保冷工程中储罐保冷材料的选择与结构设计

1.深冷绝热方法

（1）普通保冷法 使用能耐低温的普通保冷材料，可以用普通的保冷施工方法。这种方法施工简便、费用也低，适用大型LNG的储罐、低温管道和LNG船上的储罐保冷。但是，要确定好以下几点，才能得到良好的保冷效果：

1）确认在极低温条件下，保冷材料的绝热特性和力学性能。

2）考虑保冷材料和储罐、容器或管线的收缩程度不同。

3）要有一层潮气、水分透不过去的防潮层，而且要将保冷材料的接缝处加以密封，或者设计成能阻碍空气流通的结构，以减少接缝处的热量进入；另外作为保冷材料，要使用独立气泡（闭孔）结构的材料，以保证防潮层出现缺陷时也不会受到大的影响。

4）要尽可能选用绝热性能好的保冷材料，这对于减少管线保冷层的外表面积尤为重要。

（2）高真空保冷层 提高气体的真空度，当气体分子的平均自由行程越长时，热导率与压力的比例就会越小，从而便可获得较高的绝热性。此时传热量主要依靠热辐射，所以需要有辐射系数尽可能小的表面。可以在其表面涂低辐射的材料，如铝、铜、银、金等；另外也有用在真空状态下加注密封液，以保持液体绝热的方法。这是一种局部超低温工况所用的保冷方法，其费用相当昂贵，仅适用于特殊条件下的保冷。

（3）粉末填充真空 这是一种将珍珠岩、玻璃纤维、硅胶等粉末填充到保冷管和外套之间的空间里的方法。这种方法比高真空法保冷层的容积和重量都要大，但在真空度为1.34Pa时是有利的。这种方法的优点在于即使真空的外套发生了泄漏，由于珍珠岩等本身的绝热性，可趁还未冻结的机会进行检修。目前根据使用方法，即使在极低温度范围内，也可以进行具有很高经济性的设计。但对大型储罐深冷绝热却有一定困难（要达到1.34Pa真空是有困难的）。

（4）叠层（多层）真空绝热 这种方法是将热导率低的材料制成的薄隔板和防热辐射板重合成几层，放进高真空的空间里。玻璃棉的薄栅网可作隔板用，放热辐射可用将真空镀铝的聚四苯二酸乙烯塑料薄膜交错缠绕的板料。这种方法的缺点是当保持真空的外套不慎发生泄漏时，会即刻结冻，给维修带来困难。目前由于制作困难，机械耐久性不稳定，而且造价高，所以不大常用，是极低温或超低温时可能采用的保冷方法。

2.常用深冷绝热材料

对于LNG船的液罐保冷绝热材料，有聚氨酯、酚醛、聚氯乙烯、聚苯乙烯等发泡塑料，以及粒状的膨胀珍珠岩、玻璃纤维等材料，在使用中都存在着一定问题。保冷材料大致有气孔型、纤维型和气泡型三类。储罐绝热结构设计不好、选择材料不合适或施工不良等原因，都会使绝热结构出现裂纹、间隙等，从而引起船体内局部产生脆性裂纹损伤，因此掌握材料的特性很重要。

常用保冷绝热材料的分类见表3-22。保冷材料的性能和优缺点见表3-23、表3-24。从热导率看，硬质聚氨酯泡沫塑料最小；绝热性能最好，是深冷绝热的白材料；从耐燃性看，无机材料膨胀珍珠岩和泡沫玻璃最佳；从吸水率看，聚氯乙烯泡沫塑料最小，膨胀珍珠岩塑料最大。

表3-22 常用保冷绝热材料分类

表3-23 保冷材料的性能（常温至-200℃）

表3-24 保冷材料的优缺点

（续）

3.薄膜型储罐绝热

薄壁型储罐是在船体内部安装绝热材料覆盖在薄金属板上，液体的荷重直接作用在绝热材料和船体上。因此绝热结构不仅要有绝热要求，而且也要有强度要求。薄壁型储罐的保冷结构型式有GT型和TGZ型两种。

（1）GT型GT型薄壁储罐（见图3-8）是法国GTT公司于1965年开发的。1969年建造的“极性阿拉斯加号（71500m³）船”是世界上最早的薄壁型储罐LNG船。此后，该型船迅速大型化并达到130000m³。GT薄壁型储罐产品有两种型式：第一种是箱型绝热系统，箱内充满膨胀珍珠岩颗粒，绝热箱是用胶合板制造的，标准尺寸为长1200mm、宽1000mm、厚200～300mm，由箱体承受强度，靠箱内膨胀珍珠岩颗粒保持绝热性能，主屏壁与次屏壁均采用0.7mm厚的质量分数为36%镍钢（殷钢），均由绝热箱保冷；第二种是法国GTT公司和美国MDC公司共同开发的GT/MDC型薄壁型液货储罐，主屏壁采用0.7mm厚的质量分数为36%镍钢，次屏壁是三层复合膜和绝热材料，采用玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料。比较上述两种产品，GT/MDC型薄壁液体储罐更有利于提高强度和绝热性能，降低货物液的蒸发率。由于仅是主屏壁采用镍钢，所以降低了产品成本。另外，由于镍钢的线性热膨胀系数非常小，所以几乎没有热变形的影响。该产品虽然绝热性较好，但安装难度较大。

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图3-8 GT型储罐结构

图3-9 TGZ型储罐结构

（2）TGZ型TGZ型薄壁储罐保冷形式（图3-9）已开发出三型产品，其中Ⅰ、Ⅱ型产品类似。TGZ型也是法国GTT公司开发的。Ⅰ型产品首先用于1971年建成的“笛卡尔”号（50000m³）LNG船。此后，该型船逐渐大型化，1978年建造了125000m³级船。

此种薄壁型储罐采用1.2mm薄膜波纹不锈钢。波纹部分的变形能吸收热伸缩，从而避免产生热应力。其主屏壁采用1.2mm厚不锈钢板，次屏壁采用胶合板，绝热材料采用巴尔沙轻质木材。Ⅲ型产品为最新的绝热结构，在双层壳的船体内壳采用增强聚氨酯泡沫塑料与波纹形不锈钢板组合的绝热结构。

对LNG泄漏的对策是：在增强聚氨酯泡沫塑料的层叠间作为次屏壁（二次防壁），安装三层以玻璃布胶粘剂补强的铝薄片为复合材料。薄壁采用1.2mm厚不锈钢板，并以340mm间隔在纵、横方向压制成波纹，以吸收热伸缩。绝热材料需承受液货物的荷重并满足绝热性能，故采用玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫塑料。Ⅲ型产品于1993年首次用于18800m³的小型LNG船，1999年韩国设计的138200m³级LNG船也采用了该型产品。

4.新的深冷绝热材料

根据有关资料报道，LNG船的液罐由于隔热材料和施工质量原因而引起产生冷脆点，导致罐内壳结构产生龟裂的事故不少，如绝热材料柔软性欠缺所致绝热材料龟裂，直接影响液罐壁龟裂。因此，选择良好的绝热材料对深冷保温是极其重要的。

（1）开发增强型耐燃聚氨酯泡沫塑料众所周知，硬质聚氨酯泡沫塑料最大的缺点是阻燃性差，低温下尺寸稳定性差，容易变形开裂，这对于在LNG船上的应用是有一定危险性，因此必须对聚氨酯泡沫塑料进行改性。

1）玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫塑料。在聚氨酯泡沫塑料内添加玻璃纤维，这样不仅保持了聚氨酯泡沫塑料在低温下的绝热性能，而且增强了泡沫体的强度，最重要的在低温下又有良好的尺寸稳定性，减少冷收缩，不会引起泡沫塑料的开裂，并且还提高泡沫塑料的耐燃性，氧指数在30以上，达到了技术应用标准，具有一定的经济性。

2）包覆玻璃布增强硬质聚氨酯泡沫塑料，在硬质聚氨酯泡沫塑料表面包覆一层玻璃钢，玻璃钢的厚度根据需要而定。其目的也是为了提高阻燃性和低温下的尺寸稳定性。

（2）硬质聚氨酯泡沫塑料与其他材料复合

1）泡沫玻璃和硬质聚氨酯泡沫塑料复合。在接近低温处采用泡沫玻璃保冷，在靠近常温处采用硬质聚氨酯泡沫塑料保冷。因为在低温下泡沫玻璃的收缩率接近不锈钢的收缩率，所以泡沫玻璃在低温下不会开裂，不会引起冷脆点，但是泡沫玻璃绝热性差，所以在外层采用聚氨酯泡沫塑料来提高绝热性能，达到保冷的效果，充分发挥了两种材料的优点。

2）酚醛泡沫塑料和硬质聚氨酯泡沫塑料复合。这种方法目前已在日本LNG船的液罐保冷使用，就是在低温液罐处采用增韧的酚醛泡沫塑料，在靠近常温处采用硬质聚氨酯泡沫塑料。酚醛泡沫塑料最大的优点是在低温下尺寸稳定性好，收缩变形小，并且耐燃性优良，在焊枪火焰下不燃烧、不变形、无滴落，只是表面炭化，氧指数可达到50以上；但它有酥脆化和泡孔开孔率高的缺点。所以要解决增韧酚醛泡沫塑料的配方及制造工艺，并且还要提高孔泡的闭孔率。通常采用化学发泡，可以增加泡沫的闭孔率。

（3）开发新颖保冷聚乙烯泡沫塑料保冷材料最实用的是酚醛泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料。聚乙烯泡沫塑料具有闭孔结构特点，热导率低、吸湿和透湿性好、抗腐蚀、收缩率小、抗压强度好、吸收冲击性好而且成本低，所以其用途将日趋广泛。可用作冷藏汽车、冷藏火车、工业管道、容器等的低温下绝热材料。聚乙烯泡沫塑料目前使用温度为80～-120℃，要使其能应用于LNG船上的液罐保冷，必须要开发出在-165℃以下应用的聚乙烯泡沫塑料。

（4）LNG管道保冷绝热材料的发展趋势据有关资料报道，LNG管道保冷绝热材料主要有两种：①日本使用的是以水作为发泡剂的硬质聚氨酯泡沫，这种材料符合环保要求，且其在低温（-50℃）下的热导率与HCFC141b发泡的硬质聚氨酯泡沫很接近；②欧美国家则采用聚异氰脲酸酯泡沫塑料（通常是用聚氨酯改性而成）。该泡沫塑料的耐热性、尺寸稳定性、难燃性及压缩强度都优于硬质聚氨酯泡沫，塑料缺点是成本高于硬质聚氨酯泡沫。

（5）LNG船储罐保冷绝热材料的发展趋势为了提高储罐的保冷效果，降低LNG的蒸发率，从发展方向来看，增强泡沫塑料将成为今后LNG船储罐保冷绝热的主要材料，尤其是增强硬质聚氨酯泡沫更为重中之重。

从20世纪90年代以来，薄壁型储罐保冷材料大多采用玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫塑料，用质量分数为10%的玻璃纤维增强。这是一种理想的保冷材料，不但泡沫的压缩强度提高126%，而且耐燃性氧指数可提高到36。据有关方面介绍，采用增强聚氯乙烯泡沫代替巴尔沙轻质木绝热，选用厚400mm的聚氯乙烯泡沫，可将蒸发率降低到0.09%，这是巴尔沙轻质木无法达到的。

独立型球形储罐保冷材料，大多是将硬质聚氨酯泡沫和酚醛泡沫复合使用，最近趋向于采用长面板的硬质聚氨酯泡沫材料。

SPB型储罐保冷材料大多采用硬质聚氨酯泡沫塑料，也有采用加强聚乙烯泡沫塑料。

从经济上考虑，硬质聚氨酯泡沫的价格低于聚异氰脲酸酯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料，因此日本和韩国大多采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为LNG船储罐的保冷材料。

聚乙烯泡沫塑料的吸水率最小，它也是一种值得探索的应用材料，关键是要解决极低温度下的强度和尺寸稳定性问题。酚醛泡沫塑料只要其脆性有所改善，成本得到降低，在LNG船上应用还是有前途的。