高温大口径热风管道内保温技术研究

陈小祥，许可，朱志坤

（浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310030）

某工程项目热风管道保温要求如下：设计温度为700 ℃，工作温度约650 ℃，介质为空气，介质流速≤25 m/s，工作压力＜3 kPa，介质流量为65100 Nm3/h，保温后介质压降＜2000 Pa/100 m，管道外壁温度＜50 ℃，管道内热风温降＜50 ℃/100 m，管道直径为2900 mm。

目前高温管道常见保温方式为外保温，即采用一定厚度的保温材料，通过一定方式固定在管道外壁，再用铝皮或彩钢板对保温材料外表面进行保护[1]。而在高温热风管道中接触的管道介质为热风，温度可达600 ℃以上，如果也选用相同的保温方式，管壁会直接接触高温介质，普通碳钢无法在高温下工作，必须选用耐热温度较高的不锈钢321，甚至是不锈钢310S；此外，支撑和结构件也需要选用耐高温材料，工程造价高，结构稳定性差。

在常用外保温无法满足使用要求的情况下，转而考虑内保温方式，将保温层敷设于管道内部，使管道壁温降低至合适温度。管材和支撑可以选用普通碳钢，有效降低造价成本，并提高管道的安全性和稳定性[2]。但是管道内保温层直接与高温空气接触，并剧烈冲刷，工作环境恶劣，其性能好坏直接影响保温效果及使用寿命。本研究以具体工程项目为基础，对常用的几种内保温方式进行研究，围绕内保温材料选择、保温厚度计算、保温结构设计等内容进行探讨，并结合实际项目执行情况进行总结归纳，解决内保温存在的各种问题。

1 保温结构方案分析

针对该项目工况，套管式结构存在造价高、施工难度大；内衬浇注料（或耐火砖）使管道质量大，造成管道支架施工困难，这两种形式在目前项目中均不适用[1]。而常见使用轻质保温材料的内保温形式和外保温形式均有各自的优缺点，如表1 所示。外保温型式里层采用321 不锈钢，外面包敷保温材料，最外层为镀锌铁皮保护层。内保温型式采用耐磨耐火材料作为管道内部保护层，直接接触高温热风，采用耐高温的硅酸铝保温材料作为保温层，管道本体采用碳钢管，材质为Q235B。

表1 内保温和外保温型式对比表

外保温具有整体重量轻和安装难度相对较低等优势，由于管道壁温高，管道处于红热状态，因此容易造成管道断裂、保温脱落、支吊架管部开焊及补偿器顶死等故障，存在维护费用高、维护量大、安全性低等缺点。

内保温型式具有安全性高、使用寿命长、维护费用低、密闭性好、维护量小等优点，特别是该种保温型式能够保持高温炉烟管道长年稳定运行，这是外保温型式无法比拟的[3-4]。

由此可见，内保温型式比较适合热风工况，但其存在一定的缺点[5]，不能完全满足项目需求。本文结合龟甲网隔热耐磨衬里结构[6-7]对内保温结构进行改进。

2 新型内保温结构设计

2.1 保温材料的选择

2.1.1 主体保温材料选择

本项目涉及的流体介质温度较高，要求保温材料的最高使用温度≥650 ℃，表2 中岩棉和玻璃棉制品不能满足使用温度要求。同时管道为架空敷设，保温后管道重量受到支架设置和管体刚度的限制，因此排除耐火浇注料（容重较大，且导热系数大，保温效果差）。而硅酸钙板脆性比较大，根据以往经验，长途运输的破损率高达30%以上，由于脆性较大，在热烟气管道的圆形空间里，施工难度很大，而且保温隔热效果也一般，造价也不低。因此硅酸铝作为保温材料较为合适，其耐热温度高，密度中等，且质地较软，可施工性好，导热系数低，保温效果好。

表2 常见保温材料性能

2.1.2 内保护层材料选择

保温层材料不耐热风冲刷，需设内保护层。内保护层直接与高温烟气接触，工作环境恶劣，其性能好坏直接影响保温效果及使用寿命。内保护层必须满足耐高温、线胀系数小、耐热风冲刷、整体强度高、密闭性好等特性，这样才能对保温层起到保护作用，同时还要易于安装固定。目前可用的材料主要有耐火可塑料、耐高温陶瓷、耐火砖和耐磨耐火捣打料等[2]。其中前3 种都存在安装难度大、容易局部脱落、密封效果不好等缺点，而且脱落部分的修补非常困难，同时修补部分与原有部分很难结合到一起，极易发生重新脱落现象。耐磨耐火捣打料针对其他3 种内保层的缺点而开发，在管道内易成型、易安装、易维护和保养，保温效果好，是由白刚玉粉、刚玉和氧化铝微粉、硅微粉、电溶水泥、不同的结合剂、外加剂配制而成的具有高强度性能的捣打料。该材料性能参数见表3。本项目所使用的内保护层材料为此种捣打料。

表3 耐磨耐火捣打料性能

2.2 结构形式

传统内保温结构高温热风（烟气）管道采用碳钢作为管道本体的材料，管道内侧分别敷设耐火与保温材料：最内侧为抗高温的耐火材料，一般为耐火浇注料；在其外侧一般敷设硅酸铝保温材料作为主要保温层。其主要缺点为抗热疲劳能力差，耐火及保温材料因热胀冷缩导致的热疲劳而产生裂缝并脱落；其次由于热风流速快，管道内部不平整，抗热风冲刷能力差[1]。

为克服内保护层以上缺点，本研究对双层内保温结构做了较多的优化，其组成如图1 所示，由外至内有3 层保温材料，分别为硅酸铝折叠块、硅酸盐复合喷涂料、耐磨耐火捣打料。内壁的捣打料使管道内部光滑平整，有效避免了热风冲刷引起的使用寿命下降；同时在耐磨耐火捣打料之中设置一层不锈钢龟甲网，用于固紧捣打料和折叠块，防止内保护层热疲劳，避免产生裂缝和脱落。

图1 保温结构简图

从图1 可以看出，保护层不能直接与管壁接触，中间隔有软性材料的保温层，因此必须对保护层进行固定，使之与外部的管道形成一个整体。为此，采用不锈钢L 型锚固钉一端焊在管道内壁上，相邻钩钉间距为200 mm，开叉的一端深入保护层30 mm，并在末端用螺帽拧紧，这样就将保护层（硅酸盐复合喷涂料层及耐磨耐火捣打料层）和管道固定，同时也使中间的保温材料得以固定。

在硅酸铝折叠块安装完成之后，喷涂一层复合硅酸盐喷涂料，厚度为20 mm，以更好地固定硅酸铝模块，增强硅酸铝模块与耐磨耐火捣打料之间的黏结性能。复合硅酸盐喷涂料材料主要成分为硅酸盐矿物质及高温黏结剂，具有防腐、保温、耐油、耐酸、耐碱的功能及较强的吸附性和黏结力。本产品为全粉末状固态材料，到施工现场按一定比例配水搅拌后使用专用喷涂设备进行喷涂。喷涂层形成一个密封状整体，不易开裂、脱落和粉化。

在喷涂料之外设置一层龟甲网，龟甲网为正六边形结构，材料选用SS304 不锈钢，厚度为1 mm，高度为20 mm，六边形宽度为50 mm，其采用点焊的方式将龟甲网焊接成为一个网状结构，构成耐磨耐火捣打料层的骨架，有效防止保护层在热风冲刷下发生开裂脱落现象。在龟甲网安装完成后，再进行捣打料施工，形成一层高强度耐磨保护层，防止热风冲刷导致保温材料脱落。

2.3 成品设计参数汇总

成品设计的参数见表4。

表4 成品设计参数

3 应用

目前该技术已经应用于某工程项目热风管道中，根据实际测量，热风管道外表面温度为48.6 ℃，内部热风温度约为625 ℃，环境温度约为30 ℃，与设计目标基本一致。

以某段热风管为例，如图2 所示。管道起点热风温度为587.7 ℃，终点温度为556.0 ℃，该段管道热风温降为31.7 ℃，管道长度约为75 m，百米温降为42.3 ℃，满足设计目标。

图2 某段管道热风温度实测

4 结论

本文研究了一种新型复合内保温结构，其由轻质耐高温的保温材料、复合硅酸盐喷涂料、耐磨耐火捣打料复合而成，在复合硅酸盐喷涂料和耐火耐磨保护层之间设置一层龟甲网作为骨架。施工时先在需保温的管道内壁焊接锚固钉，再依次敷设轻质耐高温保温材料，喷涂复合硅酸盐喷涂料，安装龟甲网，内壁再用耐火保护材料填实。该结构保温效果好，管道系统质量轻，易于架空敷设，耐磨耐冲刷性能好、保温材料不易脱落；同时管道不与热风直接接触，管壁温度低，管道材质可选用碳钢，整体经济性好。