保温隔热陶瓷涂料在球罐上的应用论文

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　　摘要：随着厄尔尼诺和拉尼娜等极端气候现象的出现，高温与低温天气的出现愈加频繁。对需要稳态运输和存储环境的化工物料，持续的高温或低温都会带来不稳定的因素，同时也给化工行业的生产带来安全风险。因此，通过日常生产过程中的不断学习、总结和积累，采用一些新材料、新工艺，提高生产安全变得尤为重要。针对文章所分析的保温隔热涂层对球罐降温效果的研究，持续高温现象的影响程度要更大，所以文章重点考虑高温环境对液化气球罐的影响和解决方案。

　　关键词：球罐；反射；涂料；安全；降温
　　1应用背景
　　中海油惠州石化球罐区，随着使用年限增加，外防腐层粉化失效，热反射能力下降，在夏季温度较高的天气时间里，储罐内的压力也会随之升高，给石化公司的生产运行带来隐患。需要寻求一种新型绝缘涂层和技术，在具备罐体基础防腐要求的前提下，满足一定的保温隔热性能，使液化气存储状态更为稳定，公司需要确保球形储罐可以安全运行，又需要最大限度地减少用于降温所产生的费用。
　　2球罐温度影响因素
　　球罐温度的提升主要受到热辐射的影响，热辐射包括来自太阳的辐射，以及地表和空气中的热量散射等等。在选择隔热材料之前，首先必须了解热源，具有热效应主要波长范围为0.4～40.0μm，主要是可见光和红外光，而空气中集聚的大量辐射热来自长波(地面辐射和大气逆辐射)，属于不可见光。
　　环境的温度越高，照射到球罐表面的太阳光越多，会导致球罐表面的温度比环境温度高出很多。太阳的辐射强度通过辐射能来体现，当太阳光垂直照射地球表面时，在大气层上受到的辐射强度，一般情况下太阳辐射能为1 357 W/m2，太阳辐射能的强弱取决于所在位置的纬度、季节、天气、测量时间等因素。而考虑到太阳光在传输过程中的损耗，一般在晴朗的天气下，地表上获得的太阳辐射能约为956 W/m2，在比较炎热的中午时分，地表上获得的太阳辐射能约为1 000 W/m2[1]。
　　地表存在热量的吸收和排放，不同的时间太阳的辐射强度会发生周期性的变化。一般太阳最大辐射能与环境最高温度不在同一时间出现，在一年的变化之中6月份的太阳辐射能最强，在7月份的环境温度达到最高。而在每一天中，正午时分的太阳辐射能最强，但环境温度会在下午的两点达到最大值。在一定的太阳辐射强度下，与太阳照射方向成90°夹角的球罐表面可以吸收大量的热量，在相同环境条件的情况下，这部分区域的高度会非常高，周围其他区域的温度会较低。由于太阳直射角度的变化，每一天球罐表面的最高温度位置会发生明显的变化，正午时分最高温度位置在球罐的顶部，上午和下午一般在球罐的两侧位置。球罐下表面由于很少受到太阳的照射温度一般会低于环境温度。同时，环境风速对球罐的温度影响很大，风的存在可以提高球罐热量的散失速度，风速每增加1 m/s，球罐表面的温度可以下降3℃,温度下降的效果与球罐表面的温度存在较高的相关性，相同风速下，球罐表面温度越高，降温效果越好。
　　3外部温度对球罐的影响
　　3.1球罐表面的热传导特性
　　当球罐内部的液面较高时，球罐内部的温度与压力变化较为明显，根据液面位置可以将球罐分为气相和液相两部分。在正午时分球罐的表面温度较高，而且环境温度同样很高，太阳辐射在球罐表面通过传热进入球罐[2]，主要的传入方式如下：
　　高液面条件下球罐内部的压力较高，导致气相密度较高，温度升高需要吸收更多的热量才可以完成。同时，液化石油是一种受热非常容易蒸发的物质，气相在受热升温和受热蒸发过程中所需要的热量值是不同的。由于球罐结构的特殊性，平均厚度比较大，气相在球罐中的导热系数非常小，所以气相在球罐内部由于对流和热传导输送的热量并不多。球罐的内壁和外界环境之间存在温度差，太阳光线的长波辐射是外界热量传入球罐的主要途径。
　　球罐特殊的结构特点决定了罐内液相的导热系数非常小，通过液相向球罐下部传递的热量较少。因此，这些热量主要将液相上表面附近的液体温度进行提升，同时使液相表面的液体进行蒸发。将球罐内部的液相可大致分为三层，自上而下分别是暖液层、次温层和主体层。球罐顶部的热辐射具有较低的穿透力，一般会在暖温层被吸收，暖温层的温度会逐渐上升；次暖层的温度变化梯度较大，次温层的顶部与暖液层的温度保持一致，随着液体深度的增加液体温度快速降至与主体层温度一致；最下面的主体层温度基本不随时间的变化发生改变。球罐所吸收的太阳辐射产生的热量主要引起气相与液相浅层的温度升高，对球罐下部的液相温度几乎没有影响。
　　太阳辐射产生的热量通过球罐表面传入球罐内部，这部分热量会使球罐内壁面的温度逐渐升高，并逐渐向球罐中心区域扩散。这部分热量持续的时间较短，所以对球罐内部气相的压力提升效果并不明显。当球罐内部液相的温度逐渐增加，液相也在不断地积聚热量，在下午时分，太阳的辐射强度会逐渐下降，环境温度也会随之下降，最终导致球罐内部液相的温度也会下降。此时，液相所积聚的热量会开始向外部传导。
　　3.2球罐内部温度与压力变化规律
　　受太阳辐射热的影响，球罐内液相界面温度升高，当升温用热量等于渗入热量时，气液两相交界面的温度不再发生改变时就可认为是温度达到了平衡，球罐内部的压力变化情况在很大程度上受到平衡温度的影响。当球罐内部发生稳定传热时，可以根据公式计算出不同位置处的温度情况，然而太阳热辐射是一个非常不稳定的热传导过程，不同时间段环境温度和热量的传入是不规律的，并且球罐表面不同位置处的实时温度与热量传入量也不尽相同。此外，球罐内部具有气液两相物质，这就进一步导致球罐内部的热量传导与温度分布变得非常复杂。因此，要准确获得球罐内部的温度分布规律十分不容易，根据热平衡角度进行分析，球罐内部的热量关系如式(1)：
　　Q渗=Q壁+Q气+Q蒸+Q液(1)
　　式中：Q渗、Q壁、Q气、Q蒸、Q液为某段时间内渗入球罐、罐壁升温、气相升温、液体蒸发和液体升温的热量。
　　当球罐吸收相同热量的条件下，如果球罐的容积相同，球罐的装载系数越高，液相的温度提升得越高；对具有相同装载系数的球罐，如果容积越大，液相的温度升高量越低。所以，具有较小容积且内部液面较高的球罐，内部的温度与压力更容易出现升高。
　　由于液化气易蒸发，且蒸发用热较大，即渗入热量中有相当一部分(约80%)要用于增加液相浅表层的蓄热，因此液相界面温度不会上升很多。当罐的容积大、液位低些时，液相表面温升会更低。当液相界面温度较高时，球罐表面温度与液相界面温度的差值(Δt)就变小，渗入到球罐的热量就较少，表面温度与环境温度的差值就增大。通过研究发现，即便是球罐内部的温度在上午已经达到40℃,环境温度也达到40℃,采用高效隔热涂料，能够使球罐的热量传入减少到最低，在夏季的正午时分球罐内部液相界面的温度也会低于44℃。
　　4设计方案和选材
　　4.1储罐各项指标
　　储罐各项指标如表1所示。

　　4.2设计依据
　　(1)项目竣工资料及设备图纸；
　　(2)SH/T 3022—2019、GB/T 50484—2019等相关标准规定。
　　4.3材料选择
　　4.3.1反射漆
　　这主要是利用浅色反射原理，主要对可见光部分的热源进行有效反射，达到降低辐射热的目的。但现实中的太阳辐射热：50%左右的可见光+7%的紫外线+43%的红外线，在接近地表时可见光谱降低为约占40%，红外热光谱增大至约60%，紫外光几乎绝迹，所以仅解决可见光的反射并不能很好地解决太阳辐射热。另外，反射漆的厚度通常都比较薄，对吸收的红外热，很快会通过漆面传导到底层金属内部，金属内部又具备良好的导热性，所以反射漆对吸收热量的热阻效果也是比较差的。随着使用时间的推移，反射漆表面会吸附灰尘、树脂老化变黄、消防喷淋变脏等等，都会使反射漆的反射效率大大衰减。另外，反射漆的防腐性能并不优于传统的防腐油漆。
　　4.3.2凉凉胶
　　凉凉胶一般由底涂、中涂、面涂三种分别起不同作用的材质构成(面涂主要起保护作用，中涂起绝热作用，底涂为增强附着力。三种材料的施工要求也各有差异，施工要求更高)，每一层材料出现问题都会导致整个系统失效。总体来说施工难度大、可靠性差。
　　4.3.3保温隔热陶瓷涂料
　　这主要原料为进口丙烯酸和空心陶瓷构成的单组分水性涂料，现场搅拌即可使用，不用添加任何材料，环保且使用便捷。喷涂在储罐表面达到保温隔热、防止冷凝、抵抗雨水侵蚀等目的。隔热性能指标：热反射率85%，发射率86%，紫外线反射率99.9%；耐腐蚀和老化指标：盐雾处理、紫外线照射、提升老化试验的时长超过2 000 h。涂瓷主要是通过空心陶瓷颗粒起到反射和发射辐射热的作用，喷涂固化后的干膜中空心陶瓷颗粒含量超过80%。同时，较低的导热系数(0.069 8 W/(m·K))和一定的膜厚会对进入涂层内部的热量有良好的热阻效果，不会导致吸收的部分热量快速向底层基材金属迅速扩散。
　　结论：一般反射漆仅仅具备反射作用，且随着时间推移反射率会逐渐下降，防腐性能一般。保温隔热陶瓷涂料除了较高的反射率，自身的发射率也很高，同时具备一定的热阻效果，等于有三重隔热效果相叠加，同时耐盐雾、耐老化等性能不低于防腐油漆要求，在严格按照厂家喷涂工艺施工的条件下，可满足8年以上的使用寿命。
　　5理论模拟计算
　　模拟条件：假设环境温度最低20℃,最高32℃,平均26℃的条件下，分别喷涂1 mm和2 mm厚保温隔热陶瓷涂料，在时段范围7:53～19:53模拟大气热负荷结果如图1～图3所示。

　　6方案选择与实施
　　参考以上各种材料优缺点，结合模拟理论计算，最终选用保温隔热陶瓷涂料，除锈等级ST3.0，具体实施办法：
　　(1)第一遍喷涂控制在0.25 mm，不得超过0.30 mm；
　　(2)当第一遍涂层喷涂结束后，等待一段时间，直至涂料完全干透，再开始第二遍喷涂，第二遍喷涂的厚度约为0.50 mm；
　　(3)建议总体平均喷涂厚度1.00 mm，三遍成型。
　　所采用的喷涂材料为水性单组分，按照《关于危险货物运输的建议书规章范本》《全球化学品统一分类和标签制度》以及《危险化学品目录》的相关规定，该种材料属于非危险品类别。现场搅拌后即可喷涂，施工工艺简单，户外作业环保性能良好，施工过程质量容易控制。
　　对保温隔热陶瓷涂料的喷涂过程按照GB/T 50484—2019《石油化工建设工程施工安全技术规范》指导标准完成，球罐外部喷涂流程满足高空作业的施工作业的相关安全规定。

　　7项目成果验收
　　7.1涂层完工验收
　　按照施工单位在施工前编制的施工方案，运行部、设备中心和施工方负责人对施工进度、质量和安全进行全过程监督，并会同各方进行验收。工程验收结论为涂层平均干膜厚度不小于1.00 mm，喷涂后涂层表面无皱纹、气泡、裂缝裂纹等现象，表面应平整。保温隔热陶瓷涂料经过严格的耐盐雾、湿度循环和抗UV等各项耐老化试验。经验收，各项指标和施工质量均满足项目预先设定的方案要求，结合涂层各项老化实验数据和以往项目案例，涂层使用寿命不小于8年。
　　7.2涂层保温隔热性能验收
　　中海油惠州石化委托中国石化加热炉检测评定中心完成涂层保温隔热性能验收工作，2022年9月24日加热炉检测评定中心对惠州石化编号233-T-01球罐外表面温度进行了红外检测，检测采用红外热像仪，通过热像图的方式呈现球罐表面温度。
　　在开展红外热像仪检测过程中各参数所设定情况如下，发射率为0.92，环境温度为32.2℃,拍摄距离1～2 m，外表面喷涂保温隔热陶瓷涂料球罐编号为233-T-01，对比样本为同组喷涂普通防腐油漆的球罐编号为233-T-02与224-T-07。测试对比结果如表3所示。
　　检测结论：233-T-01喷涂保温隔热陶瓷涂料后，相比另外2个罐外壁温度平均下降了8℃,有了明显下降。
　　8结语
　　通过对球罐外壁进行红外热像仪温度检测，发现温度下降明显，经过一段时间的运行观察，没有再出现降温及消压的情况。基于这个情况后续又利用球罐到期检验的机会，逐步完成了其他球罐的节能防腐改造，彻底解决了超温超压带来的安全隐患，保障现场生产平稳运行，同时也极大程度地节约了因降温消压带来的能源消耗成本。
　　参考文献：
　　[1]童仲轩.液化石油气球罐应用高效太阳热反射涂料取代淋水降温的研究[J].炼油技术与工程，2005(2)：40-45.
　　[2]纪永进，于朋.太阳能反辐射涂料在液化气球罐区的应用[J].管道技术与设备，2007(3)：34-35，38.

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