天然氣在開采、集輸過程中，為防止溫度過低而導致水合物凝結成固體，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中不可缺少的重要設備，通常用于井口、計量站、接轉站等。其利用燃料在爐膛內燃燒產生高溫火焰與煙氣作為熱源，通過熱量傳導、輻射傳熱和對流傳熱來加熱爐管中流動的天然氣，使其達到生產所需的溫度，以便進行運輸和分離，是消耗能量最多的設備。為了降低加熱爐能耗，需要對其進行隔熱保溫，實現加熱爐低能耗、高效率運行。

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件上、導熱系數穩(wěn)定、形成完整封閉結構可有效防止保溫層下腐蝕（CUI）等優(yōu)點，近年來被廣泛研究和應用于加熱爐的隔熱保溫。隔熱保溫涂料經過十幾年的快速發(fā)展，其研發(fā)已進入瓶頸期，涂料產品性能相近，行業(yè)競爭加劇。硅酸鹽隔熱保溫涂料雖價格低、隔熱性能優(yōu)，但機械強度較差，在服役期會出現開裂等問題。隨著氣凝膠材料的不斷發(fā)展，國內外不斷涌現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行了保溫處理。結果表明，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；保溫涂料使用后，加熱爐的散熱損失降低了1.87%。孫學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”隔熱保溫涂料應用在加熱爐、外浮頂罐表面，結果表明，涂覆2mm涂料，外表面溫度由117℃降至73℃，散熱損失降低。

1保溫層調研與狀態(tài)評價

現場調研某天然氣輸氣站加熱爐隔熱保溫應用情況。加熱爐基本情況如下：由加熱爐本體、燃燒機及控制系統、儀表自動化系統、PLC系統四部分組成。運行過程中，未涂覆保溫層時爐體外表面溫度為80℃。原設計中采用市售某品牌保溫涂層（性能參數如表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

目前，該加熱爐已運行4a，現場對加熱爐進行保溫外觀檢查、隔熱保溫效果檢測，結果如圖1所示。

圖1 加熱爐保溫現狀

由圖1可知，加熱爐罐頂出現大面積鼓泡、開裂等現象，去除防護面層后發(fā)現保溫涂層發(fā)生空鼓，且保溫涂層強度較低，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、鼓泡等現象。這主要是因為隔熱保溫涂料的隔熱性和機械強度相矛盾，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致機械強度下降。因此，配方設計中需尋找二者性能平衡，并根據易施工、表面平整度要求對配方中纖維用量進行調整，確定綜合性能佳、施工性好且表面光滑的涂料配方，以滿足應用的可靠性和長效性。

2修復方案

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行修復。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，干燥后形成具有一定強度的保溫層。其性能參數如表2所示。

表2 自研氣凝膠隔熱保溫涂層性能測試結果

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)現保溫涂料黏度較高不利于施工的情況，使用前可根據現場試涂情況加入質量分數5%~10%的去離子水或丙烯酸樹脂調整涂料黏度，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，隔熱保溫涂料內部充滿大量開孔結構，水汽滲入會對涂料的隔熱保溫性能產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面層。不同于鋼結構等硬質表面，防護面層涂刷后在保溫涂層表面有一定的滲透性，若防護面層滲透性太強也會影響隔熱效果，且若其線膨脹系數與保溫涂料相差太大，受熱脹冷縮的影響，防護面層會發(fā)生拉裂，產生裂紋。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，每個防護方案各制備2塊試板，一塊用于測定耐水性，一塊測定耐鹽霧性。其中配套防護方案B中，界面劑為一種具有雙向親和力的膠粘劑，黏結力強，可用于提高保溫涂層與面漆之間的黏結力。

表3 隔熱保溫涂料配套防護面層設計方案

一定實驗周期后取出試板，觀察表面有無鼓泡、開裂等現象。測試結果如表4所示。

表4 隔熱保溫涂料配套防護方案耐水、耐鹽霧實驗結果

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面漆，耐水性實驗24h后表面出現密集小鼓泡，局部區(qū)域形成大鼓泡。這是因為保溫涂層呈疏松多孔的狀態(tài)，防護面漆與基層黏結不牢，水分蒸發(fā)產生的壓力使涂膜鼓泡?；谏鲜鰡栴}，方案B和方案C在保溫涂層與防護面層之間加設一道具有雙向黏性的界面劑，一是可以提高防護面層黏結強度，二是防止防護面層向保溫涂層滲透性太強導致隔熱性能下降，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保溫層厚度計算

根據現場工況環(huán)境，計算修復用保溫涂層厚度。一般根據GB50264—2013計算保溫層厚度與外表面溫度，計算公式如式（1）和式（2）所示，此處根據設計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—設備或管道外徑，m；D₁—保溫層外徑，m；t₀—設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—保溫材料導熱系數，W/（m·K）；a_s—保溫層外表面與空氣的換熱系數（又稱放熱系數），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。

根據現場工況環(huán)境，為保證修復后的美觀性，保持與原有保溫層厚度一致，具體參數如表5所示。

表5 具體參數

根據上述公式計算出保溫層外表面溫度t_s為47.02℃，散熱損失Q為197.9W/m²。計算結果表明，修復后保溫涂層外表面溫度降低至47℃，滿足防止燙傷表面溫度低于60℃的設計要求。

2.3保溫層設計

保溫層設計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）作為修補底漆；（2）為了使原保溫涂層與修復保溫涂層有很好的兼容性，防止修復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性，采用80g/m2中堿玻纖網格布平輔，通過網孔結構固定保溫涂層；（4）為提高保溫層的防水性能，在保溫涂層與防護面層之間刷涂界面劑，增加保溫涂層與防護面層黏結力的同時防止防護面層向保溫涂層的滲透。防護面漆在滿足要求的前提下，宜盡可能薄涂。綜上，修復保溫涂層配套體系如圖2所示。

圖2 修補保溫涂層結構示意圖

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，在其上部貼敷網格布，涂刷1道保溫底涂漆，保溫底涂漆干燥后使網格布貼合基材表面；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

保溫涂料修補過程如圖4所示。網格布上下輥涂第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，進行補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 保溫涂料修補施工過程

3.3防護面層涂裝

保溫涂層配套防護面層施工過程如圖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 保溫涂層配套防護面層施工過程

3.4修復效果檢測

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

表6 修復保溫涂層隔熱效果測試結果

由表6結果可知，與原有保溫涂層相比，修復后表面溫度降低4℃，自研氣凝膠隔熱保溫涂料的導熱系數更優(yōu)，且涂層黏結強度大幅提高（測試數據均為2種品牌產品剛剛投入使用，即服役初期的性能數據）。保證隔熱保溫效果的同時提高整體機械強度。加熱爐內部熱量以固體熱傳導、空氣熱傳遞及熱輻射3種形式傳遞，其中固體熱傳導和熱輻射占比較大。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絡結構，孔隙率較高，孔徑<70nm（分子運動平均自由程），因而阻隔空氣熱對流傳導。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)熱導率。氣凝膠的熱輻射傳導主要為發(fā)生在3~5μm區(qū)域內的紅外熱輻射，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換成遠紅外電磁波，使爐壁的熱量快速輻射給爐膛，同時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絡結構，這種網絡結構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)定性和黏結強度，保證涂層在每遍涂刷一定的厚度時不會產生裂紋。

4結語

自研氣凝膠隔熱保溫涂料適用于加熱爐表面保溫修復，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；在產品服役初期與原有保溫涂層相比，修復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提高保溫涂層機械強度；保溫涂層表面設計界面劑加防護面層防護方案，可提高配套體系耐水、耐鹽霧性能，降低保溫層下的腐蝕風險。