天然氣在開采、集輸過程中，為防止溫度過低而導(dǎo)致水合物凝結(jié)成固體，常常需要利用加熱爐給天然氣加熱。加熱爐是天然氣集輸系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備，通常用于井口、計(jì)量站、接轉(zhuǎn)站等。其利用燃料在爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫火焰與煙氣作為熱源，通過熱量傳導(dǎo)、輻射傳熱和對流傳熱來加熱爐管中流動(dòng)的天然氣，使其達(dá)到生產(chǎn)所需的溫度，以便進(jìn)行運(yùn)輸和分離，是消耗能量最多的設(shè)備。為了降低加熱爐能耗，需要對其進(jìn)行隔熱保溫，實(shí)現(xiàn)加熱爐低能耗、高效率運(yùn)行。

與氈類保溫材料相比，優(yōu)雨工業(yè)氣凝膠絕熱恒冷保溫涂料具有易施工、可涂覆在任何空間受限及異形構(gòu)件上、導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定、形成完整封閉結(jié)構(gòu)可有效防止保溫層下腐蝕（CUI）等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛研究和應(yīng)用于加熱爐的隔熱保溫。隔熱保溫涂料經(jīng)過十幾年的快速發(fā)展，其研發(fā)已進(jìn)入瓶頸期，涂料產(chǎn)品性能相近，行業(yè)競爭加劇。硅酸鹽隔熱保溫涂料雖價(jià)格低、隔熱性能優(yōu)，但機(jī)械強(qiáng)度較差，在服役期會出現(xiàn)開裂等問題。隨著氣凝膠材料的不斷發(fā)展，國內(nèi)外不斷涌現(xiàn)出新型氣凝膠隔熱保溫涂料。陳浩等采用陶瓷微珠為隔熱填料制備保溫涂料，將其噴涂在加熱爐表面，測試結(jié)果表明，噴涂涂料后，加熱爐表面溫度降低約56.7℃，隔熱效果十分優(yōu)異。王寧等通過噴涂節(jié)能涂料對加熱爐外壁進(jìn)行了保溫處理。結(jié)果表明，節(jié)能涂料可以明顯降低爐壁溫度，溫度分布均勻且無明顯波動(dòng)；保溫涂料使用后，加熱爐的散熱損失降低了1.87%。孫學(xué)東針對加熱爐隔熱保溫需求，研發(fā)了一種隔熱保溫涂料，涂料配方中添加強(qiáng)輻射吸收體、耐高溫材料、燃燒催化劑等，制備的涂料可提高約7%的節(jié)能效果。陳寶蘭將含有中空陶瓷微珠的“T-2”隔熱保溫涂料應(yīng)用在加熱爐、外浮頂罐表面，結(jié)果表明，涂覆2mm涂料，外表面溫度由117℃降至73℃，散熱損失降低。

1保溫層調(diào)研與狀態(tài)評價(jià)

現(xiàn)場調(diào)研某天然氣輸氣站加熱爐隔熱保溫應(yīng)用情況。加熱爐基本情況如下：由加熱爐本體、燃燒機(jī)及控制系統(tǒng)、儀表自動(dòng)化系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)四部分組成。運(yùn)行過程中，未涂覆保溫層時(shí)爐體外表面溫度為80℃。原設(shè)計(jì)中采用市售某品牌保溫涂層（性能參數(shù)如表1所示），涂層厚度為6mm，保溫涂層底部為環(huán)氧防腐底漆，保溫涂層外表面涂覆黃色丙烯酸聚氨酯面漆。

表1 原有保溫涂層性能參數(shù)

目前，該加熱爐已運(yùn)行4a，現(xiàn)場對加熱爐進(jìn)行保溫外觀檢查、隔熱保溫效果檢測，結(jié)果如圖1所示。

圖1 加熱爐保溫現(xiàn)狀

由圖1可知，加熱爐罐頂出現(xiàn)大面積鼓泡、開裂等現(xiàn)象，去除防護(hù)面層后發(fā)現(xiàn)保溫涂層發(fā)生空鼓，且保溫涂層強(qiáng)度較低，使用抹刀即可輕松清理。保溫涂層下環(huán)氧防腐底漆完好，無破損、開裂、鼓泡等現(xiàn)象。這主要是因?yàn)楦魺岜赝苛系母魺嵝院蜋C(jī)械強(qiáng)度相矛盾，在隔熱保溫涂料配方開發(fā)中隔熱填料添加量多則隔熱性優(yōu)異，但因成膜基料添加量降低導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度下降。因此，配方設(shè)計(jì)中需尋找二者性能平衡，并根據(jù)易施工、表面平整度要求對配方中纖維用量進(jìn)行調(diào)整，確定綜合性能佳、施工性好且表面光滑的涂料配方，以滿足應(yīng)用的可靠性和長效性。

2修復(fù)方案

2.1保溫涂料優(yōu)選

采用自研氣凝膠隔熱保溫涂料對原保溫涂層缺陷處進(jìn)行修復(fù)。自研氣凝膠隔熱保溫涂料采用SiO₂氣凝膠、中空玻璃微珠為隔熱填料，丙烯酸樹脂為成膜基料，ZrO₂、TiO₂等反射、散射率高的金屬氧化物為輔助功能填料，配合混合粒徑纖維以增強(qiáng)涂層高低溫抗開裂性能，綜合性能佳。該保溫涂料綜合了防腐涂料及保溫材料的雙重特點(diǎn)，干燥后形成具有一定強(qiáng)度的保溫層。其性能參數(shù)如表2所示。

表2 自研氣凝膠隔熱保溫涂層性能測試結(jié)果

為保證涂料施工效率并防止因涂料流掛造成的用量損失過大，若發(fā)現(xiàn)保溫涂料黏度較高不利于施工的情況，使用前可根據(jù)現(xiàn)場試涂情況加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%~10%的去離子水或丙烯酸樹脂調(diào)整涂料黏度，以改善保溫涂料的施工性。需要注意的是，若丙烯酸樹脂加入量過多會使涂層隔熱保溫性能下降。

此外，隔熱保溫涂料內(nèi)部充滿大量開孔結(jié)構(gòu)，水汽滲入會對涂料的隔熱保溫性能產(chǎn)生影響且會造成保溫層下腐蝕等問題，因此保溫涂料需配套使用防護(hù)面層。不同于鋼結(jié)構(gòu)等硬質(zhì)表面，防護(hù)面層涂刷后在保溫涂層表面有一定的滲透性，若防護(hù)面層滲透性太強(qiáng)也會影響隔熱效果，且若其線膨脹系數(shù)與保溫涂料相差太大，受熱脹冷縮的影響，防護(hù)面層會發(fā)生拉裂，產(chǎn)生裂紋。本文參照GB/T1733—1993及GB/T1771—2007，分別制備耐水性、耐中性鹽霧測試用試板，測試自研隔熱保溫涂料與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，每個(gè)防護(hù)方案各制備2塊試板，一塊用于測定耐水性，一塊測定耐鹽霧性。其中配套防護(hù)方案B中，界面劑為一種具有雙向親和力的膠粘劑，黏結(jié)力強(qiáng)，可用于提高保溫涂層與面漆之間的黏結(jié)力。

表3 隔熱保溫涂料配套防護(hù)面層設(shè)計(jì)方案

一定實(shí)驗(yàn)周期后取出試板，觀察表面有無鼓泡、開裂等現(xiàn)象。測試結(jié)果如表4所示。

表4 隔熱保溫涂料配套防護(hù)方案耐水、耐鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，方案A直接在干燥保溫涂層表面涂刷丙烯酸防護(hù)面漆，耐水性實(shí)驗(yàn)24h后表面出現(xiàn)密集小鼓泡，局部區(qū)域形成大鼓泡。這是因?yàn)楸赝繉映适杷啥嗫椎臓顟B(tài)，防護(hù)面漆與基層黏結(jié)不牢，水分蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力使涂膜鼓泡。基于上述問題，方案B和方案C在保溫涂層與防護(hù)面層之間加設(shè)一道具有雙向黏性的界面劑，一是可以提高防護(hù)面層黏結(jié)強(qiáng)度，二是防止防護(hù)面層向保溫涂層滲透性太強(qiáng)導(dǎo)致隔熱性能下降，可以看出，2種方案的涂層在耐水96h、耐鹽霧2000h后，涂層表面均無鼓泡和開裂，表明該配套方案的可行性。

2.2保溫層厚度計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場工況環(huán)境，計(jì)算修復(fù)用保溫涂層厚度。一般根據(jù)GB50264—2013計(jì)算保溫層厚度與外表面溫度，計(jì)算公式如式（1）和式（2）所示，此處根據(jù)設(shè)計(jì)的保溫層厚度可反推出保溫層外表面溫度ts及散熱損失Q。

式中：D₀—設(shè)備或管道外徑，m；D₁—保溫層外徑，m；t₀—設(shè)備或管道的外表面溫度，℃；t_s—保溫層外表面溫度，℃；t_a—環(huán)境溫度，℃；λ—保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；a_s—保溫層外表面與空氣的換熱系數(shù)（又稱放熱系數(shù)），W/（m²·K）；Q—每平方米保溫層外表面的最大允許熱損失量，W/m²。

根據(jù)現(xiàn)場工況環(huán)境，為保證修復(fù)后的美觀性，保持與原有保溫層厚度一致，具體參數(shù)如表5所示。

表5 具體參數(shù)

根據(jù)上述公式計(jì)算出保溫層外表面溫度t_s為47.02℃，散熱損失Q為197.9W/m²。計(jì)算結(jié)果表明，修復(fù)后保溫涂層外表面溫度降低至47℃，滿足防止?fàn)C傷表面溫度低于60℃的設(shè)計(jì)要求。

2.3保溫層設(shè)計(jì)

保溫層設(shè)計(jì)中需考慮到以下問題：（1）若原有保溫層底漆已局部破損，擬選用低表面處理環(huán)氧涂層（MC-STE-1，中海油常州涂料化工研究院有限公司）作為修補(bǔ)底漆；（2）為了使原保溫涂層與修復(fù)保溫涂層有很好的兼容性，防止修復(fù)邊界處因涂料差異引起開裂等問題，清除松散的舊保溫涂層，交接部位涂敷2道界面劑；（3）為提高保溫涂層黏結(jié)性，采用80g/m2中堿玻纖網(wǎng)格布平輔，通過網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)固定保溫涂層；（4）為提高保溫層的防水性能，在保溫涂層與防護(hù)面層之間刷涂界面劑，增加保溫涂層與防護(hù)面層黏結(jié)力的同時(shí)防止防護(hù)面層向保溫涂層的滲透。防護(hù)面漆在滿足要求的前提下，宜盡可能薄涂。綜上，修復(fù)保溫涂層配套體系如圖2所示。

圖2 修補(bǔ)保溫涂層結(jié)構(gòu)示意圖

3施工方案

3.1表面處理

基材表面處理過程如圖3所示。首先，徹底清除待涂敷表面松散附著物，觀察表面防腐情況，使用銅刷清理已鼓泡原防腐底漆及腐蝕產(chǎn)物；其次，底漆破損區(qū)域涂刷單道低表面處理漆，干膜厚度80~100μm；底漆干燥后，在其上部貼敷網(wǎng)格布，涂刷1道保溫底涂漆，保溫底涂漆干燥后使網(wǎng)格布貼合基材表面；最后將舊涂層邊緣用砂紙打磨，使超出邊緣20mm外表面區(qū)域涂層粗化，并刷涂界面劑覆蓋。

圖3 基材表面處理過程

3.2保溫涂裝

保溫涂料修補(bǔ)過程如圖4所示。網(wǎng)格布上下輥涂第1道保溫涂層，使保溫涂層覆蓋材料表面，厚度不宜過厚，以全部覆蓋玻纖網(wǎng)即可；待第1道保溫涂層干燥后，刮涂第2道保溫涂層，與舊保溫層齊平；第2道保溫涂層干燥后，相對于舊涂層表面會有收縮，進(jìn)行補(bǔ)涂并在外表面涂刷可自流平的保溫涂料，使表面平整美觀。

圖4 保溫涂料修補(bǔ)施工過程

3.3防護(hù)面層涂裝

保溫涂層配套防護(hù)面層施工過程如圖5所示。待保溫涂層完全干透，表面刷涂2道界面劑；界面劑干燥1h后，涂刷單道丙烯酸聚氨酯面漆，干膜厚度30~50μm。

圖5 保溫涂層配套防護(hù)面層施工過程

3.4修復(fù)效果檢測

加熱爐保溫涂層修復(fù)完成后，表面平整無明顯質(zhì)量缺陷。測得保溫涂層厚度約6mm。采用表面接觸式溫度計(jì)（TES-1310，臺灣泰仕）、黏結(jié)強(qiáng)度測定儀（ZP-ZDLB10S，石家莊卓普科技有限公司）及導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（TC3200，西安夏溪電子科技有限公司）測定涂層外表面溫度、黏結(jié)強(qiáng)度及涂層導(dǎo)熱系數(shù)，檢測結(jié)果如表6所示。

表6 修復(fù)保溫涂層隔熱效果測試結(jié)果

由表6結(jié)果可知，與原有保溫涂層相比，修復(fù)后表面溫度降低4℃，自研氣凝膠隔熱保溫涂料的導(dǎo)熱系數(shù)更優(yōu)，且涂層黏結(jié)強(qiáng)度大幅提高（測試數(shù)據(jù)均為2種品牌產(chǎn)品剛剛投入使用，即服役初期的性能數(shù)據(jù)）。保證隔熱保溫效果的同時(shí)提高整體機(jī)械強(qiáng)度。加熱爐內(nèi)部熱量以固體熱傳導(dǎo)、空氣熱傳遞及熱輻射3種形式傳遞，其中固體熱傳導(dǎo)和熱輻射占比較大。在加熱爐爐壁上涂刷隔熱保溫涂料后，其中SiO₂氣凝膠組成納米級開孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率較高，孔徑<70nm（分子運(yùn)動(dòng)平均自由程），因而阻隔空氣熱對流傳導(dǎo)。此外，氣凝膠中含量極少的固體骨架也是由納米顆粒組成，其接觸面積非常小，使得氣凝膠同樣具有極小的固態(tài)熱導(dǎo)率。氣凝膠的熱輻射傳導(dǎo)主要為發(fā)生在3~5μm區(qū)域內(nèi)的紅外熱輻射，其在常溫下能夠有效地阻擋紅外熱輻射。為了進(jìn)一步降低高溫紅外熱輻射，加入具有反射或散射作用的金屬氧化物，以其較高的反射率或散射率將吸收的熱能轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)紅外電磁波，使?fàn)t壁的熱量快速輻射給爐膛，同時(shí)減少了爐壁向外的熱量損耗，提高了熱效率。在成膜過程中，纖維可以與高聚高分子鏈之間形成互相搭接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以減小成膜收縮和溫差引起的脹縮變化，從而使涂料具有很好的穩(wěn)定性和黏結(jié)強(qiáng)度，保證涂層在每遍涂刷一定的厚度時(shí)不會產(chǎn)生裂紋。

4結(jié)語

自研氣凝膠隔熱保溫涂料適用于加熱爐表面保溫修復(fù)，可以明顯降低爐壁溫度，有效減少外壁散熱損耗，提高加熱爐熱效率；在產(chǎn)品服役初期與原有保溫涂層相比，修復(fù)用氣凝膠保溫涂層隔熱效果更優(yōu)，且在保證隔熱效果的同時(shí)提高保溫涂層機(jī)械強(qiáng)度；保溫涂層表面設(shè)計(jì)界面劑加防護(hù)面層防護(hù)方案，可提高配套體系耐水、耐鹽霧性能，降低保溫層下的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。