是以平板玻璃为主要原料，经粉碎掺碳、烧结发泡和退火冷却加工等工艺处理后制成。它具有多孔结构，孔隙率高达80%~90%，且气孔为独立密闭，具有良好的绝热性能，其使用温度范围为-200~400℃。作为隔热材料，泡沫玻璃具有特殊的优势：机械强度高，防潮、防火、防腐，不仅可用于保温，还也用作保冷[37]。

泡沫玻璃最早由美国彼兹堡康宁公司发明，将石英砂矿粉或碎玻璃粉清洗、晾晒、熔化、发泡，生成了质轻、具有独立闭孔的发泡体。泡沫玻璃最初应用于石化、造船、冷藏、地下工程、国防工程等领域。国内的青藏铁路沿线上也大量

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运用了泡沫玻璃。由于泡沫玻璃重量轻、保温性能好、耐老化、不吸水、易粘结，建筑师们将其推广到了建筑上，避免了其他保温材料存在的吸水率高，耐久性差的问题。

泡沫玻璃具有良好的加工性，可生产着色制品[38]。按制品外形的不同，泡沫玻璃可分为分为平板（P）和管壳（G）；按密度可分为150号（密度小于等于150kg/m3）和180号（密度介于151~180kg/m3之间）两种，可根据实际管道需求进行选择。

3.1.3 丁晴橡胶与二烯烃低温闭泡聚合物

丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物由德国阿乐斯国际有限公司研制开发，其组合的系统为Armaflex低温体系，是专门针对低温深冷工况进行保隔热的高性能绝热系统。它能够提供非常好的绝热保冷功能、而且能大大降低对腐蚀管道的风险，也能减少安装施工所需要的时间。

3.2 针对保冷材料的热力分析与计算

要确定一种保温材料是否满足要求，首先应对材料进行热力计算分析。热力分析需要考虑导热性，对其导热系数进行研究与分析，针对其导热性确定热力计算方法，并对相关参数进行计算与讨论。

3.2.1 导热系数分析

要确定一种保冷材料的使用，需要对其厚度进行计算。保冷材料在介质与环境之间的热传导能力决定保冷材料的厚度。英国标准BS5970指出，应选用导热系数较低的材料，才能达到最佳绝热效果。在给定热损耗的条件下，导热系数低的材料比导热系数高的材料保冷层更薄，在应用中也会有更大的优势。

以下为各备选材料导热系数的分析： 1、硬质聚氨酯泡沫塑料

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图3-1硬质聚氨酯泡沫塑料导热系数

与温度的关系图

硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数与温度的关系如图3-1所示，由于在热工计算时，导热系数为温度的二次以上函数的情况求解困难，因此对该曲线进行分段，拟合成一次函数。当温度为-165℃至-60℃，- 60℃至0℃，0℃至50℃，导热系数与温度可以简化成线性关系，得到关系式如下：

??0.000t10?.02 8 （-165℃≤t≤-60℃） （3-1）

???0.0000667t?0.018 （-60℃≤t≤0℃） （3-2）

???0.0000t8?0.01 8 （0℃≤t≤50℃） （3-3）

当温度处于-165℃至-60℃之间时，导热系数随温度升高呈线性递增，当温度处于-60℃至0℃之间时，导热系数随温度升高呈线性递减，当温度处于-0℃至50℃之间时，导热系数随温度升高呈线性递减。在LNG保冷管道的使用温度范围内，硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数最高值不超过0.025W(m·k),可见其保冷效果是非常好的。

2、泡沫玻璃

图3-2 泡沫玻璃导热系数

与温度的关系图

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??0.00040t?.122 （-170℃≤t≤-140℃） （3-4） ???0.00040t?.01 （-140℃≤t≤-90℃） （3-5）

??0.000175t?0.06175 （-90℃≤t≤50℃） （3-6）

泡沫玻璃的导热系数随温度变化关系可以分为三个区间进行一次函数拟合。当温度处于-170℃至-140℃之间时，导热系数随温度升高呈线性递增，当温度处于-140℃至-90℃之间时，导热系数随温度升高呈线性递减. 当温度处于-90℃至50℃之间时，导热系数随温度升高呈线性递增.在LNG保冷管道的使用温度范围内，泡沫玻璃的导热系数处于0.04~0.07W/(m·k)之间，单从导热系数分析，其保冷效果应该比硬质聚氨酯泡沫塑料要差。

3、丁晴橡胶低温闭泡聚合物

对于丁晴橡胶低温闭泡聚合物的推荐适用范围为-50℃至+105℃。在新保温材料中，它有在较高温度区间能保持较低导热系数的特点，因此适合做LNG管道的外保冷层。由生产厂家提供的实验数据得出其导热系数与温度的关系如图3-3所示：

图3-3丁晴橡胶低温闭泡聚合物导热系数

与温度的关系图

其导热系数与温度的函数关系如下：

??0.0001t?0.033 (-50℃≤t≤50℃) （3-7）

丁晴橡胶低温闭泡聚合物的导热系数与温度的关系呈一次函数递增。在在LNG保冷管道保温层的使用温度范围内，其导热系数处于0.028~0.036W/(m·k)之间，从导热系数分析，其保冷效果还是比较好的。

4、二烯烃低温闭泡聚合物

如图3-4为二烯烃低温闭泡聚合物导热系数与温度的关系图，其导热系数在

19

低温区比较低，且在低温区其各项性能优势突出，因此适合做LNG管道的内保冷层。

图3-4 二烯烃低温闭泡聚合物导热系数

与温度的关系图

??0.0001077t?0.0387 （-165℃≤t≤-100℃）

（3-8）

(-100℃≤t≤0℃)

??0.00012t?0.04

（3-9）

二烯烃低温闭泡聚合物的导热系数与温度的关系可分为两各区间，关系呈线性递增。其建议使用温度范围为-200℃至+125℃，但是随着温度升高其导热系数增加明显，因此适合做保冷层的内层。

3.2.2 保冷管道热力计算公式分析

保冷层的导热问题归为柱坐标系中的导热问题。圆柱坐标系中一般的导热微分方程如下：

t?tt?t?cr??rrrr??zz式中:

ρ—保温材料的密度，kg/m3; c—保温材料的比热容，J/(kg·K); λ—保温材料的导热系数，W/(m·K); t—温度，℃；

???????1????1????????? （3-10） ????2??????????????

20

r—半径，m; φ—角度，o；

在工程中，LNG管道内液态天然气的温度基本保持不变，设环境温度恒定，则管道的传热过程为稳态导热过程，温度对时间的倒数为零。该过程可以简化为常物性、无内热源的一维导热问题。因此：

—内热源，W；

DDd

?c?t?0 (3-11) ??1???t?? 2???0 (3-12) ?????r???t?0 (3-13) ?z??0 (3-14)

? 对于单层保温材料，为单层圆筒壁的导热分析。如图2-1为通过单层保温材料的圆筒壁的导热。

图3-5 通过单层圆筒壁的导热

导热微分方程简化为

1???t??r??0 (3-15)

r?r??r??边界条件：

r =r1 , t=t1 ;

r =r2 , t=t2 .

21

由于λ在很多情况下并不是定值，因此需要以变导热系数来对式（3-15）求解。设λ为温度t的一次函数，即：

???1?bt? (3-16) 0?对（3-15）式连续两次积分，得：

b2 (3-17) t?t?cclnr2?12

式中，c1和c2由边界条件确定。将边界条件分别代入式（3-17），得：

b2 (3-18) ttcclnr1?1?2?112b2 (3-19) ttcclnr2?2?2?122联解式(3-18)、（3-19）得：

??1b22?t?t?t?t c (3-20) ??12??112lnr?lnr2??12??lnr??bbc?tt???tt?tt? (3-21) ??????lnr?lnr2??21221221221112将c1、 c2代入式（3-17）,由于c1、 c2比较复杂，先将式（3-17）简化为一般一元二次方程：

at?btc??0 （3-22）

2*其中：a?b 2 b*?1 利用求根公式:

2?b?b?4ac t?

2a （3-23）

c??clnr?c12将各参数代入得：

?2?222?1?1?2(t?t)????ln(r/)??11121212ln(/)2?12??tbbbbtttt????rrb22

r

（3-24）

由此可见，材料的导热系数为温度的一次函数时，其变化规律较为复杂。式中的正负符号暂不做处理。

对式(3-24)求导数可得：

??b22t-t?t-t??12212dt1????drrln(/rr)2bln(r/r)??bb12222112?b(t?t)-t-t?t-t??1112122ln(/rr)2?12? ????????（3-25）

代入傅里叶定律得：

??dt1bq?????t-t?t-t??????drr(lnr?lnr)2??0221212

21 （3-26）

由此式可见，再通过保冷材料的稳态到热中，不同半径处的热流密度与半径成反比。但是，通过整个保冷材料壁面的热流量为常量，不随半径而异。对上式两边各乘以2πrl(半径r处垂直于热流密度的面积)得：

??22?l???b?rlq?tt-?t-t??????(lnr?lnr)2021?212212? （3-27）

则保冷材料的热阻值为：

?tR???lnr?lnr21

??bt?2?l?t?1?0?122?? （3-28）

??

很多情况下，保冷材料要进行多种材料分层包裹。如图为多层保冷材料的示意图，材料不同则导热系数不同。

23

图3-6 通过多层圆筒壁的导热

如果层间接触良好，运用串联热阻叠加的原则，可得到多层不同材料的导热热流量：

??其中：

t?t14

R1?R2?R3 （3-29）

R?1?t??lnr?lnr21

??b12?l?t?t?1?01?122?? （3-30）

???tR??2?lnr?lnr32

??b22?l?tt1?02?2?3??2? （3-30）

??R?3?t??lnr?lnr43

??b32?l?t?t?1?03?342?? （3-31）

??

由于在备选材料中，将导热系数都简化为温度的一次函数，因此同一种材料的不同温度区间的热阻是不一样的，相当于几种材料叠加使用。则多层不同材料的导热热流量计算公式既适用于同一种材料，也适用于多种材料叠加。

3.3.3 保冷管道保温层厚度计算及数值模拟验证

为了直观的比较上述保冷材料的保冷性能，设定管道外壁温为一定值，在相同的热流量的情况下求出其保冷材料的设计厚度，可以分析其保冷性能的优劣。

工程中LNG输送管道的直径为50mm。假设该输送管道在单位长度的最大允

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许热损失为32W，通过计算各保冷材料外壁温维持在20℃时其各自需要的材料厚度，对各材料的保冷性能进行比较。

由式（3-27）可得：

?????b?22??2?l?2tt-?tt-??????12??12????0??????r?2?rlq?e2??lnr1

（3-32）

由于在对传热系数做处理时，不同温度区间的传热系数表达式是不同的。因此需要采取多层保温材料的计算方式。

1、硬质聚氨酯泡沫塑料

对于硬质聚氨酯泡沫塑料,λ随温度变化的函数分为三个区段，则可以分别算出各温度区段保冷材料的厚度：

r1=25mm;

t1=-163℃; t2=-60℃; λ01=0.028; b1=0.003571.

将上述条件代入式（3-32），可以得到硬质聚氨酯泡沫塑料的表面温度到达-60℃时其保冷层半径为：r2=35.15mm

由于保冷层的总的吸热量不变，所以当温度处于-60℃至0℃区间时: r2=35.15mm;

t2=-60℃; t3=0℃; λ02=0.018; b2=-0.003571.

同理将上述条件代入式（3-32）可得出此温度区间保冷层外径r3为44.4mm。当温度在区间0℃至20℃时：

r3=44.4mm; t3=0℃; t4=20℃; λ03=0.018;

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b3=-0.00444.

可得到r4为47.5mm。其中r4-r1即为硬质聚氨酯泡沫塑料的厚度，则其所需厚度为23.5mm。

如图3-7为利用数值模拟软件Fluent计算得出的硬质聚氨酯泡沫塑料的温度分布云图。在所设的热流密度与内外壁温条件下，将材料的不同温度区间的导热系数设定后，将计算所得的保温层厚度设定。通过模拟计算，得到温度分布如下：

图3-7硬质聚氨酯泡沫塑料温度分布云图

由图可以看出，保温层温度梯度很大，说明其绝热保温效果很好。该图中间部分为直径50mm的输送管道。该计算结果中r2=35.15mm处的温度为-65.1℃，r3=44.4mm处的温度分为-0.35℃。与前边用公式计算的温度设定基本符合。

2、泡沫玻璃

对于泡沫玻璃，其传热系数也分为三个区间。因此在做厚度计算时也按照多层保冷材料的计算方式进行，当温度区间为-163℃至-140℃时：

r1=25mm; t1=-163℃; t2=-140℃; λ01=0.122; b1=-0.04.

同样将上述条件代入式（3-32），可以得到泡沫玻璃的表面温度到达-140℃时其保冷层半径为：r2=31.5mm。

当温度区间在-140℃至-90℃时：

r2=31.5mm;

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t2=-140℃; t3=-90℃; λ02=0.01; b2=-0.04.

得到r3=54.7mm；温度区间在-90℃至20℃时：

r3=31.5mm; t3=-90℃; t4=20℃; λ03=0.06175; b3=-0.0028.

得到r4=180.1mm。其中r4-r1即为泡沫玻璃所需的厚度，则其所需厚度为155.1mm。

如图3-8为利用数值模拟软件Fluent计算得出的泡沫玻璃的温度分布云图。在所设的热流密度与内外壁温条件下，同样将材料的不同温度区间的导热系数设定后，将前边用公式计算所得的保温层厚度设定，通过模拟计算所得。

图3-8 泡沫玻璃温度分布云图

该图中间部分同样为直径50mm的输送管道。由图可以看出，泡沫玻璃在达到相同保温效果的前提下，其厚度比硬质聚氨酯泡沫塑料要大很多。在较低温度区间，其温度梯度较大。温度较高时，其温度梯度较小。也就说明在较高温度区间其绝热保温效果较差。该计算结果中r2=31.5mm处的温度为-144.7℃，r3=54.7mm处的温度分为-93.46℃。与前边用公式计算的温度设定基本符合。

3、丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物

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这两种材料配合使用，能达到较好的保冷效果，并且能满足其他的工程要求。在使用时，以二烯烃低温闭泡聚合物为内保冷层，丁晴橡胶低温闭泡聚合物为外保冷层。其中，二烯烃低温闭泡聚合物在较高温度区间，其导热系数较高，因此，使用区间选为-163℃至-50℃间，丁晴橡胶低温闭泡聚合物则取-50℃至20℃之间。

当温度在-163℃至-50℃间时： r1=25mm;

t1=-163℃; t2=-100℃; λ01=0.038; b1=0.00278.

将上述条件代入式（3-32）得到r2=33.8mm。当温度为-100℃至-50℃之间时

r2=33.8mm; t2=-100℃; t3=-50℃; λ02=0.04; b2=0.00012。

将上述条件代入式（3-32）得到r3=45.9mm，二烯烃低温闭泡聚合物的厚度为r3-r2=20.9mm。在r3处保冷层的温度为-50℃.则以丁晴橡胶低温闭泡聚合物为外保冷层时：

r3=45.9mm; t3=-50℃; t4=-20℃; λ03=0.033; b3=0.0001.

将上述条件代入式（3-32），得到r4=70.8mm，丁晴橡胶低温闭泡聚合物的厚度为r4-r3=24.9mm。两种材料配合使用的总厚度为r4-r1=45.8mm。

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图3-9 二烯烃与丁晴橡胶低温闭泡聚合物配合使用的温度分布云图

如图3-9为利用数值模拟软件Fluent计算得出的二烯烃与丁晴橡胶低温闭泡聚合物配合使用的温度分布云图。在所设的热流密度与内外壁温条件下，同样进行各项设定，通过模拟计算所得。

该图中间部分同样为直径50mm的输送管道。由图可以看出，二烯烃与丁晴橡胶低温闭泡聚合物配合使用，其厚度介于硬质聚氨酯泡沫塑料与泡沫玻璃之间。在较低温度区间，其温度梯度较大。温度较高时，其温度梯度较小。也就说明在较高温度区间其绝热保温效果相对差一点。该计算结果中r2=33.8mm处的温度为-100.78℃，r3=45.9mm处的温度分为-51.37℃。与前边用公式计算的温度设定基本符合。

表3-1 各材料计算厚度

材料 所需厚度 硬质聚氨酯泡沫塑料 23.5 mm 泡沫玻璃 155.1 mm 二烯烃、丁晴橡胶低温闭泡聚合物 45.8 mm 表3-1为各材料的计算厚度，可以得出单从理论上分析，硬质聚氨酯泡沫塑料的保冷效果是最好的，因为在同一换热情况下，其所需厚度最小。其次为二烯烃低温闭泡聚合物与丁晴橡胶低温闭泡聚合物配合使用。保冷最差的是泡沫玻璃。

3.3性能对比与材料选择

针对以上保冷材料的分析，对材料的其他性能进行对比分析。如表格3-1.

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表3-1 保冷材料各项性能对比 项目 造价 福乐斯低温保冷系统 适中（1） 轻质，管线负荷小 硬质聚氨酯泡沫塑料 泡沫玻璃 备注 管线负荷 导热系数 较低，适合深冷 湿阻因子 ≥10000 隔汽层 无需隔汽层 难燃级（B1），美国防火A级 弹性材料，不适抗拉强度 密度越大越强 用此参数 弹性材料，不适抗压强度 密度越大越强 用此参数 弯头、三通管安装性能 易安装 等连接处难安装 可重复利用可部分重复利不可重复利用 性 用 防火性能 按比例测算，以较少（0.9） 较多（1.35） 福乐斯价格为基数1 管线负荷越小，轻质，管线负较重，管线负使用寿命越长，荷小 荷大 投资越小 低，目前没有不能用于深冷 — 深冷测试数据 130000（本身湿阻因子能代湿阻因子很表材料隔汽性40-60 大，但接缝较能，湿阻因子越多使得整体湿大越好 阻因子小） 必须加隔汽层才能使用，材必须加隔汽增加隔汽层会料容易吸水，层，因为接缝导致成本增加，而导致不能绝太多 施工难度增大 热 GB 8624-1997 易燃级（B3级） 不燃级（A级） ASTM E84 密度越大越强 密度越大越强 难安装，需切割，施工复杂 不可重复利用 ASTM D1621 高耗能产品，无粉尘、无纤破坏性工质氟玻璃屑、粉尘环保性能 维、弹性环保、利昂发泡、施污染厉害，施不含氟利昂 工有粉尘污染 工存在危险性 材料的性能长由于材料吸水接缝处容易结期稳定，使用寿速度快，使用使用寿命 霜，一般5年命较长（10年寿命短，一般左右 以上） 2~3年 一劳永逸，基本3年左右更换需定期更换和维护成本 没有维护成本 材料来保证绝维护，处理结

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热效果，维护成本高 霜点等，维护成本高 除以上性能对比外，福乐斯低温保冷系统能带冷施工，而聚氨酯泡沫塑料和泡沫玻璃不能带冷施工。福乐斯低温保冷材料还能粘结严密，并且外形美观。综合各项性能比较，由丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物配合使用的福乐斯低温保冷系统更有优越性。因此，选择福乐斯低温保冷材料在加气站施工使用。

3.4 本章小结

本章对硬质聚氨酯泡沫塑料、泡沫玻璃、Armaflex低温保冷体系进行了对比分析。包括变导热系数分析、热力公式分析、理论厚度计算、温度场模拟验证。分析了材料的优缺点，证明了由丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物配合使用的福乐斯低温保冷系统更有优越性。因此，选择福乐斯低温保冷材料在加气站施工使用。为将新型保冷方式应用于加气站做出了理论铺垫。

31

4 Armaflex 低温保冷系统

4.1 Armaflex 低温保冷系统性能分析

图4-1 Armaflex材料安装示意

4.1.1 Armaflex 低温系统简介

2014年6月，通过与福乐斯公司在进行新材料的合作与开发上迈进了很大一步，福乐斯公司的Armaflex 低温系统在结构上属于多层复合。通过克服低温下的应力并实现提供最大限度的机械性能是该系统的显著特点。在系统的内层采用的是名为Armaflex LTD弹性体材料，以保证系统在深冷低温的条件下优异的机械性能，与此同时外层采取的是用低温 NBR丁腈橡胶聚合物来发泡制造的弹性材料，命名为Armaflex LT。Armaflex 低温系统可以适合于温度低至-200℃的保冷绝热条件。以确保系统优秀的绝热性能及其经济合理的造价。

性能优点：

a) Armaflex LTD 产品用不同的颜色来区分材料，用以方便辨别材料及其安

装使用。

b) Armaflex LTD弹性体属于专门开发的耐低温二烯烃聚合物发泡材料，在

低温环境下维持其柔性以最大程度减少其产生的温变应力。

c) Armaflex低温系统不需要额外的覆盖在绝热材料表面的防潮层。材料本

身的就具有很高的抗水汽渗透性能，完全起到抵抗水汽渗透的作用。

32

d) Armaflex低温系统不需要通过传统开孔纤维类的填充材料用来构建绝

热系统因管道温度不断变化引起膨胀或收缩时所需的伸缩缝。低温弹性体材料本身就可以通过预压安装的方式起到类似的作用。

e) Armaflex公司在全球范围内首家推出这种专门为深冷管路而设计的全

面吸音绝热系统且以弹性体发泡材料为基础。Armaflex LTD 材料不仅能维持低温下弹性的特点 ,并且可以使保冷层同时成为吸音减振层,这种吸音减振层可以在实际应用过程中有效减少噪音，因为振动传播到相邻的结构层中, 使其有效改善管道系统的整体降噪水平。

表4-1 Armaflex材料与标准性能对比

性能 材料类型 导热系数λ W/(m.k) 密度 推荐使用温度范围 闭泡率 透湿系数 湿阻因子 PH 抗拉强度,MPa 抗压强度,MPa（2mm偏移量） 标准 - ASTM C177 EN 12667 ASTM D 1622 NA ASTM D 2856 ASTM E96 EN 12086 EN 13469 ASTM C871 ASTM D 1623 ASTM D 1621 Armaflex LTD 二烯烃聚合物 0.034,-50℃时 0.028,-100℃时 0.021,-165℃时 60-70kg/m2 -200℃至+125℃ ＞95% 不适用 不适用 6.0-8.0 0.30,-100℃时 0.25,-165℃时 ≤0.37,-100℃时 Armaflex LTD 丁腈橡胶聚合物 0.035,+20℃时 0.033,0℃时 0.028,-50℃时 40-60kg/m2 -50℃至+105℃ ＞95% ＜1.32*10-11g/(m.s.Pa) μ＞15,000 6.0-8.0 0.15,0℃时 0.18,-40℃时 ≤0.16,-40℃时

4.1.2 机械结构完整性

Armaflex低温系统在结构上具备抗剧烈冲击的内在特性,通过其低温弹性体材料的缓冲作用可以吸收外界机械撞击并且缓和振动的能量，以保护系统结构不被损坏。不论来自任何部位、任何方向的冲击力都可以被弹性体材料有效地分

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散和衰减, 从而避免出现像硬质泡沫绝热材料那样因为应力集中存在而导致开裂风化。

通过减少温变应力来实现抗冲击特性是该保冷系统优于传统硬质泡沫等其他绝热材料，例如泡沫玻璃、聚氨酯PIR和PUR等材料最重要的特征之一。这些传统硬质材料通常因为在常温和低温条件下均不具备弹性材料所具备的特征普遍存在的外力作用下容易受损，在温变应力作用下材料挤压开裂从而导致的绝热性能大幅度下降。

图4-3 管外壁受力分散示意

4.1.3 抗水汽渗透性

Armaflex 低温系统不需要额外的安装防潮层。因其得益于独特的闭泡结构和特有的聚合物配方, Armaflex LT 低温弹性体材料本身具有很高的抗水汽渗透能力，并且这种发泡材料可以使产品从整个厚度方向和长度方向上都具备很高的连续抵抗水汽渗透性能，该产品的这一优异特性可以使整个系统大幅延长设备的使用寿命,并且显著降低绝热层下面的管道受到腐蚀的危险。

由于传统的多层保冷系统普遍的需要在每层硬质泡沫材料上表面大量的敷设防潮层。因此传统的保冷系统必须通过大量使用玛蹄脂材料和其它材料的防水特性来保证防潮层的连续性，以确保整个系统不存在水汽的渗透。由于传统的防潮层需要进行额外的安装和维护，从而导致整体施工时间延长，导致成本上升较大。而传统的施工和运行过程中的防潮层有任何缺漏和损坏的发生，都将直接危害到整个系统所有的保冷层材料绝热性能，使保冷程度下降。

34

图4-4 Armaflex 低温系统与传统防潮层结构对比

4.1.4 内置膨胀伸缩性

Armaflex低温系统不需要采用纤维类材料作为传统的膨胀伸缩缝填充物（这类施工方法很普遍的存在于使用硬质泡沫的LNG 管路上）。相反，Armaflex低温系统材料只需要按推荐的预留长度，就可以采用带压的方式来对每层进行低温弹性体材料安装，这样即可解决传统保冷系统所需的伸缩缝填充物问题。

由于在深冷低温下的弹性使得材料在纵向上具备膨胀和收缩的物性特点, 从而有效地解决了在金属管道由于低温收缩而产生的应力积累问题。该保冷系统在区别与传统硬质泡沫材料上明显优势之一就是具备很好的弹性。

传统系统在深冷管路上然而通常需要采用玻璃棉或矿物棉等填充物作伸缩缝处理 , 用以缓冲安装的每段绝热材料之间的挤压。但是这些传统的伸缩缝不但增加了施工的周期和复杂程度,并且由于采用的是开孔纤维材料,从而导致这些处理过的部位存在水汽渗透上的极高风险。由于这类伸缩缝因需要额外的隔汽密封处理从而导致传统保冷材料在安装的复杂程度进一步上升。

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图4-5 与传统防潮层结构对比

4.1.5 吸音绝热系统

在Armaflex 低温系统应用的ArmaSound 工业隔音系统是福乐斯公司根据国际化标准 ISO 15665 ：2003 而研制开发的一种系统。该标准为管道吸音降噪系统在国际范围内设定了相关的等级及要求。ArmaSound 工业隔音系统相比传统采用矿棉和金属板的降噪系统可以大幅减少降噪材料所需要的重量和厚度。

ArmaSound 工业降噪系统用于深冷低温管道时,可以直接在施工过程中安装在传统保冷系统上,例如使用泡沫玻璃﹑聚氨酯PIR或PUR等材料。然而在这种组合方式中,采用ArmaSound 工业系统不仅能实现隔音的效果，还可以起到隔汽防潮的作用。

Armaflex低温系统的各种物理特性使得它特别适合 与ArmaSound工业降噪系统组合在一起使用。Armaflex 低温系统中的Armaflex LTD 材料能维持低温下弹性的特点,使保冷层与此同时也成为了有效的吸音减振层,这一吸音减振层可以有效减少噪音传播到相邻的结构层中, 从而实现从整体上改善管道系统的降噪水平。

4.2 Armaflex低温系统安装工艺

在传统的深冷绝热系统中主要由PIR材料或者发泡玻璃等材料组成，并且需要在安装过程中设置专门的防潮层和伸缩缝等复杂工艺。然而Armaflex柔性绝热材料本身具有非常优异的防潮阻湿的性能，而且阻湿因子μ高达15000以上。Armaflex 低温系统中的Armaflex LT 材料在25mm厚度板材的水蒸气渗透率仅为0.0023g/(h?m2)。这个厚度是传统硬质系统所采用的防潮层的1/10。

Armaflex柔性绝热材料在控制因温度变化而引起伸缩性的安装工艺，采用的是预压安装方式，通过设置柔性绝热材料的压缩量来满足深冷条件下绝热材料和钢材因膨胀系数不同而引起的长度上的收缩差。确定压缩裕量，保证材料在深冷降温后的力学性能。Armaflex低温系统中的Armaflex LT/D弹性体在常温下

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弹性模量通常为为0.1～0.5Mpa，具有良好柔性和弹性，并且在安装施工过程中易于压缩。（PIR一般大于1Mpa）

图 4-6 Armaflex柔性绝热材料与传统材料安装工艺对比

Armaflex柔性绝热材料具有优良的防火性能，据测算氧指数达到32以上。而一般PIR材料仅能达到30。Armaflex柔性绝热材料通过了最严格的IMO防火测试，并由DNV出具鉴证报告。然而在施工过程中，特别是现场注射发泡的PIR材料，从施工工艺上传统材料很难控制其氧指数的指标。Armaflex柔性绝热材料在防火性上还达到ASTM E84 <25的火焰蔓延要求以及IMO Resolution MSC61(67): Annex1, Part5的测试，证明可应用于航空、船舶等防火要求较高的区域。

Armaflex柔性绝热材料在施工过程中不但易于安装，而且在材料连接上采用的是专用胶水进行粘接。不但可在接缝处产生冷交联作用，而且形成了完全密闭的接缝。整个系统可形成有效的防水汽密闭性。Armaflex柔性绝热材料对于阀门、弯头、三通、法兰等异形部件可提前通过剪切拼贴等预制工艺制成密闭良好的预制件。而传统硬质保冷材料在这些位置难以妥善处理异形部件，从而导致容易产生缝隙漏冷的现象。

4.3 在管线温度低于-110℃的解决方案

为满足深冷低温管线对保冷系统的独特严格的要求, Armaflex低温系统可以借助一些辅助的手段来达到最终低至-200℃的保冷绝热的目的。例如针对深冷而且反复移动的深冷低温管线,可以借助在Armaflex LTD材料内进行内表面复合

37

耐磨层薄膜的方式来实现保冷绝热的状态。然而通过这一耐磨层的敷设可以大大的提高材料表面强度从而实现对安装在经常振动和移动的管路上绝热系统的保护。

Armaflex低温系统中的Armaflex LTD材料非常适用于此种工艺管线（如液化天然气充装管道）等存在大幅温度变化的系统,以及因清洁吹扫有可能会产生温度变化的工艺管路。Armaflex LTD可持续耐温最高到达到+125°C, 因此此系统适用于采用压力蒸汽或热介质等进行吹扫的管道。

4.4 本章小结

本章对由丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物配合使用的Armaflex低温保冷系统做出了更为全面的分析，充分阐述了其性能及特点。针对实际工程应用的可行性做出铺垫。

5 新材料的应用及保冷改造的效果评价

本次改造是黄岛某LNG加气站保冷管道按照Armaflex施工要求进行福乐斯低温弹性体系统改造，取得了良好的效果。

5.1 外观评价

本次系统改造选用了福乐斯甲壳?S350作为福乐斯低温弹性体系统的外护

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层。福乐斯甲壳?S350的接头和接缝处可用福乐斯520胶水或塑料铆钉进行固定。福乐斯甲壳?S350为多层特殊铝塑复合材料，其铝层表面覆盖了耐紫外线和抗老化性能极好的PET聚酯面层。该产品具有很好的抗刺穿性能和耐撕裂强度，属于难燃材料，可以用作各种保温和保冷系统的外保护层。该产品同时也具备优秀的防水性能和抗水汽渗透性能。该材料比金属外护层安装更快更方便。可提供预制成型的弯头、三通及管帽等部件。无需熟练的钣金工。裁切容易便捷。使用安全。无需电动工具。在现场可以用便携式的切割平台进行切割下料。省工、省料和省时。非金属外护层可避免电解腐蚀的风险。

5.2 应用及保冷改造处理 5.2.1 复杂部分处理

福乐斯低温弹性体能在-200℃下保持弹性。确保弯头三通等复杂部位能在超低温环境下与管体紧密包裹，不会因僵硬而管体产生缝隙，从而导致漏冷。 复杂部分处理改造前及改造后如图5-1和图5-2所示：

图5-1改造前复杂部分实体图 图5-2改造后复杂部分实体图

5.2.2 接缝等细节部位处理

根据热胀冷缩原理，保冷材料在-162℃收缩，导致材料接缝处形成空隙，空隙处于无保冷材料状态，必然结冰，形成漏冷区，从而使整个保冷系统失效。福乐斯低温弹性体不同于硬质保冷材料，而且能在-200°C 下保持弹性，根据其特性，在首层 LTD 材料采取压缩10%安装，确保材料受冷缩短后依然能保证接缝处紧密相连。接缝选用专用胶水粘接。接缝等细节部位处理改造前及改造后如图5-3和图5-4所示：

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图5-3 改造前接缝等细节部位实体图

图5-4改造后接缝等细节部位实体图

5.2.3 材料品质保障及配套辅材

Armaflex公司针对该材料专门研发了专用胶水，并制定了施工安装指导书，提供一整套专业解决方案。确保福乐斯低温弹性体材料品质如一，施工质量严格控制，保冷效果达到最佳。材料及配套辅材改造前及改造后如图5-5和图5-6所示：

图5-5改造前材料及配套辅材实体图

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图5-6改造后材料及配套辅材实体图

5.2.4 防潮特性

在运行站点，如果原保冷材料拆除后不能很快的进行保冷处理，管道很快就会结冰（如下图5-7所示），不仅造成大量能耗，且LNG气化导致罐体压力增大，对整个站点安全造成隐患。这就要求新保冷材料须安装便捷，保冷效果明显。福乐斯低温弹性体防潮性能甚至优于传统防潮材料，首层LTD材料包裹管道后用胶水粘接即可实现-200°C 的保冷效果，安装快捷，保冷效果显著。福乐斯低温弹性体是唯一能在不停冷条件下实施保冷系统改造的材料。改造安装前与改造安装后如图5-7及图5-8所示

图5-7改造安装前管道实体图 图5-8改造安装后管道实体图

5.3 节能效果及分析

管道温度对比如下表所示：

表5-1 管道温度对比表

环境温度（℃） 改造前

测试点1 （阳面） 24.8 测试点2 测试点3 测试点4 测试点5 （阀门） （阴面） -4.5 41

（三通） （弯头） -4 15 30.1 20.1

改造后 35.1 36.8 34.7 34.1 34.9 35.3 如表格数据显示，测试时环境温度为 30.1℃。改造前保冷所有接缝部位基本已经结冰，表面温度-4.5℃左右 。改造后无结冰现象。改造前部分只有50mm 厚的保冷材料，外表面温度13℃左右，在改造过程中，同样测量50mm厚（仅 2层材料）的产品，外表面温度已经超过27.7℃ 。第三层外表面温度为29.3℃，第四层外表面温度为31.2 ℃。根据表格数据分析，改造后的管道温度变化较小，可以得出福乐斯低温弹性体防潮性能好，便于裁割，安装方便，保冷效果优于真空管、PIR/PUR 等材料；福乐斯甲壳?S350便于施工，抗外力性好，耐紫外线和老化性能极好。

5.4 本章小结

基于对Armaflex低温保冷系统的理论研究，我们将该系统运用到了青岛某LNG加气站，在实际工程中进行验证，通过对加气站LNG输送管道的改装，对比改装前后保冷效果的对比分析，说明该系统的运用取得了很好的效果，这证明了本次研究的思路以及方法的正确性。

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6 结论与展望

6.1主要结论

本文对LNG现行的保冷方式进行了讨论，对新的保冷方式进行了研究。在加气站真空管的运用的基础上，对其保冷原理、保冷施工工艺，保冷方式的优越性、保冷方式存在的缺陷进行综合分析与评价。从其成本及维护费用方面考虑，真空管并不是经济的。通过对保冷材料的调研与各项性能分析，找到了能够替代真空管的保冷材料。在对材料的性能进行分析时着重分析了保冷材料的热力学性能，包括材料的变导热系数特性分析，建立了导热系数与温度的函数关系，利用柱坐标一维导热微分方程对保冷材料变导热系数的温度分布进行了公式推导，通过公式计算，得到了在满足一定壁温条件下，不同保冷材料所需的厚度。同时，利用数值模拟软件Fluent得出了保冷材料的温度场分布。最后将研究发现的新材料运用在请到某LNG加气站，在实际运用中是研究内容和思路得到验证。本文的主要结论如下：

（1）真空管的成本及维护费用过高，安装中也容易出现损坏而导致工程停工，基于经济性考虑，应利用能替代真空管的保冷方式。

（2）Armaflex低温体系的导热系数低，能在低温条件下正常工作，可以用于LNG保冷中。

（3）丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物配合使用能达到较好的

保冷效果。丁晴橡胶低温闭泡聚合物适合作为外包裹层，二烯烃低温闭泡聚合物作为内包裹层。

（4）相比泡沫玻璃和硬质聚氨酯泡沫塑料，Armaflex低温体系成本适中，维护费用低，使用寿命长。

（5）对于Armaflex低温体系的研究成果已经部分应用于LNG加气站，取得了很好的效果，这证明了本次研究的思路以及方法的正确性。

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6.2 展望

对于丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物配合使用的Armaflex低温保冷体系在全国范围内还比较少用。本文对Armaflex低温保冷体系的研究证明了其用于LNG加气站的可行性。对于现在用的比较多的保冷方式中，真空管虽然具有较低的导热系数，其弊端越来越突出。常用的保冷材料也都各存在问题。因此，以丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物为材料的保冷体系具有市场潜力，有可能完全替代其他保冷方式。希望本次研究能够对《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2012）进一步完善，特别是LNG加气站安全运行带来积极地影响。

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