1长庆油田分公司第一采气厂作业八区 内蒙古鄂尔多斯 017000 2长庆油田分公司第一采气厂第二净化厂 内蒙古鄂尔多斯 017000
摘要：在天然气轻烃回收、液化石油天然气运输等深冷工艺中，运行的成本与其冷量损耗直接相关，找到一种合适的保冷方式非常重要。本文通过对常用保冷材料的分析对比，最终确定由丁腈橡胶和二烯烃组合使用的柔性保冷材料是适合低温深冷工艺的高质量保冷方式。
关键词：低温深冷 保冷材料 绝热设计 轻烃回收
1 研究的背景和意义
在天然气轻烃回收、液化石油天然气生产与运输中，低温控制是产品合格的关键，装置运行的成本与其冷量损耗直接相关，保冷材料的选用非常关键。常用的保冷材料各有其优缺点，找到一种即满足装置保冷要求，又能节省成本及维护费用的保冷材料就显得尤为重要。
2 常用保冷材料
保冷材料选用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。通过对国内保冷材料的调查，初步选用硬质聚氨酯泡沫塑料、聚异氰脲酸酯、泡沫玻璃、二烯烃聚合物、丁腈橡胶聚合物、气凝胶为备选保冷材料。
2.1、硬质聚氨酯泡沫（PUR）
硬质聚氨酯泡沫其密度为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），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。其尺寸稳定性好，可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。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℃温度范围的深冷工况，且其本身可燃。
2.2 聚异氰脲酸酯（PIR）
聚合异氰酸酯适用温度范围为-196℃～120℃，具有极低的导热系数，隔热效果优异，质轻，常温导热系数为0.029W/（m•K）。线性收缩系数5.83×10-5/℃，氯离子含量小于60ppm，抗压强度＞0.2MPa，氧指数≥30%，燃烧性能等级能达到GB 8624-2012要求的B1级（难燃）。
2.3 泡沫玻璃（CG）
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。
2.4 丁腈橡胶与二烯烃聚合物（柔性保冷材料）
丁腈橡胶与二烯烃可单独作为保冷材料，两者联合使用适用于温度低至-200℃的管道和设备。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，无需单独设置防潮层也能减少安装施工所需要的时间。
二烯烃聚合物是保冷层，适用温度范围为-196℃～+125。丁腈橡胶聚合物是外护层，适用温度范围为-50℃～+105。柔性保冷材料的氧指数≥32%，燃烧性能等级能达到GB 8624-2012要求的B1级（难燃），低温下导热系数与PIR材料相当，安装时接缝数量少，适用于异形件及狭窄空间内施工。
2.5气凝胶
气凝胶是美国航天局开发出的一种新型纳米材料，具备很低的导热系数。97%是空气，只有3%是固体，是最轻的固体材料，气凝胶内的空气分子因被纳米孔的阻隔限制，而阻断了热能的辐射与传导，但气凝胶本身质地脆弱，且该材料在国内尚未成熟生产、成本较高。
3综合性能对比与材料优选
通过以上保冷材料的分析，适用于深冷工艺的材料为柔性保冷材料（丁腈橡胶与二烯烃）、聚异氰脲酸酯、泡沫玻璃，通过对这三种材料的各项性能对比，继续优选深冷工艺的最佳材料。
3.1 透湿性对比
水蒸气透湿系数是衡量保冷材料防潮性能的重要指标，水蒸气透湿性较差导致保冷材料进水，严重影响保冷效果同时会对材料造成损坏。柔性保冷材料的水蒸气透湿性为﹤1.96 ×10-11，聚异氰脲酸酯硬质保冷材料为（2.0 ～ 5.0）×10-9，前者明显优于后者。柔性保冷材料不需设置防潮层，PIR硬质保冷材料在施工时外层需要涂抹玛蹄脂作为防潮层，且在设备、阀门、法兰等复杂部位施工时防潮层施工难度较大，防潮效果较差，易导致冷凉损失。
3.2 导热系数对比
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、聚异氰脲酸酯（PIR）
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图3-1聚异氰脲酸酯导热系数与温度的关系图
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，在LNG保冷管道的-165℃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（CG）
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图3-2 泡沫玻璃导热系数与温度的关系图
泡沫玻璃的导热系数随温度变化关系可以分为三个区间。当温度处于-200℃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。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、丁腈橡胶聚合物
对于丁腈橡胶聚合物的推荐适用范围为-50℃至+105℃。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。其导热系数与温度的关系如图3-3所示：
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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
4、二烯烃聚合物
如图3-4为二烯烃聚合物导热系数与温度的关系图，其导热系数在低温区比较低，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。
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图3-4 二烯烃低温闭泡聚合物导热系数与温度的关系图
3.3 阻燃性对比
氧指数是指在规定的条件下，材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度，是衡量保冷材料阻燃性的重要参数。
根据SH-3010-2013《石油化工设备和管道绝热工程设计规范》，阻燃性保冷材料及其制品的氧指数不应小于30%。柔性保冷材料的氧指数≥32%，而PIR硬质保冷材料的额氧指数为30%。因此，柔性保冷材料的阻燃性优于PIR硬质保冷材料。
3.4 机械强度对比
柔性保冷材料在低温下仍能保持良好的柔性和抗压性，PIR是硬质脆性材料，尤其在低温下更易破碎。PIR硬质保冷材料的抗压强度≥0.22MPa，而作为主保冷层的二烯烃聚合物在-100℃时仍能达到≥0.37MPa抗拉强度。
3.5 施工性能对比
柔性保冷材料相比传统硬质泡沫材料，其施工的复杂程度大为下降。由于既不需要防潮层也不需要纤维材料做伸缩缝，该保冷系统采用更少的材料和层数即可完成施工。低温弹性体材料具备的柔性和适应性，使该产品相比瓦块状的硬质泡沫在安装时简单许多。该材料可以直接包裹在管道和弯头上，并且能很容易地贴附在复杂形状的设备和管件上。材料可在现场随意切割，施工时不用电不动火，不会产生纤维和粉尘颗粒。
4结论
本文对聚异氰脲酸酯（PIR）、泡沫玻璃（CG）、丁腈橡胶与二烯烃聚合物、硬质聚氨酯泡沫塑料（PUR）、气凝胶进行了分析，重点对前三种材料从导热系数、透湿系数、氧指数、现场施工便捷性进行了对比，可知在深冷工艺中，丁腈橡胶聚合物与二烯烃聚合物配合使用能达到较好的保冷效果。丁腈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。相比其他保冷材料，柔性保冷材料成本适中，施工方便，维护费用低，使用寿命长。