孙学东:加热炉隔热保温涂料应用情况分析

2022-05-25 10:57:18 677

天然气在开采、集输过程中,为防止温度过低而导致水合物凝结成固体,常常需要利用加热炉给天然气加热。加热炉是天然气集输系统中不可缺少的重要设备,通常用于井口、计量站、接转站等。其利用燃料在炉膛内燃烧产生高温火焰与烟气作为热源,通过热量传导、辐射传热和对流传热来加热炉管中流动的天然气,使其达到生产所需的温度,以便进行运输和分离,是消耗能量最多的设备。为了降低加热炉能耗,需要对其进行隔热保温,实现加热炉低能耗、高效率运行。

与毡类保温材料相比,隔热保温涂料具有易施工、可涂覆在任何空间受限及异形构件上、导热系数稳定、形成完整封闭结构可有效防止保温层下腐蚀(CUI)等优点,近年来被广泛研究和应用于加热炉的隔热保温。隔热保温涂料经过十几年的快速发展,其研发已进入瓶颈期,涂料产品性能相近,行业竞争加剧。硅酸盐隔热保温涂料虽价格低、隔热性能优,但机械强度较差,在服役期会出现开裂等问题。随着气凝胶材料的不断发展,国内外不断涌现出新型气凝胶隔热保温涂料。陈浩等采用陶瓷微珠为隔热填料制备保温涂料,将其喷涂在加热炉表面,测试结果表明,喷涂涂料后,加热炉表面温度降低约56.7℃,隔热效果十分优异。王宁等通过喷涂节能涂料对加热炉外壁进行了保温处理。结果表明,节能涂料可以明显降低炉壁温度,温度分布均匀且无明显波动;保温涂料使用后,加热炉的散热损失降低了1.87%。孙学东针对加热炉隔热保温需求,研发了一种隔热保温涂料,涂料配方中添加强辐射吸收体、耐高温材料、燃烧催化剂等,制备的涂料可提高约7%的节能效果。陈宝兰将含有中空陶瓷微珠的“T-2”隔热保温涂料应用在加热炉、外浮顶罐表面,结果表明,涂覆2mm涂料,外表面温度由117℃降至73℃,散热损失降低。

1保温层调研与状态评价

现场调研某天然气输气站加热炉隔热保温应用情况。加热炉基本情况如下:由加热炉本体、燃烧机及控制系统、仪表自动化系统、PLC系统四部分组成。运行过程中,未涂覆保温层时炉体外表面温度为80℃。原设计中采用市售某品牌保温涂层(性能参数如表1所示),涂层厚度为6mm,保温涂层底部为环氧防腐底漆,保温涂层外表面涂覆黄色丙烯酸聚氨酯面漆。

表1 原有保温涂层性能参数

目前,该加热炉已运行4a,现场对加热炉进行保温外观检查、隔热保温效果检测,结果如图1所示。

图1 加热炉保温现状

由图1可知,加热炉罐顶出现大面积鼓泡、开裂等现象,去除防护面层后发现保温涂层发生空鼓,且保温涂层强度较低,使用抹刀即可轻松清理。保温涂层下环氧防腐底漆完好,无破损、开裂、鼓泡等现象。这主要是因为隔热保温涂料的隔热性和机械强度相矛盾,在隔热保温涂料配方开发中隔热填料添加量多则隔热性优异,但因成膜基料添加量降低导致机械强度下降。因此,配方设计中需寻找二者性能平衡,并根据易施工、表面平整度要求对配方中纤维用量进行调整,确定综合性能佳、施工性好且表面光滑的涂料配方,以满足应用的可靠性和长效性。


2修复方案

2.1保温涂料优选

采用自研气凝胶隔热保温涂料对原保温涂层缺陷处进行修复。自研气凝胶隔热保温涂料采用SiO2气凝胶、中空玻璃微珠为隔热填料,丙烯酸树脂为成膜基料,ZrO2、TiO2等反射、散射率高的金属氧化物为辅助功能填料,配合混合粒径纤维以增强涂层高低温抗开裂性能,综合性能佳。该保温涂料综合了防腐涂料及保温材料的双重特点,干燥后形成具有一定强度的保温层。其性能参数如表2所示。

表2 自研气凝胶隔热保温涂层性能测试结果为保证涂料施工效率并防止因涂料流挂造成的用量损失过大,若发现保温涂料黏度较高不利于施工的情况,使用前可根据现场试涂情况加入质量分数5%~10%的去离子水或丙烯酸树脂调整涂料黏度,以改善保温涂料的施工性。需要注意的是,若丙烯酸树脂加入量过多会使涂层隔热保温性能下降。

此外,隔热保温涂料内部充满大量开孔结构,水汽渗入会对涂料的隔热保温性能产生影响且会造成保温层下腐蚀等问题,因此保温涂料需配套使用防护面层。不同于钢结构等硬质表面,防护面层涂刷后在保温涂层表面有一定的渗透性,若防护面层渗透性太强也会影响隔热效果,且若其线膨胀系数与保温涂料相差太大,受热胀冷缩的影响,防护面层会发生拉裂,产生裂纹。本文参照GB/T1733—1993及GB/T1771—2007,分别制备耐水性、耐中性盐雾测试用试板,测试自研隔热保温涂料与配套丙烯酸聚氨酯面漆的配套防腐性能。配套方案如表3所示,每个防护方案各制备2块试板,一块用于测定耐水性,一块测定耐盐雾性。其中配套防护方案B中,界面剂为一种具有双向亲和力的胶粘剂,黏结力强,可用于提高保温涂层与面漆之间的黏结力。

表3 隔热保温涂料配套防护面层设计方案

水性色浆

一定实验周期后取出试板,观察表面有无鼓泡、开裂等现象。测试结果如表4所示。

表4 隔热保温涂料配套防护方案耐水、耐盐雾实验结果

水性色浆

由表4可知,方案A直接在干燥保温涂层表面涂刷丙烯酸防护面漆,耐水性实验24h后表面出现密集小鼓泡,局部区域形成大鼓泡。这是因为保温涂层呈疏松多孔的状态,防护面漆与基层黏结不牢,水分蒸发产生的压力使涂膜鼓泡。基于上述问题,方案B和方案C在保温涂层与防护面层之间加设一道具有双向黏性的界面剂,一是可以提高防护面层黏结强度,二是防止防护面层向保温涂层渗透性太强导致隔热性能下降,可以看出,2种方案的涂层在耐水96h、耐盐雾2000h后,涂层表面均无鼓泡和开裂,表明该配套方案的可行性。

2.2保温层厚度计算

根据现场工况环境,计算修复用保温涂层厚度。一般根据GB50264—2013计算保温层厚度与外表面温度,计算公式如式(1)和式(2)所示,此处根据设计的保温层厚度可反推出保温层外表面温度ts及散热损失Q。


式中:D0—设备或管道外径,m;D1—保温层外径,m;t0—设备或管道的外表面温度,℃;ts—保温层外表面温度,℃;ta—环境温度,℃;λ—保温材料导热系数,W/(m·K);as—保温层外表面与空气的换热系数(又称放热系数),W/(m2·K);Q—每平方米保温层外表面的最大允许热损失量,W/m2。

根据现场工况环境,为保证修复后的美观性,保持与原有保温层厚度一致,具体参数如表5所示。

表5 具体参数

水性色浆

根据上述公式计算出保温层外表面温度ts为47.02℃,散热损失Q为197.9W/m2。计算结果表明,修复后保温涂层外表面温度降低至47℃,满足防止烫伤表面温度低于60℃的设计要求。

2.3保温层设计

保温层设计中需考虑到以下问题:(1)若原有保温层底漆已局部破损,拟选用低表面处理环氧涂层(MC-STE-1,中海油常州涂料化工研究院有限公司)作为修补底漆;(2)为了使原保温涂层与修复保温涂层有很好的兼容性,防止修复边界处因涂料差异引起开裂等问题,清除松散的旧保温涂层,交接部位涂敷2道界面剂;(3)为提高保温涂层黏结性,采用80g/m2中碱玻纤网格布平辅,通过网孔结构固定保温涂层;(4)为提高保温层的防水性能,在保温涂层与防护面层之间刷涂界面剂,增加保温涂层与防护面层黏结力的同时防止防护面层向保温涂层的渗透。防护面漆在满足要求的前提下,宜尽可能薄涂。综上,修复保温涂层配套体系如图2所示。

水性色浆

图2 修补保温涂层结构示意图

3施工方案

3.1表面处理

基材表面处理过程如图3所示。首先,彻底清除待涂敷表面松散附着物,观察表面防腐情况,使用铜刷清理已鼓泡原防腐底漆及腐蚀产物;其次,底漆破损区域涂刷单道低表面处理漆,干膜厚度80~100μm;底漆干燥后,在其上部贴敷网格布,涂刷1道保温底涂漆,保温底涂漆干燥后使网格布贴合基材表面;最后将旧涂层边缘用砂纸打磨,使超出边缘20mm外表面区域涂层粗化,并刷涂界面剂覆盖。


图3 基材表面处理过程

3.2保温涂装

保温涂料修补过程如图4所示。网格布上下辊涂第1道保温涂层,使保温涂层覆盖材料表面,厚度不宜过厚,以全部覆盖玻纤网即可;待第1道保温涂层干燥后,刮涂第2道保温涂层,与旧保温层齐平;第2道保温涂层干燥后,相对于旧涂层表面会有收缩,进行补涂并在外表面涂刷可自流平的保温涂料,使表面平整美观。

水性色浆

图4 保温涂料修补施工过程

3.3防护面层涂装

保温涂层配套防护面层施工过程如图5所示。待保温涂层完全干透,表面刷涂2道界面剂;界面剂干燥1h后,涂刷单道丙烯酸聚氨酯面漆,干膜厚度30~50μm。

水性色浆

图5 保温涂层配套防护面层施工过程

3.4修复效果检测

加热炉保温涂层修复完成后,表面平整无明显质量缺陷。测得保温涂层厚度约6mm。采用表面接触式温度计(TES-1310,台湾泰仕)、黏结强度测定仪(ZP-ZDLB10S,石家庄卓普科技有限公司)及导热系数测定仪(TC3200,西安夏溪电子科技有限公司)测定涂层外表面温度、黏结强度及涂层导热系数,检测结果如表6所示。关键词:涂料色浆,色浆厂家,色浆,色浆配方,高浓度水性色浆,油漆色浆,乳胶漆色浆,通用色浆,环保色浆,双组分涂料色浆,2KPU色浆,聚氨酯涂料色浆。

表6 修复保温涂层隔热效果测试结果


由表6结果可知,与原有保温涂层相比,修复后表面温度降低4℃,自研气凝胶隔热保温涂料的导热系数更优,且涂层黏结强度大幅提高(测试数据均为2种品牌产品刚刚投入使用,即服役初期的性能数据)。保证隔热保温效果的同时提高整体机械强度。加热炉内部热量以固体热传导、空气热传递及热辐射3种形式传递,其中固体热传导和热辐射占比较大。在加热炉炉壁上涂刷隔热保温涂料后,其中SiO2气凝胶组成纳米级开孔网络结构,孔隙率较高,孔径<70nm(分子运动平均自由程),因而阻隔空气热对流传导。此外,气凝胶中含量极少的固体骨架也是由纳米颗粒组成,其接触面积非常小,使得气凝胶同样具有极小的固态热导率。气凝胶的热辐射传导主要为发生在3~5μm区域内的红外热辐射,其在常温下能够有效地阻挡红外热辐射。为了进一步降低高温红外热辐射,加入具有反射或散射作用的金属氧化物,以其较高的反射率或散射率将吸收的热能转换成远红外电磁波,使炉壁的热量快速辐射给炉膛,同时减少了炉壁向外的热量损耗,提高了热效率。在成膜过程中,纤维可以与高聚高分子链之间形成互相搭接网络结构,这种网络结构可以减小成膜收缩和温差引起的胀缩变化,从而使涂料具有很好的稳定性和黏结强度,保证涂层在每遍涂刷一定的厚度时不会产生裂纹。

4结语

自研气凝胶隔热保温涂料适用于加热炉表面保温修复,可以明显降低炉壁温度,有效减少外壁散热损耗,提高加热炉热效率;在产品服役初期与原有保温涂层相比,修复用气凝胶保温涂层隔热效果更优,且在保证隔热效果的同时提高保温涂层机械强度;保温涂层表面设计界面剂加防护面层防护方案,可提高配套体系耐水、耐盐雾性能,降低保温层下的腐蚀风险。

    本文来源:2022《涂料工业》第四期



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