气凝胶绝热毡用于公共管廊蒸汽管道绝热的经济分析

纳米孔气凝胶复合绝热制品（以下简称：气凝胶绝热毡）主要是由二氧化硅气凝胶与玻璃纤维毡组成的毡型复合材料。相对于传统绝热材料，具有较低的导热系数[常温下0.017 W/ ( m·k ) ]，较高的防火性能（不低于A2级）和较低的吸水性（体积吸水率不大于1 %）[1]。随着气凝胶生产技术的日趋成熟，生产成本的不断下降，在工业设备及管道绝热工程应用市场有着巨大的开发潜力，有望逐渐替代一些传统的绝热材料。由于其导热系数低，所需绝热层厚度小，特别适用于化工园区商务化运营公共管廊上的管道绝热工程，可减少管道绝热层占用管位空间，降低管位租金的支出，提高公共管廊的使用率。

1 关于化工园区公共管廊

化工园区公共管廊是园区的共享基础设施之一，为园区企业提供敷设架空管道的公共通廊。一般由园区统一规划和建设，专业公司管理，实行商务化运营，即敷设在公共管廊上的管道需按所占面积每年支付一定的管位租金，确保公共管廊管理单位的日常运行。

公共管廊上的管道主要有企业之间互供的工艺物料管道、工业气体管道、化工品管道、蒸汽及其他公用工程管道。相对于其他物料管道，蒸汽管道的输送温度较高，所需绝热层厚度大，占用较多的管位空间，管道投影面积大，每年须支付的管位租金高。因此，选择导热系数低、使用寿命长、综合性能好的绝热材料，可以大幅度降低管道绝热层厚度，减少管道占用面积，从而有效节约管位租金，使企业减少管道运行成本。

工业设备及管道绝热的主要目的是满足工艺生产需要、减少管道的热损失、防止管道内介质凝固或冻结、控制管道温降等。而对于蒸汽管道来说，主要是为了减少管道的热损失和控制管道温降，确保管道输送压力。

本文从某化工园区公共管廊上拟建的一根中压蒸汽管道入手，根据原设计管道绝热选材及结构，按控制热损失法计算绝热层厚度，对气凝胶绝热毡与原设计绝热材料进行比较，从绝热工程造价、管位租金、使用寿命等方面，分析该管道建设期绝热工程一次性增加的投资与运行期管位租金的性价比，推算绝热工程造价增量的投资回收期限，并讨论该蒸汽管道绝热层改用气凝胶复合毡对企业产生的经济效益。以此希望对化工园区商务化运营公共管廊上管道绝热工程的设计选材提供实用性参考。

2 绝热材料性能比较

本文案例中管道原设计绝热层采用复合材料，内层为80 mm厚度的硅酸铝制品，外层为70 mm厚度的岩棉制品。本文主要研究以气凝胶绝热毡替代原设计的硅酸铝+岩棉绝热材料层，控制气凝胶绝热毡的绝热层热损失不超过原设计硅酸铝+岩棉绝热层热损失，在同等热损失条件下进行综合比较。

硅酸铝绝热制品和岩棉绝热制品均为纤维型材料，这类材料耐热性好、密度小、导热系数低、矿物资源丰富、生产工艺简单、价格相对低廉，被广泛应用于工业设备及管道的绝热工程，纤维型绝热材料是由原棉喷涂树脂，制成各种制品后经加热形成的黏性，固化后定形成各种绝热制品，常用的有板、毡、管壳等制品。纤维型绝热制品是靠纤维之间的树脂黏结成型，所以使用一定时间后会发生下沉现象。尤其对蒸汽管道绝热工程，由于运行过程中可能存在水击、压力波动等因素产生的管线微小振动，造成绝热制品的纤维逐渐松散，致绝热层整体结构产生下沉，引起绝热层上部慢慢变薄，下部逐渐增厚（如图1 所示）。使绝热结构上部热损失增大，影响绝热效果。

  

图1 绝热层下沉示意Fig.1 Deformation of insulation layer

另外，硅酸铝和岩棉绝热制品均是非闭孔型绝热材料，因此制品的吸水率较大，无论是制品表面还是结构内部，均不具防水性能。若外保护层安装质量出现瑕疵，或在管道运行过程中损坏（公共管廊长期处于已建管道运行，在建管道施工的交叉状态，管道绝热层被施工人员踩踏损坏的情况时有发生）未及时修复，一旦绝热层被水侵入，使绝热材料失效，绝热效果变差[2]。

2.1 气凝胶复合毡

气凝胶绝热毡与硅酸铝、岩棉的性能比较见表1。

  

图2 气凝胶复合毡Fig.2 Sample of silica aerogel

最后，PDCA循环一直都是围绕标准在运转的。每一次循环都要依据前期所定目标及时肯定成绩、总结经验、修正错误。同时，将有效完成目标的工作方法提升为标准，未完成的工作以及新出现的问题进行汇总，继续循环。这样就能够防止班级学风建设偏离正确轨道，始终围绕目标不断改进。

凝胶绝热毡具有良好的防水性，水洒在制品表面形成水珠，不会渗入制品内部，制品不仅表面具有良好的憎水性，整体憎水性也较好，能有效阻止水分侵入绝热层内部，使绝热效果不受影响。制品表观防水性如图3 所示。

  

图3 气凝胶复合毡防水试验Fig.3 Sample of waterproof

气凝胶绝热毡导热系数低，防烫及防火性能优异，制品为A级不燃材料。图4所示为气凝胶绝热毡燃烧与防烫试验，采用火焰喷射后制品表面不变色，未发现制品表面烧焦的痕迹，且火焰喷射时反面接触不会烫手。

管道绝热层厚度的计算方法有多种，常用的有经济厚度法、控制热损法、表面温度法等，原设计中压蒸汽管道采用了控制热损法确定绝热层厚度。故本文以气凝胶绝热毡替代原设计的硅酸铝+岩棉绝热材料层时，计算时控制气凝胶绝热毡的绝热层单位热损失不超过原设计绝热材料的单位热损失，即采用控制热损法计算气凝胶绝热毡的绝热层厚度，并分别从绝热材料的使用寿命、绝热工程造价的增量、管位租金的减量、投资回收期等进行综合比对，得出使用气凝胶绝热毡的性价比优势。

目前市场上用于工业设备及管道绝热的气凝胶绝热毡，产品主要为厚度6 mm、10 mm的毡型制品，产品包装体积小，可有效降低产品运输成本。

  

图4 气凝胶复合毡防烫试验Fig.4 Ironing test of silica aerogel

2.2 绝热材料性能比较

本文所选用的气凝胶绝热毡是二氧化硅气凝胶，通过溶胶凝胶法将二氧化硅水溶胶浸润于增强材料玻璃纤维，使玻璃纤维棉与溶胶复合，然后采用超临界法或常压干燥方法，使气体取代凝胶中的液相形成纳米级多孔复合制品。相对于传统的纤维型绝热材料，二氧化硅气凝胶的纳米孔结构（1～50 nm）决定了其良好的保温隔热效果和极低的吸水性，玻璃纤维与二氧化硅气凝胶复合后，在复合制品内部起到了支撑骨架作用，形成了具有一定刚性的保护结构[3]。该绝热制品为毡型卷材，如图2所示。

 

表1 气凝胶绝热毡与硅酸铝、岩棉的性能比较Tab.1 Performance comparison of silica aerogel, aluminum silicate and rock wool

 

从表1数据可以看出，气凝胶绝热毡与硅酸铝和岩棉相比，300 ℃时的导热系数仅为后者的1/3，且具有较高的抗压强度和较小的压缩变形、良好的防水性能。气凝胶绝热毡的使用寿命大于15年，超过架空压力管道15年的设计使用年限。虽然气凝胶绝热毡的容重高于硅酸铝和岩棉制品，但对于具有较大规模的化工园区公共管廊，设计荷载及工程造价不会有太大的影响。

对于安全级别要求较高的信息系统，也可以考虑在自身应用系统中额外加入身份认证模块，如二次密码、问题验证和令牌等认证方式［3］。

3 气凝胶绝热毡绝热层厚度计算

图3给出了ROC(荣昌)与WUL(武隆)台接收函数剖面，ROC台站波形图上，P波初至大约5s产生Ps震相，随后，16s位置产生较直观PpPs震相，22s位置产生PpSs+PsPs震相；而WUL台站的波形图中，可以看到Ps震相在5s后出现，紧接着在18s的地方出现了PpPs震相。

在计算气凝胶绝热毡的绝热层厚度前，首先计算原设计硅酸铝（80 mm）+岩棉（70 mm）的绝热层单位热损失，然后按此热损失计算气凝胶绝热毡的厚度，即计算相同单位热损失情况下二种材料的绝热层厚度进行比较。

气凝胶绝热毡体积收缩比小，不易变形，制品的抗拉强度和抗压强度高、柔性好，能沿管道圆周任意弯曲、可随意裁剪，适用于各种不同形状的设备及管道绝热，施工方便快捷。

本案中压蒸汽管道φ530 mm×14 mm，设计温度265℃，管道长度2 500 m，所在地区环境温度为16.1 ℃。按GB 50264《工业设备及管道绝热工程设计规范》中的热损失计算方法，原设计绝热层单位热损失采用“圆筒形不同材料双层绝热结构热损失”（公式5.4.3-3）计算式[4]如下：

 

由式（1）计算得原设计硅酸铝+岩棉的单位热损失Q = 210（W/m2）

在本文中，使用实际的历史数据来建立光伏发电量和负载的概率模型。图2给出了由APS测量[15]的典型光伏发电量的PDF曲线，图3给出了典型负载数据的PDF曲线。这些数据可以是用于计算功率注入的矩和累积量。

为更好地反映整合扩展后的业务范畴，巴斯夫将“作物保护”业务部更名为“农业解决方案”业务部。该业务部还成立了新的全球种子及性状业务部门。

 

由式（2）计算得气凝胶绝热毡的厚度δ=50 mm。

原设计硅酸铝+岩棉的绝热层总厚度150 mm，而在控制相同热损失的情况下，采用气凝胶绝热毡的厚度仅为50 mm，是硅酸铝+岩棉绝热层总厚度的1/3，两者相对厚度比较如图5所示。

管位计算宽度：

  

图5 绝热层厚度对比Fig.5 Insulation thickness contrast diagram

4 工程经济分析对比

4.1 管位计算面积S

管位计算面积S是管道在公共管廊上所占管位应收费的面积，即管位计算宽度W乘以管道展开长度L，计算公式如下：

社会治理系统从共建到共治，是推动社会治理现代化的重要抓手。但要真正实现政府与社会的共建共治，还需要进一步完善社会治理体制，推进社会治理的重心向基层下移，针对基层社会组织发育和居民参与不足、公共领域发展不够成熟等问题，不断加强政府在社会治理中的主导作用，充分激发社会组织和公众参与的主体意识，提高基层社区治理能力，实现其与政府职能转变和赋权增能的有效对接，为社会治理系统的共建共治奠定坚实的基础。

 

管位计算面积：

用式（1）计算所得单位热损失Q，按GB 50264规范中的“圆筒形单层绝热结构热损失”（公式5.3.3-1）绝热层厚度计算式[4]，计算气凝胶绝热毡的厚度：

 

式中 Do——管道外径，mm；

δ——绝热层厚度，mm；

C——两侧相邻管道净距的分摊值，mm。

2018年，土味为人们带来了简单又无穷尽的快乐。它格调不高，但异常有活力。它成不了主流，但比主流更红火。

根据该化工园区公共管廊收费相关规定，相邻管道的净距b为固定值，两侧均按100 mm计，且相邻管道之间的净距各按一半分摊计算，分摊值C = 2×b/2 = 100。

由式（4）计算得，原设计硅酸铝+岩棉绝热方案的管位计算面积2 325 m2。气凝胶绝热毡绝热方案的管位计算面积1 825 m2。

由式(3)求得使用1 nm厚的MgO介质层时，Al/MgO/Si间的接触电阻降至为3.2 Ω，为Al/Si直接接触时的1/3，表明一定厚度的MgO介质层可改善Al/Si接触，降低Al/Si间的肖特基势垒，从而提高Gr/Si太阳能电池的性能.

4.2 管位租金

本案例所在化工园区管廊公司按 570元 / (a·m2 )单价收取管位租金F，租金计算方式如下：

第二种迹象：微小的日常。一些艺术家已经抛开了所谓宏大叙述，转向了更加贴近自身的、细微的日常景观，展开更加深入、细腻的表达，提供了前所未有的独特视角。

 

由式（5）计算得，原设计硅酸铝+岩棉绝热方案的管位年租金132万元，气凝胶绝热毡绝热方案的管位租金104万元。

4.3 绝热工程造价

按中国石化建〔2008〕82号中国石油化工集团公司《石油化工工程建设设计概算编制办法》核算二种方案的绝热工程造价，原设计硅酸铝+岩棉绝热方案工程造价约201万元，气凝胶绝热毡绝热方案工程造价约295万元。

末次随访时，B组腰痛整体情况优于A组，其中无痛例数显著多于A组，中度疼痛例数显著少于A组，差异均有统计学意义（P ＜ 0.05，表2）。末次随访时，B组患者ASIA分级情况显著优于A组，差异有统计学意义（P ＜ 0.05，表3）。

4.4 工程经济对比

气凝胶绝热毡与原设计硅酸铝+岩棉的管道绝热方案经济比较见表2。

 

表2 管道绝热方案经济比较Tab.2 Economic comparison of DN 500 steam pipeline with different insulation structure

 

由表2数据可见，采用气凝胶绝热毡绝热方案的工程造价约295万元，原设计硅酸铝+岩棉绝热方案的工程造价约201万元。气凝胶绝热毡绝热方案的工程造价一次性增加约94万元，但后续管位租金每年可减少支出28万元。因此，一次性增加的工程费通过节省的管位租金，约3.36年即可回收投资，且以后每年的管位租金可减少支出约28万元。

5 结论

本文以某化工园区公共管廊上的一蒸汽管道为例，提出了敷设于商务化运营公共管廊上蒸汽管道绝热工程选材优化设计的可行性。对比硅酸铝+岩棉绝热方案与气凝胶绝热毡绝热方案的经济性，通过绝热工程造价增量与管位租金减量分析两者的性价比，得出结论如下：

（1）通过两种绝热方案的工程经济对比可知，气凝胶绝热毡单价虽高，但在绝热层单位热损失相同的情况下，仅需3.36年就能回收增加的一次性工程投资，且后续每年可为企业节省28万元的管位租金。

（2）目前气凝胶绝热毡的单价远高于硅酸铝和岩棉，但随着气凝胶应用技术的日益成熟，生产成本将不断下降，材料单价每年有所递减。而公共管廊的管位租金将随着国家GDP的增速，每年将会递增，因此，采用气凝胶绝热毡的性价比将更高。

（3）随着材料单价的下降，气凝胶绝热毡应用于商务化运营的化工园区公共管廊上的管道绝热工程的优势将更加凸显，既可为管道所有方降低管道运行成本，又可减少公共管廊的管位占用空间，提高公共管廊的管位使用率。

参考文献

[1]何飞，赫晓东，杨丽丽，等.二氧化硅气凝胶的制备方法研究[J].材料导报，2005，19（ s1） ：30-33.

[2]陈忠明.高温热力管道保温节能改造效果评价[J].工业技术，2013，41（3）：200-204.

[3]魏鹏湾，闫共芹，赵冠林，等. 二氧化硅气凝胶复合隔热材料研究进展[J].无机盐工业，2016（10）：1-6.

[4]GB 50264—2013，工业设备及管道绝热工程设计规范[S].