如何设计优秀的绝热结构？

在工业实践中,不同的绝热类型及不同的保温材料其保温结构及要求各不相同。绝热的结构由保温层和保护层组成,保冷结构中还有一道防潮层。

1.绝热结构的设计要求

绝热结构是保冷和保温结构的统称。正确地选择绝热结构,直接关系到绝热效果、投资费用、能量耗损、使用年限及外观整洁美观等问题。因此对绝热结构的设计有如下要求。

(1)绝热结构应有足够的机械强度,能承受自重及外力的冲击,在受风力、雪载荷、空气温度波动及雨水的影响下不致脱落,以保证结构的完整性。

(2)要有良好的保护层,外部的水蒸气、雨水及潮湿泥土的水分不能进入绝热材料内,否则会使绝热材料的导热系数增大,还会使其变软、腐烂、发霉,降低机械强度,破坏绝热结构的完整性,同时也增加了散热损失。

(3)绝热结构要简单,尽量减少材料的消耗量。

(4)绝热结构使用寿命要长,在经济使用年限内应能保持完整,在使用过程中不得有冻坏、烧坏、粉化等现象。

(5)绝热结构应考虑施工简单,如采用预制块材料,以减少施工时间和降低造价,并要便于检查和维修,损坏时易于补换。

(6)绝热结构外表应整齐美观,与周围布置协调,保证车间美观。

2.绝热结构的种类

石油化工装置中,其管道、容器、反应器、塔器、加热炉、泵和鼓风机等的绝热结构组成如下。

根据采用保温材料的性质、保温层的结构形式和安装方法不同,保温结构通常有下列几种。

(1)胶泥涂抹结构 这种结构已较少采用,只有外形较复杂的特殊管道构件或临时性保温才使用。这种结构的施工方法是将管道、管件壁清扫干净,焊上保温钩(钩的间距为250～300mm),刷防腐漆后,再将已经拌好的保温胶泥分层进行涂抹。第一层可用较稀的胶泥散敷,厚度为3～5mm,待完全干后再敷第二层,厚度为10～15mm;第二层干后再敷第三层,厚度为20～25mm,以后分层涂抹,直到达到设计要求厚度为止。然后外包镀锌铁丝网一层,用镀锌铁丝网绑在保温钩上;如果保温厚度为100mm以上或形状特殊、保温材料容易脱落的,可用第二层铁丝网,外面再抹15～20mm保护层,保护层应光滑无裂缝。

(2)填充结构 一般采用圆钢或扁钢作支承环,将环套上或焊在管道外壁,在支承环外包镀锌铁丝网或镀锌铁皮,在中间填充疏松散状的保温材料。这种结构常用于表面不规则的管道、阀门的保温。由于施工时难以做到保证质量,因此填充时要注意填充材料应达到设计要求的容重,若填充不均匀会影响保温效果。这种结构由于使用散料填充,粉尘容易飞扬、影响施工人员的健康。现除局部异形部件保温及制冷装置采用外,也已很少采用。填充材料有矿渣棉、玻璃棉、超细玻璃棉及珍珠岩散料等。

(3)包扎结构 是利用毡、席、绳或带类的半成品保温材料,在现场剪成所需要的尺寸,然后包扎于管道上,包扎一层材料达不到设计厚度时,可以包扎两层或三层。包扎时要求接缝严密,厚薄均匀,保温层外面用玻璃布缠绕扎紧。包扎结构材料有:矿渣棉毡和席、玻璃棉毡、硅酸铝布等。

(4)复合结构 适用于较高温度(如650℃以上)的管道的保温。施工时将耐热度高的材料作为里层,耐热度低的材料作为外层,组成双层或多层复合结构,既满足保温要求,又可以减轻保温层的重量,能有效降低工程费用。如温度高于450℃的管道,以硅酸铝布作为第一层保温后,可使第一层保温层外表面的温度降低到250℃左右,再用耐温合适的保温材料作为第二层保温层,这种结构对高温管道特别适用。

(5)浇灌式结构和喷涂结构 是将发泡材料的现场浇灌入被保温的管道的模壳中,发泡成保温层结构。这种结构过去常用于地沟内的管道,即在现场浇灌泡沫混凝土保温层。近年来随着泡沫塑料工业的发展,对管道、阀门、管件、法兰及其他异形部件的保冷,常用聚氨酯泡沫塑料原料在现场发泡,以形成良好的保冷层。

喷涂为近年来发展起来的一种新的施工方法,化工厂制冷装置的保冷是将聚氨酯泡沫塑料原料在现场喷涂于管道外壁,使其瞬间发泡,形成闭孔泡沫塑料保冷层。这种结构施工方便,但要注意施工安全。

(6)预制块结构 是将保温材料预制成硬质或半硬质的成型制品,如管壳、板、块、砖及特殊成形材料,施工时将成形预制块用钩钉或铁丝捆扎在管道壁上构成保温层。

3.绝热结构设计的规定和要求

(1)防腐层设计

对碳钢、铸铁、铁素体合金钢管道,在清除其表面铁锈、油脂及污垢后,保温时应涂1～2道防锈底漆,保冷时应涂两道冷底子油。

(2)绝热层设计

绝热层厚度一般按10mm为单位进行分档。硬质绝热材料制品最小厚度为30mm,硬质泡沫塑料最小厚度可为20mm。

①绝热层分层规定:除浇注型和填充型外,绝热层应按下列规定分层。

a.绝热层总厚度δ＞80mm时,应分层敷设(硬质保温材料暂可存留δ＞100mm的分层规定),当内外层采用同种绝热材料时,内外层厚度宜大致相等。

b.当内外层为不同绝热材料时,内外层厚度的比例应保证内外层界面处温度不超过外层材料安全使用温度的0.9倍(以℃计算)。 (www.xing528.com)

②绝热结构支承件:对立管和平壁面的绝热结构,应设支承件。支承件应符合下列规定。

a.支承件的支承面宽度应控制在小于绝热层厚度10～20mm以内。

b.支承件的间距 立管(包括水平夹角大于45°的管道)支承件的间距,保温时,平壁为1.5～2m;保温圆筒,在高温介质时为2～3m,在中、低温介质时为3～5m;保冷时,均不得大于5m。

c.立式圆筒绝热层可用环形钢板、管卡顶焊半环钢板、角铁顶焊钢筋等做成的支承件支承。

d.不锈钢及有色金属管道上的支承件,应采用抱箍型结构。

③绝热层用钩钉和销钉设置:保温层用钩钉、销钉是用φ3～φ6mm的低碳圆钢制作(软质材料用下限)。硬质材料保温钉的间距为300～600mm,保温钉宜根据制品几何尺寸设在缝中,作攀系绝热层的柱桩用。软质材料保温钉的间距不得大于350 mm。每平方米面积上钉的个数:侧面不少于6个,底部不少于8个。

④捆扎件结构

a.保温层捆扎:保温结构中一般采用镀锌铁线、镀锌钢带作保温结构的捆扎材料。DN≤100mm的管道,宜用φ0.8 mm双股镀锌铁丝捆扎;100 mm＜DN≤600 mm的管道,宜用φ1～φ1.2mm双股镀锌铁丝捆扎;600mm＜DN≤1000mm的管道,宜用12mm×0.5mm镀锌钢带或φ1.6～φ2.5mm镀锌铁丝捆扎;DN＞1000mm的管道,宜用20mm×0.5mm镀锌钢带捆扎。

捆扎间距为200～400mm(软质材料靠下限),每块绝热材料至少要捆扎两道。

b.保冷层捆扎:保冷结构中最外层捆扎方法、材料与保温结构的捆扎方法相同。双层或多层保冷时,其内层应逐层捆扎,捆扎材料采用不锈钢。

⑤伸缩缝设置

a.绝热层为硬质制品时,按绝热材料膨胀量正、负值来决定是否应留设伸缩缝。一般硅酸钙、珍珠岩在受热后收缩,可用软质绝热材料将缝隙填平。材料的性能应满足(保冷用憎水型)介质温度要求。

b.伸缩缝宽度为20～25 mm。伸缩缝间距:直管直段长每隔3.5～5 m应设一伸缩缝(中、低温靠上限,高温和深冷靠下限)。

(3)防潮层设计

①保冷管道的保冷层表面、埋地管道的保温表面及地沟内敷设的保温管道,其保温层外表面应设防潮层。

②防潮层的材料应符合选材规定,防潮层在环境变化与振动情况下应能保持其结构的完整性和密封性。

(4)保护层设计

绝热结构外层必须设置保护层。保护层的设计必须切实起到保护绝热层作用,以阻挡环境和外力对绝热材料的影响,延长绝热结构的寿命。保护层应使绝热结构外表整齐、美观。

保护层结构应严密和牢固,在环境变化和振动情况下不渗雨(室内例外)、不裂纹、不散缝、不坠落。

①保护层选择 一般宜选用金属外壳保护层,腐蚀性严重的环境下宜采用不锈钢和非金属保护层。

②保护层厚度选择(表6-5)

表6-5　不同使用场合的保护层厚度　　单位:mm

注:需增加刚度的保护层可采用瓦楞板形式。

③金属保护层接缝形式:可根据具体情况选用搭接、插接或咬接形式。

a.硬质绝热制品金属保护层纵缝,在不损坏里面制品及防潮层前提下可进行咬接。半硬质和软质绝热制品的金属保护层的纵缝可用插接或搭接。插接缝可用自攻螺钉或抽芯铆钉固定(立式保护层有防坠落要求者除外)。

b.金属保温层的环缝,可采用搭接或插接(重叠宽度30～50mm)。搭接或插接的环缝上,水平管道一般不应使用螺钉或铆钉固定(立式保护层有防坠落要求者除外)。