一文带你读懂LNG管道保冷！
行业技术
LNG 生产已成为各国重点发展的项目之一。基于LNG 超低温（-162℃）存储的特点，对LNG 管道保冷材料的选取就成为行业必须面临的问题。本文主要介绍目前国内外主流的LNG管道保冷材料，并对其保冷结构设计及施工工艺进行阐述，为后续LNG管道保冷工程提供一定的参考。
前言
目前，我国的能源结构仍旧以煤炭为主，保护环境、控制温室气体排放的任务十分艰巨。
天然气作为一种优质、高效、方便的清洁能源和化工原料，具有巨大的应用潜力，其中市场化程度较高的液化天然气（LNG）作为传统气源的补充也开始备受关注。
近年来，我国LNG市场增长迅速，LNG供给已形成沿海大型LNG接收站和内陆小型LNG液化工厂并重的格局。
按照我国的能源战略部署，在未来一段时间内还将新建和扩建更多的LNG设施，以满足对LNG需求的增长。
基于LNG超低温（-162℃）存储的特点，对LNG管道的保冷就成为行业必须面临的问题。
其保冷效果不仅关系到整个系统的输送效率，而且对于装置的安全生产也至关重要。
因而，合适的保冷材料不仅可以降低能耗、减少冷量损耗，而且为符合环保要求、为企业安全生产和创造更好的效益提供了保障。
一、LNG管道绝热类型
1、真空绝热
真空绝热：其原理是将绝热结构做成密闭的夹层，内部空间抽至一定的真空度，以减少热量的传递。
在国内LNG 体系中利用时间长，项目成熟，监测以及应用标准完备，绝热效果明显，冷量损失较小，但价位较高，应当在企业预制，制造时间常，多利用在重点项目中。
2、堆积绝热
1、堆积绝热保冷概述。堆积绝热是一种传统的绝热方式，即在管道外侧敷设多孔型绝热材料，因孔泡中充满常压空气（或其它气体）而实现绝热。
但在绝热效果上不如真空绝热，但结构简单，价格低廉，运行维修方便 。目前国内LNG 管道多采用此方式进行管道绝热。
2、 堆积绝热材料选择。在中国市场中，现有的堆积绝热材料选择根据LNG 温度的不同多采用聚氨酯材质与泡沫玻璃材质，泡沫玻璃在国内的应用时间比较长，测试标准完备。
而三聚酯材料属于聚氨酯材质的优化版，其物理效能和防火状态优于聚氨酯。
二、LNG管道保冷材料
目前国内外企业认可的较理想保冷材料有以下几种：聚氨酯泡沫（PIR/PUR）、泡沫玻璃（FG）以及丁腈橡胶和二烯烃泡沫（LT+LTD）。
1、聚氨酯泡沫（PIR/PUR）
根据合成材料的不同，分为PIR 和PUR 两种。
聚醚多元醇和异氰酸酯反应生成的产品为PUR，聚酯多元醇和异氰酸酯反应生成聚异氰脲酸酯，简称PIR。
两者均可以现场发泡用于不规则的保冷结构或建筑物表面，也可预制成半圆形现场安装。
其结构是由无数个微小的闭孔所组成，互不相通，因而该材料不吸水，不透水，从而将传统的隔热和防水合二为一。
而且聚氨酯泡沫结构轻质，机械加工性能好，所以近年来得到广泛的应用。PUR 先进入市场，技术成熟，目前市场应用较多。
但随着各国对环保节能要求的提高，PUR在欧美等发达国家生产和应用比例已呈下降趋势。
主要是由于PUR 阻燃性能差，燃烧后烟量和毒性大，很难达到消防安全要求。
而PIR 在阻燃性、低烟性、机械性能等方面优于前者，但是生产工艺要求较PUR 苛刻，流动性低、脆性大、粘结性差，且成本较高，因而生产和使用也受到了限制。
2、丁腈橡胶和二烯烃泡沫（LT+LTD）
丁腈橡胶和二烯烃泡沫（LT+LTD）是近年来刚应用于LNG 管道的保冷材料。
特点是施工方便快捷，材料柔软有弹性可直接粘接，密封性能好，无需伸缩缝，可重复使用。
一般保冷温度大于-50℃时可直接用丁腈橡胶泡沫，当保冷温度在-50℃～-180℃之间时，保冷层内层材料应为二烯烃聚合物泡沫，外层敷设丁腈橡胶泡沫。
3、泡沫玻璃（FG）
泡沫玻璃最早是由美国彼兹堡康宁公司发明的，是由碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等，经过细粉碎和均匀混合后，再经过高温熔化、发泡、退火而制成的无机非金属玻璃材料。
因其低热绝缘、不燃等特性，应用在各种需要保冷的工程和隔热、隔音等场所。
除上述的几种保冷材料外，玻璃纤维、聚乙烯泡沫、酚醛泡沫、膨胀珍珠岩等也常用于保冷，但大多数是以辅助保冷材料的形式出现或因其自身特点不适用于LNG 保冷使用。
三、保冷选材
1、选材要求
在LNG 厂站工程设计中， 应具体分析工程实际情况，择优选用合适的保冷材料。其重点包括：
a）保冷材料的最低安全使用温度应低于正常操作时介质最低温度；
b） 保冷材料的防火性能应能满足国家现行标准的要求；
c） 优先选用抗水蒸气渗透性能优异的保冷材料，以保证材料性能的长期稳定；
d） 保冷材料应具备良好的现场切割或裁剪加工性能，施工便捷，简化现场安装难度；
e）优先选用单位综合经济效益高的材料或制品；
f）减少保冷系统投产后的日常维护工程量，提高材料的再利用程度。
2、LNG 管道保冷材料选择建议
目前已运行的大部分厂家，对LNG 管道使用的保冷材料多为聚氨酯泡沫（PIR）、泡沫玻璃（FG）和丁腈橡胶及二烯烃泡沫（LT+LTD）的组合材料。
聚氨酯泡沫（PIR）和泡沫玻璃（FG）保冷的结构是以PIR 或FG 为保冷层，保冷层用玻璃纤维带缠绕后再敷设防潮层，最后用不锈钢板做保护层。
对于阀门和不规则设备的保冷，PIR 可以现场发泡，但是发泡均匀性差。
一般的管道，PIR/FG材料可在工厂预制，现场实施安装即可。施工需要注意的是伸缩缝和气阻。目前使用的生产企业有浙江LNG 项目和广东大鹏LNG 项目等。
丁腈橡胶和二烯烃泡沫（LT+LTD）是近年来用于LNG 管道保冷的新材料，具体保冷结构为保冷层和金属保护层，不设防潮层，也不用玻璃纤维带缠绕，保冷层材料直接粘结即可。
目前使用的生产企业有山西晋城LNG 项目、大连的LNG项目和福建LNG 项目等。
综上可以看出LT+LTD 与传统的保冷材料PIR/PG 比较有如下特点。
（1）具备内在的抗冲击特性，可以吸收和分散施加在局部位置的外界应力；
（2）可以避免出现应力集中导致的材料开裂现象；
（3）安装不需要伸缩缝，保证了整个保冷系统的汽密性和完整性；
（4）施工比较快捷，对阀门等不规则管道、设备可以直接根据具体外形尺寸现场裁剪后粘结。
但是LT+LTD 组合后的保冷材料不能现场发泡，保冷厚度相对于前两者较厚，而且国内生产技术不成熟，订货流程复杂，到货时间相对较长，材料价格也相对偏高。
四、LNG管道保冷结构及施工
为保证LNG管道在深冷环境下的长期安全、稳定运行，其保冷结构的设计需要着重考虑两个方面：一是解决传热问题，二是解决防潮问题。
根据GB 50264《工业设备及管道绝热工程设计规范》要求，保冷结构一般由绝热层、防潮层、保护层等组成。而对于硬质保冷材料和柔性保冷材料而言，各自性质的差异也决定了彼此的保冷结构设计及施工工艺也有所不同。
1、LNG管道硬质保冷结构及施工
以FG、PIR为代表的硬质保冷材料，由于单层保冷层结构的局部缺陷容易造成冷量损失从而影响整体保冷效果，因此在LNG管道保冷设计中通常采用多层保冷层结构的形式。
每一层保冷层的铺设、拼接，还需要考虑保冷材料在低温条件下长期使用易出现的局部变形现象，宜采用哈夫拼接方法，即同层错缝、邻层压缝。
此外，由于钢管和保冷材料之间线膨胀系数和收缩率的差异，在超低温和常温交变时容易造成LNG管道保冷结构的破坏。
因此，通常采取在保冷层与钢管之间设置过渡层以及保冷层局部设置伸缩接头的结构来解决不同材料的收缩问题。
在防潮方面，虽然硬质保冷材料本身具备较强的抗水汽渗透能力，但是由于拼接缝及伸缩缝的存在造成了保冷层结构的非连续性，极大地增加水汽渗透的风险。
因此每层硬质保冷材料的外表面均需要敷设连续的防潮层以提高保冷结构整体的防潮性能。
综合来看，LNG管道硬质保冷的典型结构从内到外依次为：过渡层、保冷层、防潮层和外保护层。以PIR为例，其保冷结构如图1所示。
1）缠裹无机纤维类过渡层材料，如玻璃棉，硅酸铝棉、玻璃纤维弹性毡等，厚度控制在1～2cm。
2）安装主体PIR保冷层，注意错缝、压缝，同时每层保冷层均需设置伸缩缝，并用无机纤维类材料进行填充。
3）敷设防潮层。防潮层又分为主防潮层和次级防潮层，其中内侧保冷层一般粘贴铝箔作为次级防潮层，最外侧保冷层涂抹马蹄脂作为主防潮层。
尤其注意的是，最外层伸缩缝处需要额外进行防潮处理，一般采用粘贴丁基橡胶，并用不锈钢带固定。
4）安装金属外保护层。一般采用全镀铝钢板作为外保护层，以咬合结构进行接缝处理。
2、LNG管道柔性保冷结构及施工
与传统的硬质保冷材料相比，以FEF（LT+LTD）为代表的柔性保冷材料，在深冷环境下的弹性使得材料具备膨胀和收缩的特点。
从而可以有效解决LNG管道低温收缩产生的应力累积，避免了伸缩缝的设置。
在另一方面，FEF（LT+LTD）本身具有很高的抗水汽渗透性能且无需设置拼接缝及伸缩缝，因此，材料能够在整个厚度方向上都具备连续的抗水汽渗透能力，无需额外敷设防潮层。
以FEF（LT+LTD）为例，其LNG管道保冷结构如图2所示。
LNG管道FEF（LT+LTD）保冷为三层结构：内层为铝箔耐磨层，中间层以LT+LTD作为保冷层，外层为金属板材保护层。
其中，保冷层又由两种不同的材料组成，内侧LTD是耐低温二烯烃橡胶发泡材料，该材料能在低温下维持良好的柔性以最大程度地减少温变应力，从而确保系统在深冷环境下优异的机械性能；
通过LTD的过渡，使保冷层温度升高到约-50℃，然后外侧使用耐低温丁腈橡胶发泡材料LT，进而赋予整个保冷系统良好的绝热性能、阻燃性能以及经济合理的造价。
LNG管道FEF保冷结构的施工流程大致如下：
1）设置耐磨层，将铝箔复合胶带连续地缠裹在管道表面。
2）安装保冷层。将LT/LTD分层包裹在管道表面，两侧接缝处均匀涂刷特种胶水，当胶水指干时，将接缝对齐、挤压粘接即可。
3）最外侧保冷层接缝防水处理。最外侧保冷层的所有接缝均须采用铝箔自粘胶带进行压缝粘贴做防水处理，粘贴胶带前，被粘贴材料面必须先涂抹胶水，以保证压缝粘贴强度的持久性。
4）安装金属外护层。选择金属板材如镀铝铁皮等作为外保护层，施工时将其包覆在保冷层外并固定，交叠接头处需要用喷枪打入密封剂做防水处理。
结束语
合理选用保冷材料是LNG管道保冷结构设计的前提，而与保冷材料自身性质相匹配的保冷结构设计和严格的施工工艺控制是保证LNG管道保冷效果的关键。
以FG、PIR为代表的硬质保冷和以FEF（LT+LTD）为代表的柔性保冷基本上代表了当前及今后一段时期内LNG管道保冷的主流方向，而保冷材料的最终选取还需要综合考虑工程项目的实际要求。
伴随着世界能源结构的深刻调整，以及对节能环保的不断重视，LNG会在未来的产业份额中占据越来越大的比例，而其中的LNG管道保冷也将朝着节能、环保、高效的方向不断发展。
本文来源：LNG接收站专栏，作者LNG老秘书
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