با توجه به الزامات خاص سیستم های LNG، عایق شیشه سلولی (سلولار گلاس) می تواند گزینه خوبی باشد. 4 دلیل اصلی برای عملکرد مناسب عایق شیشه سلولی در یک سیستم LNG وجود دارد. عایق شیشه سلولی، فومی از جنس شیشه سیلیکات سدیم است و دیواره های سلولی فوم شیشه غیرقابل نفوذ است. این امر هنگام در نظر گرفتن مسئله نفوذ بخار آب به سیستم مهم است. به نسبت چگالی، عایق شیشه سلولی دارای مقاومت فشاری بالایی است. بعلاوه، برای کاربردهایی که نیاز به عایق دارای تحمل وزن بالا باشد، عایق شیشه سلولی در گریدهای متراکم تر و با تحمل بار بالاتر در دسترس است.
عایق شیشه سلولی صد درصد از جنس شیشه است. از آنجایی که نمی سوزد، بطور کلی به افزایش مقاومت سیستم عایق در برابر آتش سوزی کمک می کند. همانطور که قبلاً ذکر شد، لولهکشی سیستم LNG پس از راهاندازی منقبض میشود. از آنجایی که ضریب انبساط حرارتی عایق شیشه سلولی نزدیک به فولاد است، عایق شیشه سلولی متناسب با لوله منقبض می شود و تفاوت بین این دو به راحتی برطرف می شود.
به دلیل ویژگی های خاص تأسیسات گاز مایع طبیعی (LNG)، هنگام کار بر روی سیستمهای عایق لولهکشی و تجهیزات LNG باید مراقبت های ویژهای صورت گیرد. موارد زیر، فاکتورهای مهم طراحی هستند که هنگام عایق کاری لوله و تجهیزات LNG باید در نظر گرفته شوند:
همه سیستم عایق برای کاربردهای زیرسطحی باید بصورت ضد بخار طراحی شوند. این امر به ویژه برای سیستم های عایق در ارتباط با دماهای عملیاتی برودتی صدق می کند. نفوذ آب به سیستم باعث کاهش عملکرد سیستم عایق شده و می تواند منجر به معضلات دیگری شود.
نفوذ رطوبت و تشکیل یخ در داخل سیستم عایق باعث کاهش راندمان سیستم و افزایش هزینه های عملیاتی می شود. تشکیل یخ می تواند در نتیجه مشکل در سیستم عایق یا ضخامت ناکافی عایق باشد. در هر صورت، وزن یخ به مرور اضافه میشود. این وزن اضافی در صورتی که از ظرفیت نگه دارنده ها یا تجهیزات فراتر رود، می تواند منجر به آسیبهای جدی به تجهیزات گردد.
آتش سوزی همیشه برای تأسیسات LNG، به ویژه سکوهای خارج از ساحل و شناورهای تولید، ذخیره و بارگیری (FPSO) ، یک خطر نگران کننده به حساب می آید. در این موارد، قابلیت احتراق سیستم عایق مورد تاکید قرار می گیرد.
تکیه گاه ها بسیار مهم هستند، زیرا باید به خوبی عایق بندی شوند تا از تشکیل یخ جلوگیری کنند . همچنین باید بتوانند وقتی سیستم وارد مدار می شود و لوله ها منقبض می شوند، با حرکتهای سیستم خود را تطبیق دهند.
اکثر این سیستم های LNG دارای خط لوله های طولانی هستند. همانطور که بعداً بحث خواهد شد، حتی قسمت کوتاهی از خط LNG در زمان راه اندازی تا یک اینچ هم منقبض می شود. این انقباض باید در طراحی سیستم عایق مورد توجه قرار گیرد. اینکه طراح باید به هر یک از این عوامل در طراحی سیستم عایق توجه کند، بسیار حائز اهمیت است.
عایق شیشه سلولی عمدتاً در پایانه های LNG روی لوله ها، تجهیزات و پایه مخازن استفاده می شود. عایق شیشه سلولی را می توان بر دیواره های بیرونی مخازن دو جداره به عنوان محافظ لبه ها نیز بکار برد. محافظت از لبه بیرونی دیواره، آن را در برابر نشت احتمالی در مخزن نگهدارنده اولیه، عایق می کند. همچنین گاهی اوقات عایق شیشه سلولی در گودال های مهار نشت LNG بعنوان مکمل سیستم های اطفاء حریق بکار می رود.
قبل از بحث در مورد کاربرد عایق شیشه سلولی در لوله های LNG، شایان ذکر است که حدود نیمی از حجم عایق شیشه سلولی مورد استفاده در پروژه های LNG در سراسر جهان، در پایه مخازن LNG مصرف می شود. شکل 1 یک مخزن معمولی ذخیره LNG زمینی را نشان می دهد که در آن جزئیات پیکربندی یک مخزن “کم ارتفاع” نمایش داده شده است.
نسبت کف به ارتفاع در مخازن “کم ارتفاع” بیشتر از مخازن مرتفع است. در یک مخزن مرتفع، رینگ نگهدارنده مستقیماً با پایه مخزن در تماس است. شکل 2 نشان می دهد که چگونه عایق شیشه سلولی به عنوان عایق پایه و همچنین برای محافظت از لبه ها نصب می شود. محافظ لبه، دیواره خارجی مخزن را در برابر آسیب در صورت بروز نشتی، عایق می کند.
طراحی رایج عایق شیشه ای سلولی برای پایه مخازن به این شکل است که سه لایه بلوک عایق شیشه ای سلولی با ضخامت 8 اینچ و تحمل وزن بالا، با یک لایه قیر (ماستیک) که در بین لایه ها، و همچنین در کف و روی سیستم عایق قرار می گیرد. با توجه به ابعاد مخزن، ریسک فعالیتهای لرزه ای، و طراحی کلی مخزن، عایق شیشه سلولی با گرید های مختلف در کف مخازن بکار می رود. پس از نصب لایه نهایی عایق، و قبل از نصب صفحات کف مخزن، یک لایه ماسه ریز بر روی سیستم عایق ریخته می شود. شن و ماسه از سیستم عایق محافظت می کند زیرا صفحات کف مخزن در جا جوش داده می شوند.
با توجه خاصیت نسوز بودن عایق شیشه ای سلولی، گاهی اوقات از آن برای تکمیل سیستم های اطفاء حریق در گودال های مهار نشت LNG استفاده می شود. عایق شیشه ای سلولی به شکل مکعبی، در کیسه های پلی اتیلن، در انتهای یک گودال مهار نشت ریخته می شود. اگر نشتی و سپس آتش سوزی رخ دهد، عایق شیشه سلولی روی سطح شناور می شود، کیسه ها می سوزند و مکعب های شیشه سلولی آزاد می شوند. سپس مکعب های عایق روی سطح مخزن پخش می شوند. این امر باعث کاهش منطقه در معرض آتش می شود، که در نتیجه باعث کاهش تشعشعات حرارتی و خاموش شدن آتش می شود.
هنگامی که عایق شیشه سلولی در خطوط LNG و سایر لوله های برودتی استفاده می شود، رویکرد کلی به شرح زیر است:
– ساختار دو لایه
– اتصالات لایه داخلی خشک هستند: لایه داخلی عایق با اتصالات عایق بدون آب بندی بکار میرود.
– اتصالات لایه بیرونی آب بندی می شوند: اتصالات لایه بیرونی از اتصالات لایه داخلی جدا می شوند.
– عایق ضد بخار: یک لایه ضد بخار روی عایق اعمال می شود. و
– روکش فلزی: در پایان، یک روکش فلزی نهایی نصب میشود.
البته این روش همه جا یکسان نیست. یکی از رایج ترین آنها استفاده از پوشش پلیمری به جای روکش فلزی است.
ضخامت رایج برای عایق شیشه سلولی در لوله های LNG از 5.5 اینچ تا 8.5 اینچ بسته به قطر لوله و سایر عوامل طراحی متغیر است. اغلب ضخامت عایق طوری طراحی می شود که افزایش حرارت را به 8 to 9 BTU/hr*ft2 محدود کند.
شکل 3 نمودار یک سیستم عایق شیشه سلولی معمولی برای خط لوله LNG است. بسته به اندازه لوله، عایق شیشه سلولی در بصورت نیم دایره، یا تخته های منحنی دیواری عرضه می شوند. در صورتی که قطر لوله اجازه دهد، اولین لایه عایق لوله با استفاده از تسمه های تقویت شده، بطور موقت محکم می شود. همانطور که قبلا ذکر شد، درزهای لایه داخلی آب بندی نمی شوند. لایه دوم یا خارجی عایق در حالی نصب می شود که تمام درزهای آن، از درزهای عایق لایه داخلی جدا باشند.
اتصالات لایه بیرونی معمولاً تا انتهای عمق ضخامت عایق با یک ماده درزگیر بر پایه بوتیل عمل آوری نشده، آب بندی می شوند. لایه بیرونی عایق با نوارهای فولادی ضد زنگ محکم می شود. یک پوشش ضد بخار، مانند پوشش آلومینیومی/بوتیل، روی سیستم عایق نصب می شود. در نهایت یک روکش فلزی روی سیستم نصب می شود. هنگامی که مقاومت در برابر آتش بخشی از الزامات سیستم عایق باشد، از روکش فولاد ضد زنگ استفاده می شود.
شکل 4 اجرای مستقیم عایق شیشه سلولی روی بخشی از یک لوله LNG را نشان می دهد. در این پروژه خاص، الزام به روکش کردن هر دو لایه عایق داخلی و بیرونی، با قیر داغ وجود داشت. این لایه اضافی از آسیب یخ زدگی/ذوب سلول های سطحی عایق شیشه ای سلولی جلو گیری می کند. در این مورد، یک لایه قیر اصلاح شده به عنوان ضد بخار استفاده می شود.
ممکن است عایق شیشه سلولی در کارخانه، با یک لایه پوشش پلیمری بیرونی تولید وعرضه شود (شکل 5). این پوشش پلیمری می تواند به عنوان ضد بخار و همچنین لایه نهایی عمل کند. هنگامی که قطر خط لوله از حدی بزرگتر باشد، عایق شیشه سلولی به جای نیم دایره، به شکل قطعات بلوکی منحنی عرضه می شود.
تمامی سیستم های عایق دارای وقفه هایی هستند. برای حصول اطمینان ازینکه هرگونه ترک احتمالی در قسمت های حساس سیستم عایق، کل سیستم را به خطر نمی اندازد، مهار کردن بخار انجام می شود. مهار بخار در تمام نگه دارنده های لوله ها، برآمدگی ها و انتهای عایق توصیه می شود. شکل 6 جزییات توقف بخار در یک سیستم عادی عایق شیشه ای سلولی را نشان می دهد.
لایه داخلی شیشه سلولی با یک چسب / درزگیر برودتی درزگیری شده، و لایه داخلی روی آن چسبانده می شود. مهار بخار روی لوله اعمال می شود و با سطح عایق همپوشانی دارد. مهار بخار با استفاده از چسب/درزگیر برودتی بهمراه پارچه شیشه ای تقویتی ساخته می شود. عایق ضد بخار و روکش فلزی روی همه سطوح اعمال می شود.
شکل های 7 و 8 به ترتیب، مهارکننده بخار را در حین نصب، و جزییات روکش تکمیل شده آماده را نشان می دهند. توجه داشته باشید که بست های نواری برای جلوگیری از سوراخ شدن عایق ضد بخاری که نصب می شود، چسبانده شده اند.
مانند خطوط لوله مستقیم، اتصالات نیز باید دو لایه باشند. این امر برای عایق کار در هنگام تلاش برای ایجاد پیکربندی صحیح در اتصالات، با چالش مواجه می کند. در برخی موارد، از ساختارهای جعبه ای، مطابق شکل 9، استفاده می شود. فضای خالی ایجاد شده در این ساختارها، معمولاً با عایق غیر آلی پر می شود. پوشش دریچه ها با استفاده از تکنیکهای مدرن تولید، بصورت سفارشی تولید می شوند که باعث می شود فضای خالی از بین برود.
اینگونه اتصالات به طور فزاینده ای در حال رواج می باشند. شکل 10 برشی از ساختار معمولی سیستم اتصالات عایق را نشان می دهد. سه راهی و زانویی، هردو نمایش داده شده است. توجه داشته باشید که حتی با وجود تلاش زیاد سازنده برای به حداقل رساندن اتصالات در سیستم، برخی از اتصالات غیر قابل اجتناب هستند. در این مثال، لایه ضد بخار، یک پوشش پلیمری کارخانه ای است.
گاهاً و معمولاً این پوشش را می توان به عنوان پوشش بیرونی نهایی و بدون استفاده از پوشش فلزی بکار برد. شکل 11 نمای تکمیل شده برخی از پوشش های اتصالات روی یک سیستم عایق شیشه سلولی LNG را نشان می دهد. در این مورد از یک روکش فلزی رنگ شده استفاده شده است. فلز رنگشده منجر به گسترش سطح ماستیک میشود و در عین حال دوام و حفاظت مکانیکی فلز را بهبود می بخشد. گسترش سطح ماستیک، به جلوگیری از تراکم کمک می کند. شکل 12 نمای دیگری از برخی از زانوهای تکمیل شده را نشان می دهد که با یک روکش انعطاف پذیر آلومینیومی به همراه خطوط مستقیم روکش فلزی تکمیل شده اند. عکس مربوط به یک سیستم عایق شیشه سلولی LNG با پوشش پلیمری است.
ساپورت ها یکی دیگر از مناطق مهم در سیستم های لوله برودتی هستند. بسته به قطر لوله و طراحی ساپورت ها، ممکن است ساپورتهای خطوط LNG مستقیماً روی شیشه سلولی، روی برخی از انواع بست ها، یا مستقیماً روی لوله قرار گیرند. شکل 13 پیکربندی رایج بستهای پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) به عنوان جزء باربر نشان می دهد. رویکرد دیگر نصب مستقیم ساپورت است. ساپورت های مستقیم، بطور مستقیم روی لوله نصب می شوند.
مقدار انقباض در یک لوله LNG می تواند تا ¾3 اینچ در هر 100 فوت خطی باشد. در یک سیستم LNG معمولی، تفاضل انقباض بین لوله و عایق شیشه سلولی تقریباً 3 اینچ در هر 100 فوت خطی است. از آنجایی که مفاصل انقباضی استاندارد عایق شیشه سلولی به گونه ای طراحی شده است که تا یک اینچ انقباض در هر مفصل را پوشش دهند، تقریباً در هر 30 فوت یک مفصل انقباضی با این نوع رویکرد استفاده می شود.
طرح کلی، یک شکاف تراکم پذیر است که در هر دو لایه، با عایق پر شده، و یک ماده ضد بخار انعطاف پذیر در لایه عایق بیرونی دارد. این سوال وجود دارد که آیا این اتصالات واقعاً در یک سیستم عایق شیشه سلولی در لوله کشی LNG مورد نیاز است یا خیر. در واقع، آزمایشهای متعددی برای تعیین اینکه آیا مفاصل انقباضی در سیستمهای عایق شیشه سلولی مورد نیاز است یا خیر، و اینکه آیا واقعاً عمل میکنند یا خیر، انجام شده است (شکل 14 را برای ابزار مورد استفاده برای اندازهگیری حرکت مفصل عایق ببینید).
نتایج یک مطالعه قبلی در شماره سپتامبر مجله 2001 Insulation Outlook در مقاله ای با عنوان “Seal It” توسط Randolph W. Gerrish و Timothy Bovard منتشر شد. در این مطالعه نشان داده شد که سیستمهای عایق شیشه سلولی نصب شده بر روی لولههایی که تا 150- درجه فارنهایت کار میکنند، نیازی به مفاصل انقباضی ندارند. تا آنجا که سیستمهای عایق شیشه سلولی روی لولههایی با دمای عملیاتی پایینتر وجود داشته باشد، مطالعات بعدی نشان داد که در لولههای برودتی مستقیم افقی، اتصالات عایق از جنس شیشه سلولی (که هر 24 یا 36 اینچ نصب می شود) قادر به مطابقت با انقباض سیستم هستند. جدیدترین مطالعه بر روی یک خط آزمایشی نیتروژن مایع که به دمای عملیاتی -320 درجه فارنهایت می رسید، انجام شد.
– اکثر انقباضات به راحتی بین بخش های عایق شیشه سلولی روی لوله های مستقیم افقی جذب می شود، حتی زمانی که از عایق های لوله 36 اینچی استفاده شده باشد. (شکل 15 عایق یک مخزن افقی LNG را نشان می دهد). آزمایشات سیستم نشان داد که حتی زمانی که یک مفصل انقباضی 1 اینچی سنتی نصب می شد، 80 درصد حرکت در محل مابین تکه های جداگانه عایق لوله ای، و نه در محل مفصل انقباضی به وجود می آمد. طبق آزمایشات انجام شده در این مطالعه، مفاصل انقباضی در مسیرهای مستقیم لوله های عایق شده با شیشه سلولی مورد نیاز نیست. عایق باید طوری نصب شود که انتهای عایق رو به سطح صاف دیگری باشد. از آنجایی که ضریب انبساط فولاد ضد زنگ کمی بیشتر از عایق شیشه سلولی است، درزهای عایق در زمان خنک شدن سفت می شوند و یک سیستم لوله عایق شده محکم ایجاد می کنند.
– مفاصل انقباضی در مناطقی با تغییر جهت لوله کشی (مانند زانویی) مورد نیاز هستند. وقتی لوله بیشتر از عایق شیشه سلولی منقبض میشود، یک فشار نقطهای بین رابط فلز و عایق ایجاد میشود. فشار نقطه ای ممکن است باعث ایجاد ترک در اتصالات عایق شیشه سلولی شود. اگر فاصله بین زانو و ساپورت بیشتر از 20 فوت باشد، استفاده از یک مفصل انقباضی توصیه می شود
– نسبت به الزامات فشار، عایق شیشه سلولی لوله ای عمودی باید حداقل در هر 50 فوت دارای یک ساپورت باشد. مفاصل انبساطی / انقباضی در خطوط لوله عمودی، در زیر رینگ ساپورت عایق، زیر هر ساپورت لوله و زیر زانویی بالایی نصب می شود.
بنابراین، طراحی خاص و ویژگی های سیستم تعیین می کند که آیا اتصالات انقباضی ضروری هستند یا خیر.
عایق شیشه سلولی (سلولار گلس) برای مخازن LNG، تبدیل ها، لوله های قطوربزرگ و سایر تجهیزات با همان رویکرد عایق دو لایه استفاده می شود. تفاوت اصلی این است که به جای محکم کردن لایه داخلی با تسمه موقت، از نوار فولادی ضد زنگ انجام می شود. عایق شیشه سلولی به جای نیم دایره هایی که در لولهکشی با قطر کمتر استفاده میشود، بسته به هندسه مخزن، بصورت قطعات بلوکی منحنی دیواری، قسمت های لبه ای، یا اشکال خاص عرضه میشود.
لایه بیرونی عایق گاهی اوقات با استفاده از چسب 2 جزئی با نفوذپذیری پایین چسبانده می شود. در این مورد، همچنین از چسب به عنوان درزگیر اتصال عمل می کند. مانند خطوط لوله، یک پوشش ضد بخار و یک روکش فلزی روی عایق نصب می شود. در جایی که حفاظت در برابر آتش، بخشی از الزامات سیستم عایق شیشه سلولی باشد، از فولاد ضد زنگ به عنوان پوشش بیرونی استفاده می شود.
عایق سازی خارج از محل یا عایق سازی مقدماتی در پروژههای LNG به طور فزایندهای در حال رواج یافتن است. در این موارد، ماژول های LNG خارج از محل ساخته می شوند و سپس برای نصب نهایی به محل پروژه ارسال می شوند. این کار در درجه اول برای صرفه جویی در هزینه های نیروی کار انجام می شود، اگرچه در برخی موارد شرایط در محل پروژه واقعی آنقدر مشکل است که عایق های پیش ساخته، عملی ترین رویکرد هستند. شکل 16 یک ماژول پیش ساخته تکمیل شده و آماده حمل را نشان می دهد.
شیشه سلولی ترکیبی از خصوصیاتی است که برای عایق بندی مناسب سیستم های LNG مفید هستند. با ترکیب مناسب معیارهای طراحی و برنامه ریزی مناسب می توان از آن برای افزایش راندمان و افزایش طول عمر تجهیزات در سیستم های LNG استفاده کرد.