SiO2气凝胶材料在化工管道保温的性能研究

 摘要：SiO2气凝胶纳米材料，具有导热系数低、吸水率小、高防火和抗腐蚀等性能，通过管道保温材料结构研究，对其隔热、吸水、防火性能试验，研发出了性能优良、长周期安全使用的SiO2气凝胶纳米材料和管道保温结构。
关键字：管道保温；SiO2气凝胶；防火性；隔热性；吸水率
中图分类号：TB34 文献标志码：B
Application research of Silica aerogel material in the chemical pipeline
ZHANG Yousu1,2，LIU Feng1,2， LIAN Mianyan1,2 ,WANG Hongfeng1
(1.Sunpower Group Ltd，Nanjing JiangSu 211112；2.JiangSu Province technology Research Institute for Energy Saving，Nanjing 211100，China)
Abstract: Silica aerogel nanomaterials with low thermal conductivity, high fireproof and totally hydrophobic. Compared with other pipe insulation materials through insulation test、water absorption test、fire retardancy test we can found that: silica aerogel nanomaterials has great energy-saving、corrosion protection and safety.
Key words: Pipe insulation；Silica aerogels nanomaterials；Fire-proof； Thermal conductivity；Water absorption
1 前言
SiO2气凝胶纳米材料是以SiO2气凝胶为主体原料，在保持凝胶骨架完整的情况下，将凝胶内溶剂干燥后的产物。20世纪30年代初，美国斯坦福大学Kistle就已经通过水解玻璃的方法制得了SiO2湿凝胶，并以空气来置换湿凝胶中的液体溶液。由于该工艺必须借助超临界技术才能实现，且溶液冲洗、置换过程复杂，未得到广泛推广。直到20世纪60年代，法国的Teichener S.J.简化了Kistle的方法，大大缩短了湿凝胶的干燥周期，降低了材料的密度，推动了SiO2气凝胶的研究。进入21世纪，气凝胶材料逐渐商品化和产业化。
国内在上个世纪90年代开始了气凝胶的研究，上海同济大学陈龙斌等研究了SiO2气凝胶的制备方法、结构和品质优化。中国科学院过程研究所王丹等人研究了以正硅酸乙酯为硅源，乙醇和水为溶剂，凯芙拉纤维为增强相，通过溶胶凝胶及常压干燥等步骤，实现了凯芙工程技术产业经济与拉纤维增韧SiO2气凝胶复合材料的常压制备。目前，常用的SiO2气凝胶主要以正硅酸乙酯（TEOS）、正甲基硅烷（TMOS）或水玻璃等为硅源。溶胶-凝胶过程中通过硅源水解和缩聚获得具有三维网状结构的二氧化硅凝胶【2-3】，该产品导热较低（常温下导热系数为0.018W/mk）、高防火（最高可以耐到1200℃）和极低的吸水性（体积吸水率0.52%）等特性。
在开采海底油田和气田时，油气输送的一项关键任务是输送未加工的碳氢化合物。这些碳氢化合物处于高温高压状态下【4】（温度范围在0～650℃），随着输送距离的延长，若没有充分的绝热保护，这些碳氢化合物将发生冷却并生成水合物或蜡化，最终堵塞流送管。SiO2气凝胶纳米材料的优良性能解决这一问题，能有效保护管道介质在输送过程中热量的损失，防止聚合堵塞管道介质的输送。由于SiO2气凝胶材料的结构特征，其低导热系数、强疏水性能和高防火性能，与石油化工领域对管道保温的要求相吻合，如将SiO2气凝胶应用到LNG输送管道。

2 保温结构设计
研究发现将矿物棉或玻璃纤维、硅酸钙、膨胀珍珠岩和SiO2气凝胶毡四种材料，包裹在管道半径为76mm、管内介质为315℃的管线上，达到相同的保温性能，需要上述四种材料的保温层厚度不同。如图1所示，SiO2气凝胶毡的厚度约
图1 不同材料和厚度保温绝热层结构
为矿物棉或玻璃纤维保温厚度的1/3；不到硅酸钙保温厚度的1/4；约为膨胀珍珠岩保温厚度的1/4。所以，用SiO2气凝胶作为保温材料，能节约材料，使得管线布局更紧凑，节约大量的安装空间，为企业节约投资。
SiO2气凝胶毡保冷绝热层结构设计见图 2，气凝胶毡厚度20mm，PIR厚度50mm ，3105铝板50mm，管道长1.85m。

图2 SiO2气凝胶毡保冷绝热层结构

3 隔热性能研究
热量传递有气态传导、固态传导和热辐射传导三种形式。SiO2气凝胶材料是由粒子或高聚物分子相互交联构成的轻质纳米多孔材料，具有空间网络结构，其孔隙率高达80%～99.8%，典型孔隙尺寸小于50nm，网络胶体颗粒尺寸3～20nm，因而有效地限制了固态热传导和气态热传导【5】，与传统保温材料相比具有较好的保温效果。根据国家标准“GB 50264-2013 工业设备及管道绝热工程设计规范”，对SiO2气凝胶毡材料进行热性能测试，其导热系数小于0.018 w/m.k 。

4 吸水性能研究
对SiO2气凝胶毡材料，按“GB/T5480-2008矿物棉及制品试验方法”，检测其吸水率小于0.52%，属于整体疏水性保温材料，可以有效的防止保温层下的管道或设备腐蚀。用不同保温材料对管道进行包裹，将其放在水中浸泡7天，试验前后管道受损情况如图3： (a) 矿物棉保温的管道吸水前；(b) 矿物棉保温的管道吸水后；（c）SiO2气凝胶毡保温的管道吸水前；（d）SiO2气凝胶毡保温的管道吸水后。

图3 吸水性试验

通过试验对比，用矿物棉包裹的管道腐蚀比较严重，而用SiO2气凝胶毡包裹的管道没有发生变化，材料的疏水性发挥了至关重要的作用。化工类的管道常年在室外运行，经常受到雨水侵蚀；特别是蒸汽管道在运行时，内外温差比较大，一旦保温材料结构不好，管道外表面就会出现凝露现象，凝露现象对材料长期的侵蚀，加剧材料的腐蚀，缩短了管线的自然使用寿命。因此，采用疏水性材料对管道进行保温，是管道长期、安全运行的保障。

5 防火性能研究
分别用SiO2气凝胶毡材料和常规保温材料对管道进行包裹，在露天环境下对其进行持续30分钟的明火烘烤试验，观察材料的受损情况见图4。

图4 防火实验
（a）明火烘烤试验； （b）SiO2气凝胶毡表面受损情况；（c）常规保温材料的受损情况。
由图4可以看出，同样在大火烘烤30分钟后，SiO2气凝胶毡表面无任何损伤痕迹，可以重复利用；常规的保温材料在大火中被烧焦，无重复利用价值。试验表明，SiO2气凝胶材料作为管道保温材料，在安全上是可行的，能够防止火灾发生，把企业的损失降到最低。

6 结论
6.1 SiO2气凝胶纳米材料是一种很好的管道保温材料，综合性能测试结果表明，导热性、吸水性、密度、防火性及安全卫生性等综合性能优良，通过合理的结构设计，使其低导热系数、强疏水性和高防火性能在石油化工领域管道保温方面发挥独特的作用。
6.2 气凝胶纳米材料管道绝热层防火试验后外部完好无损，火焰的最高温度达1000℃以上，且具有良好的耐火隔热作用，厚度只需要20mm就能将外部高温降低至120度以下，使得内部的材料不受高温破坏。
6.3 SiO2气凝胶纳米材料吸水性率小于0.52%，属于整体疏水性保温材料，可以有效的防止保温层下的管道或设备腐蚀。
6.4 SiO2气凝胶纳米材料特殊的结构特征，对其进行热性能测试，其导热系数小于0.018 w/m.k 。节约材料，使得管线布局更紧凑，并节约大量的安装空间，为企业节约投资。
6.5 SiO2气凝胶纳米材料成功应用到国内某LNG输送管线上，比传统保温材料节约大量的人力物力，降低了投资成本，安全等级高，得到充分的验证。也可用于炼油厂、石化工厂和气体处理厂的中高压蒸汽管线上。
参考文献
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