【海川化工分享】二氧化硅气凝胶毡在直埋蒸汽管的应用

1   概述

气凝胶由美国斯坦福大学Kister于1931年通过水解水玻璃首次制得［1］，直到1993年，气凝胶才被应用到航空航天、化工等领域［2-4］。近年来，气凝胶作为一种新型绝热材料在供热领域的应用越来越多，目前市场上常见的气凝胶保温材料为二氧化硅气凝胶毡（以下简称气凝胶毡）。气凝胶毡（为柔性材料，可根据绝热对象外形实现弯曲、缠绕敷设）热导率极低，可应用于-200~800 ℃温度范围的保冷、保温、隔热，是工业管道、储罐、设备等最为理想的绝热材料之一。气凝胶毡与其他保温材料技术经济性能比较见表1［5-6］。



表1   气凝胶毡与传统保温材料技术经济性能比较［5-6］

由表1可知，传统保温材料（表1中除气凝胶毡外的保温材料）的性能各异，除耐高温玻璃棉外，其他材料的抗震性能、使用寿命、单位体积吸湿率、强度、纤维均匀度、耐水性、施工难度、施工损耗、对人体健康影响、对环境影响等性能均不理想。因此，近年来耐高温玻璃棉在直埋蒸汽管中的应用比较普遍。与传统保温材料相比，除价格外，气凝胶毡的绝大多数性能指标处于优势地位。本文对保温层分别为单纯采用耐高温玻璃棉和采用气凝胶毡复合耐高温玻璃棉的直埋蒸汽管的技术经济性进行对比分析。

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2   保温结构

①保温结构1

保温结构1为单纯采用耐高温玻璃棉的保温结构，见图1。由图1可知，单纯采用耐高温玻璃棉的直埋蒸汽管设置3层耐高温玻璃棉，反射层材料采用铝箔玻璃纤维布。保温层用捆扎带（钢带或铁丝）分层捆扎，捆扎带间距不大于400 mm。

在多层保温结构中，宜将热导率低的保温材料放置在高温侧，将热导率高的保温材料放置在低温侧［7］。因此，最内层保温层采用气凝胶毡，外层采用耐高温玻璃棉，并辅以铝箔玻璃纤维布。这样，可以充分发挥气凝胶毡在高温环境中的隔热优势，使外层耐高温玻璃棉的厚度大幅降低，以免过厚的耐高温玻璃棉因自重出现下垂，影响保温效果。

3   技术经济性比较

3.1  工程概况



某蒸汽管道工程采用工作钢管规格为D630×10的直埋蒸汽管，全长为1 220 m，设计压力为2.5 MPa，设计温度为300 ℃，管道中心埋深为1.8 m，全年运行。在计算保温结构中各保温层厚度、外护钢管规格的基础上，对两种保温结构的经济性进行比较。



3.2  计算方法与已知参数



保温层厚度、外护钢管规格计算采用控制外护钢管外表面温度法，具体计算方法参照CJJ/T 104—2014《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》及文献［7］。由于直埋蒸汽管敷设在车行道下，因此外护钢管外表面温度按CJJ/T 104—2014第6.1.5条规定的小于或等于50 ℃进行选取，选取为50 ℃。直埋蒸汽管上方地面表面传热系数取12 W/（m2·K），空气层内空气在运行温度下的热导率取0.03 W/（m·K），土壤的热导率取2.78 W/（m·K）。大气温度取管道运行期间最热月平均大气温度28.7 ℃，土壤的自然温度取管道运行期间管道中心埋深处最热月平均温度23.9 ℃。

耐高温玻璃棉热导率λ1的计算式（适用温度范围为70~350  ℃）为［6］：

螺旋缝焊接钢管价格为4 600 元/t，耐高温玻璃棉价格为600 元/m3，气凝胶毡价格为17 000元/m3，环氧煤沥青特加强级防腐层价格为110 元/m2，沟槽开挖及回填单价为30 元/m3。

3.3  计算结果



为便于计算分析，忽略工作钢管、铝箔玻璃纤维布、外护钢管以及防腐层的热阻，不考虑工作钢管的造价。在计算沟槽开挖及回填费用时，沟槽宽度按沟槽两侧壁与直埋蒸汽管外护钢管最宽部分间距为250 mm考虑。根据上述计算方法和已知参数，可计算得到两种保温结构各保温层厚度及外护钢管规格，分别见图3、4。根据保温层厚度、外护钢管规格的计算结果，可计算得到外护钢管质量、保温层体积（见表2），进而计算两种保温结构的经济性参数（见表3）。由表2、3可知，在相同的保温效果下，保温结构2的整体造价稍高于保温结构1，但保温结构2的总保温层厚度更小，保温结构更稳固，有利于蒸汽管道的长期高效、稳定运行，且降低了外护管规格，减少了管道直埋占用空间，有利于城市建设规划。因此，保温结构2的综合优势更强。

图3   保温结构1各保温层厚度及外护钢管规格

图4

   

保温结构2各保温层厚度及外护钢管规格

沙漠里的游鱼 发表于 2018-11-20 14:32
图4   保温结构2各保温层厚度及外护钢管规格

表2   两种保温结构的外护钢管质量、保温层体积

表3

   

两种保温结构的经济性参数

4   结论



在考虑外护钢管、保温材料、沟槽开挖及回填、外防腐层造价的基础上，采用二氧化硅气凝胶毡复合耐高温玻璃棉的保温结构的整体造价要稍高于单纯采用耐高温玻璃棉的保温结构，但考虑大型工程中的外护钢管焊缝焊接与探伤成本后，前者的整体造价应与后者基本持平甚至有所下降。

传统保温材料应用于地埋管，被水一泡就彻底歇菜。

智者明 发表于 2018-11-20 14:56
传统保温材料应用于地埋管，被水一泡就彻底歇菜。

所以要新材料新技术的应用呀

解决了使用范围后，价格会有所松动！产品确实好！

节能环保是大计 发表于 2018-12-2 19:03
解决了使用范围后，价格会有所松动！产品确实好！

应用越多，价格会越经济

关键还是价格。

感谢楼主分享