火電廠常用保溫材料性能的探討

火電廠常用保溫材料性能的探討

在熱能設備的保溫工程中，建筑材料發(fā)揮著非常重要的作用。這就要求大力發(fā)展高效能的保溫材料,從而進一步提高管道和設備的保溫效能,以實現(xiàn)降低能耗的目的。1建筑材料的性能1.1材料的主要物理化學性能(1)保溫材料應具有明確的隨溫度變化的熱導率方程式、圖或表。對于松散或可壓縮的保溫材料,應有在使用密度下的熱導率值、圖或表。(2)保溫材料的主要物理化學性能除應符合國家現(xiàn)行有關產(chǎn)品標準外,其熱導率和密度還應符合表1的要求。(3)保溫材料及其制品應符合優(yōu)選規(guī)定,見《火力發(fā)電廠保溫油漆設計規(guī)程》(DL/T5072-1997)。(4)保溫材料應選用不燃類材料(A級)。(5)保溫設計采用的保溫材料物理化學性能的檢驗報告必須是由國家、部指定的檢測機構按國家標準檢驗而提供的原始文件。1.2溫度和抗壓強度保溫材料的性能指標主要有:熱導率λ(W/m·K),容重γ(kg/m3),最高使用溫度(℃),抗壓強度(MPa),含水率(%)、線膨脹系數(shù)、抗折強度和pH值等。以下就設計中常用的保溫材料性能加以論述。1.2.1保溫層熱性能保溫材料傳遞熱量的性質稱為導熱性。它反映了材料的導熱能力,是保溫材料的主要熱物理特性。導熱系數(shù)與材料的其它一些物理性能(如密度和含水率)密切相關,還與材料的內(nèi)部結構有關,也與保溫層尺寸有關。導熱系數(shù)可由熱導率方程式、圖或表得出。1.2.2最佳容重值的確定在溫度為110℃時經(jīng)過烘干且呈松散狀態(tài)的保溫材料,其單位體積的重量即為該材料的容重。它存在一個最佳容重值的問題,即在最佳容重下,它才具有較小的導熱系數(shù)和較好的保溫效果。在工程中,為節(jié)約能源和減少保溫管道支吊架結構荷重,應盡量采用容重小的保溫材料。一般,軟質和半硬質材料的容重不得大于150kg/m3,硬質材料的容重不得大于220kg/m3。1.2.3工作所能受的極限溫度最高使用溫度是指保溫材料長期安全可靠地工作所能承受的極限溫度。一般保溫材料的使用溫度是指保溫材料在該溫度下長期使用,其理化性能穩(wěn)定,符合設計和運行的技術要求。1.2.4抗壓強度的要求抗壓強度是材料受到壓縮力作用而破損時,每單位原始橫截面上承受的最大壓力負荷。材料的抗壓強度與加工工藝、材料氣孔率等有密切關系?！对O備及管道保溫技術導則》(GB4272-92)規(guī)定硬質制品抗壓強度不應小于0.3MPa。對于軟質、半硬質及松散狀絕熱材料,一般受到壓縮荷載時不會損壞,因此抗壓強度未作規(guī)定。1.2.5影響材料導熱系數(shù)的因素保溫材料吸收水的性質稱為吸水性。材料體積吸水的程度用吸水率來表示。保溫材料的吸濕性,對其保溫效果有很大的影響,吸收的水蒸汽遇冷會凝聚成水或結為冰,從而大大地提高了其導熱系數(shù),甚至引起材料開裂,破壞保溫結構。另外,為了降低保溫材料吸收的水分,除了在施工中應注意防水外,還可以適當?shù)卦诒夭牧现屑尤朐魉畡?如憎水礦棉板和憎水珍珠巖等。1.2.6材料的熱穩(wěn)定性保溫材料受熱時的膨脹特性可用線膨脹系數(shù)表示。保溫材料的線膨脹系數(shù)與材料的熱穩(wěn)定性有密切的關系。如材料的線膨脹系數(shù)較大,則保溫結構受熱后,內(nèi)部因變形會產(chǎn)生較大的應力,當溫度變化劇烈時,保溫結構便會受到破壞。設計保溫結構時,應根據(jù)材料的線膨脹系數(shù)的大小預留一定尺寸的膨脹縫。1.2.7抗骨折強度抗折強度是材料在受到彎曲負荷作用下破壞時,單位面積上所受的力偶矩。1.2.8通過化學腐蝕作用熱力設備及管道使用的保溫材料對金屬表面不應有化學腐蝕作用。一般要求保溫材料必須屬于中性或pH值大于7～8,不得含有可溶性氯化物,硫氧化物的含量不允許大于0.06%。材料使用前應處于干燥狀態(tài)。1.3由建筑材料制成的性能分析1.3.1不同導熱系數(shù)對材料含水率的影響影響導熱系數(shù)大小的因素很多,不同的材料有不同的導熱系數(shù),在材料的組成固定之后,其導熱系數(shù)主要隨著溫度、容重和含水率的變化而變化,其中對其影響最大的是含水率。(1)熱對材料孔隙結構的影響保溫材料在溫度升高時,它的導熱系數(shù)要上升,保溫效果下降。其主要原因是當溫度增高時,分子的熱運動加劇了,在材料空隙中的空氣的導熱系數(shù)均有增加;另一方面,空隙中的熱運動輻射傳熱加強也使導熱系數(shù)上升。溫度對導熱系數(shù)的影響很明顯,高溫管道和設備的保溫不宜采用容重過輕的保溫材料。(2)容重對材料性能的影響容重小、氣孔率大的材料導熱系數(shù)小,除纖維類材料外,保溫材料的導熱系數(shù)隨容重的增加而增大。對于纖維材料,其纖維的直徑、孔隙率和粘結劑的用量等對其性能有顯著的影響。過去有一種片面的見解,認為容重越小越好。事實上這要看具體條件,當使用溫度高時,材料容重高一些反而導熱系數(shù)低,所以有一個選擇最佳容重的問題。當容重較小時,其導熱系數(shù)隨容重的增加而降低,然后再隨容重的增加而升高,存在一個最低導熱系數(shù)下的容重值——稱為最佳容重。(3).水分蒸發(fā)作用由于在影響導熱系數(shù)的諸因素中,水對導熱系數(shù)的影響最大,一旦保溫材料含水,導熱系數(shù)急劇增加,將嚴重地破壞保溫效果。對于某些硬質絕熱材料在含水后由于高溫的作用,水分可以蒸發(fā)一些,但不可能完全干燥。有關資料指出,即使在540℃的蒸汽管道上,可能有潮濕的保溫層,因為通過保溫層的熱傳遞僅能干燥到100℃等溫線,留下的外層保溫層仍然是潮濕的。近年來,像硅酸鈣、珍珠巖、礦棉、玻璃棉、硅酸鋁都有憎水性的制品,雖然如此,對于保溫材料在任何場合,都應杜絕被水侵襲的可能。1.3.2不同概念的對比在保溫材料性能中,應該明確容重和比重是兩個不同的概念。所謂容重是指單位體積的重量,在材料內(nèi)包括了空隙;而比重是指組成該材料的物質的單位體積的重量,它是絕對充實沒有空隙的。1.3.3復合材料容重對材料導熱系數(shù)的影響容重增加則抗壓強度增加,二者成正比關系。然而由于容重的增加,材料的密度也增加,這樣導熱系數(shù)就會增加,所以在選擇保溫材料時,不能一味要求某一性能指標,而應全面考慮。具有多孔特點的保溫材料,容重對材料導熱系數(shù)的影響并不是單純上升或下降的關系。理論和實踐證明,任何保溫材料都存在一個對應于最小導熱系數(shù)值的最佳容重。2判決材料的選用原則保溫材料是絕熱工程應用技術的物質基礎。它在工業(yè)上,特別是在節(jié)能工作中占據(jù)十分重要的地位。對保溫材料的選用,應本著“理化性能良好,綜合價格適中”的原則。無論硬質、半硬質和軟質保溫材料,它們都各自有它的特點,選擇材料時,應本著揚長避短的選材原則,綜合利用,這樣才能充分發(fā)揮各種材料的特性。常用于火力發(fā)電廠設備、管道及其附件的保溫材料簡介如下。(1)不常用的外墻材料硅酸鈣一種理想的硬質保溫材料,它是以氧化硅(石英粉、硅藻土等)、氧化鈣(也有用消石灰、電石渣等)和增強纖維為主要原料,經(jīng)過攪拌、加熱、凝膠、蒸壓硬化、干燥等工序制成的一種保溫材料。硅酸鈣具有容重輕,導熱系數(shù)小,外形美觀,施工方便,對管道無腐蝕等優(yōu)點,但其吸水性強,易破碎,有時生產(chǎn)工藝掌握不好制品使用時易產(chǎn)生裂紋,同時其生產(chǎn)過程中耗能較多。近年來,由于國際國內(nèi)對石棉制品的限制使用,出現(xiàn)了無石棉硅酸鈣,原產(chǎn)品中的石棉用無堿玻璃纖維或優(yōu)質紙漿(麻漿、棉漿)代替,其各項性能基本保持不變。(2)礦棉、巖棉和礦棉礦棉與巖棉是兩種性能和制造工藝基本相同的保溫材料。前者以工業(yè)廢料高爐渣為主要原料;后者以玄武巖或輝綠巖或其它硅酸鹽巖石為主要原料。兩者的化學成分均為二氧化硅、氧化鈣、三氧化二鋁和氧化鎂。由于兩者所用原料不同,其纖維化學成分也明顯不同,從而使得兩者在物理指標上存在某些差異。巖棉纖維耐熱度(棉的軟化溫度)一般在900～1000℃左右,而礦渣棉耐熱度一般在800℃左右,這主要由于兩者酸度數(shù)不同而形成的。礦棉和巖棉不燃、無毒、容重小,導熱系數(shù)小,經(jīng)久耐用,不易風化,對金屬不腐蝕,原材料豐富,成本低,使用溫度高。缺點是施工時對皮膚有刺癢,安裝工人勞動條件差。但由于礦、巖棉具有上述的優(yōu)點,所以它們在保溫工程中的應用仍很廣。在火電廠中礦巖棉制品通常用在小于或等于300～350℃的設備與管道上。(3)焦寶石成形體系硅酸鋁纖維是近幾年來發(fā)展很快和應用很廣的一種新型保溫材料。它以焦寶石為主要原料,經(jīng)過熔化、成纖、噴粘接劑、成形、固化等工序,成形分為濕法、干法和針制品。硅酸鋁耐溫高,導熱系數(shù)小,有一定抗拉強度,可受氣流沖擊,是高溫區(qū)域使用的一種理想材料。(4)金屬氧化物的含量玻璃棉主要原料為石英石、長石、碳酸鈉、硼酸等。玻璃棉的分類方法有兩種:一是按玻璃的含堿量分為有堿玻璃與無堿玻璃棉;二是按纖維直徑分為初級纖維(D>25μm)、中級纖維(D=15～25μm)、高級纖維(D=4～15μm)、超細纖維(D<4μm)。玻璃棉的使用溫度取決于其金屬氧化物的含量。超細玻璃棉分為有堿和無堿兩種,無堿超細玻璃棉內(nèi)堿金屬氧化物的含量小于1%,纖維直徑小于2μm,耐熱溫度達600～650℃,有堿超細玻璃棉堿金屬氧化物的含量約為4%,因為堿金屬氧化物在受熱時會發(fā)生劇烈的熱裂現(xiàn)象,因此其耐熱性和化學穩(wěn)定性就會降低,耐用溫度約為450℃左右。(5)裂紋的含菌珍珠巖是一種火山噴出的酸性溶巖急速冷卻形成的玻璃質巖石,因其具有珍珠狀裂紋而得名。近年來,隨著各種保溫材料的發(fā)展,珍珠巖制品的應用已逐年減少,生產(chǎn)珍珠巖制品的廠家也越來越少,這主要是由于一般珍珠巖制品容重較大,導熱系數(shù)也較大,而且破損率較高,吸水性強(重量吸水率可達25%以上)。(6)隔熱型料復合硅酸鹽保溫涂料,是一種呈微孔網(wǎng)狀結構的新型高效節(jié)能保溫涂料(濕態(tài)呈灰白色粘稠膏狀),該材料具有隔熱性能好、粘結力強和耐久性好等優(yōu)點。因此,它比傳統(tǒng)保溫材料具有明顯的優(yōu)越性,省去了支撐件,可現(xiàn)場涂抹,不需要保護層,不受保溫表面形狀限制,可用于異形體、閥門、大型表面等的保溫,其無塵無毒,對人體無刺激,使用后不變形、不開裂、不起泡、不腐蝕,施工方便,最高使用溫度550℃。(7)防水復合硅涂層或管殼為避免復合硅酸鹽保溫涂料帶來的施工不便,可將復合硅酸鹽保溫涂料制成氈或管殼,考慮防水性,就形成了現(xiàn)常用的防水復合硅酸鹽氈、管殼。3選擇建筑材料的基本原則和規(guī)定3.1各原料經(jīng)濟比選的原則若要合理地選擇保溫材料,應綜合考慮以下問題:①保溫材料本身的使用條件及特點;②選材料經(jīng)綜合比較是否經(jīng)濟,其中包括材料價格、熱價、運輸價格、使用年限、熱損失大小、保溫厚度等;③保溫材料的適用環(huán)境、部位;④用材料的價格和導熱系數(shù)的乘積進行經(jīng)濟比選,幾種不同導熱系數(shù)的材料若同時可滿足使用和安全條件時,則乘積最小的材料最經(jīng)濟。保溫材料的選擇是一個綜合性的問題,其中經(jīng)濟比選很關鍵。3.2保溫層材料應注意的事項(1)介質溫度在350～600℃范圍內(nèi)的設備和管道的保溫層材料宜選擇硅酸鈣制品,經(jīng)技術經(jīng)濟比較合理時也可采用硅酸鋁復合保溫;(2)介質溫度小于350℃的設備和管道的保溫層材料宜選擇巖棉制品、礦棉玻璃棉制品等;(3)閥門、彎頭等異形件的保溫層材料可選擇軟質保溫材料或保溫涂料;(4)外徑小于38m