从事后诸葛亮到优势

Aspen Aerogels Inc. 的 Mark Krajewski 和 Justin Rispoli 展示了气凝胶绝缘材料在优化 LNG 资产设计中的重要作用，以及其卓越的热性能、耐用性和节省空间的特性如何有助于提高效率、优化设计和实现长期价值。

随着世界对能源的需求不断增加，建造和调试下一代能源供应设施的工程师和业主必须更快、更高效地建造这些设施，并降低总体碳排放影响。

这些宏观压力正在推动工厂开发过程中的利益相关者寻求一切可能的优势，无论多么微妙，以实现这些目标。

无论采用何种建造模式，无论是完全木结构还是先进的模块化建造，最终目标都是以更少的投入、更快的速度完成更多的工作。然而，随着建造模式从木结构转向100%模块化，设计和建造效率的重要性也日益凸显。

在模块化建筑领域，空间和重量是设计工程师最看重的两大要素。虽然可以量化，但每增加一磅重量或一英寸空间对模块设计的影响却极其困难。不过，可以肯定的是，减轻重量和节省空间是所有参与模块化项目的人的共同愿望。

当被问及空间和重量在模块设计、建造和运输中的重要性时，KBR 的项目总监兼模块化建筑专家 Kacey Sutton 给出了以下见解：

在模块化过程中，物件所需重量和空间的减少几乎是不可估量的。重量和空间的减少在模块工程和建造的几乎每个方面都起着重要作用：管道和设备周围的通道和维护空间；模块建造、运输和安装所需的设备（例如起重机和单臂移动式起重机）取决于整体尺寸和重量；结构钢的尺寸取决于管道、设备和其他物件的重量和载荷；还有许多其他因素与这两个指标相关。对于模块而言，最大的成本制约因素是运输，这几乎完全取决于模块的重量、尺寸和空间。因此，从整体来看，每一平方英寸和每一磅都至关重要。

设计师有责任抓住一切机会，尽可能地减轻重量、节省空间。其中一项措施可以带来显著的效果，但却常常被忽视：隔热系统。

传统的保温系统体积庞大、笨重，而且不可避免地会增加重量。现在考虑一下大多数 FLNG、FPSO 和 FSRU 具有多种双重服务应用，如防寒和防声或防寒和 被动防火而那些原本就体积庞大、笨重的隔热系统，其体积和重量还会进一步膨胀。本文旨在介绍一种简单有效的节省空间和重量的方法，即利用一种已被证明在热阻、被动防火和隔音（分贝插入损耗）方面性能卓越的解决方案：气凝胶隔热毯。

海上设施的设计人员始终致力于提升设施效率，同时满足既定的设计目标。这些目标通常包括额定容量、工人安全、符合排放法规以及抵御飓风和火灾等灾难性事件的能力。由于管道数量及其直径、冶金工艺和壁厚均由工艺设计决定，而工艺设计又取决于设施中工艺单元的大小和数量，因此设计师受到一定程度的限制。传统思维会将设计限制在关于管道间距和机架结构的标准经验法则中，这些规则并非基于管道本身的尺寸，而是基于绝缘管道的外径。该指标传统上被视为固定不变，如今却成为设计师可以用来减少设施占地面积的重要杠杆。

图1描绘了热侧和冷侧管道的横截面，其隔热层厚度相当，以满足标准的热设计目标。在冷侧，设计目标是冷凝控制标准。在本例中，所有三种隔热层的表面温度大致相同，并且在高湿度天气条件下，在隔热夹套上凝结环境水分的倾向也大致相同。

通过使用 Cryogel® Z 高效气凝胶隔热材料，管道的隔热直径从18.625英寸减小到14.225英寸，减少了约24%。仅通过使用更高效的隔热材料，设计师就可以在之前四条管道占用的空间内铺设五条管道。对于热加工也是如此，我们看到最大隔热直径从13.5英寸减小到8.1英寸，减少了40%。图2中可以看到这种效果在现实世界中的体现，其中两条液化天然气码头管道并排铺设，一条采用传统硬质隔热材料隔热，另一条采用 Cryogel® Z.

德克萨斯州英格尔赛德市一家颇受欢迎的模块化堆场 State Service 公司的副总裁 Ryan Whitley 表示：

总体尺寸和重量是模块化建筑项目设计和执行的两个关键要素。在不牺牲安全性或性能的情况下，减轻重量和/或节省空间是有利的。

层层叠加极其复杂和严格的设计条件 FLNG、FPSO 和 FSRU 等海上设施 而让物体变得更小、更轻则是一个更大的挑战。

如果我们以这种直径减小为例，并考察其对各种不同工艺温度和直径的影响，结果会怎样？图3详细展示了一个拥有57条不同工艺管线的管架的差异。以示例管道和工艺温度为例，隔热层厚度的差异使得可以移除整层管架，每米管架可节省1.83吨结构钢。对于FLNG资产而言，顶部重量的每一磅都至关重要，其价值显而易见。

减小绝缘层外径不仅对管架设计有积极影响，还会按比例影响管架所承受的风荷载。图 4 详细说明了在 120 英里/小时的风速下，一线性英尺长的绝缘管道所承受的风荷载。风荷载是陆地和浮动资产对管架强度要求的驱动因素之一。对于陆地资产，荷载的影响终止于管架底部和地基要求。对于浮动资产，设计时还需要考虑稳定性。在浮动情况下，风荷载作用于结构旋转中心的有效长度，该长度可能是管架与船体支撑结构交汇处力矩臂的倍数。这放大了通过减小​​绝缘管直径来减少风荷载带来的好处。您不仅可以减轻支撑结构的重量，而且浮力和稳定性计算也会受益。

在FLNG设施的各种设计要求中，许多都与操作员以及设施内外其他工作人员的安全有关。随着下一代设施的提出和设计，这些多方面的设计要求正变得越来越普遍。最近的一个例子是针对冷溢的防护要求的出现，这些要求现已在ISO-20088系列标准中进行了量化。

海上设施一直以来都存在被动防火要求，但这些要求也正变得越来越普遍，其使用和规范也越来越复杂。这些防护措施现在通常是按顺序进行的，系统首先受到低温液体的冲击，然后暴露于喷射火焰。

从液氮温度（-196摄氏度）到喷射火焰温度（1250摄氏度）的热冲击至少可以说是极端的。值得注意的是， Pyrogel®和 Cryogel® Z 气凝胶隔热材料已根据 ISO-20088-3 和 ISO-22899 标准针对这些双重防护方案进行了测试，并已通过多种配置、持续时间和 Hp/A 比率（图 5-8）的型式认证，可作为单一解决方案使用。传统的隔热系统需要单独的热设计和被动防火系统，这会增加额外的重量和复杂性。

液化天然气 浮式液化天然气 (FLNG) 设施通常需要符合热设计要求并能根据 ISO-15665 降低声功率的隔热系统。LNG 设施内的高速气体流动是主要的噪声源。与被动防火和冷泄漏应用类似，传统的刚性低温隔热系统本身无法提供隔热和声学双重优势，因此需要在同一管道上应用两套独立的隔热系统（图 9）：一套隔热系统，一套纯声学系统。其中，隔热系统不提供声学优势，而声学系统则不能算作隔热优势。

此外，由于这是冷加工，两个系统都必须仔细进行蒸汽密封。 Cryogel另一方面，® Z 气凝胶隔热材料却能以同一种材料兼具隔热和隔音优势。在图 9 的示例中， Cryogel® Z 隔热材料仅需 3.2 英寸厚即可实现所需的热设计和 Shell D 级声学等级。对于设计师而言，其效率优势显而易见，因为 Cryogel® Z 气凝胶隔热系统的厚度不到传统系统的三分之一，而且安装起来更加容易，总安装成本更低。

显然，本文的重点是提供这些材料在提升工厂设计时可能带来的潜在价值数据。如果不讨论这些材料在操作和安装方面的一些优势，那就太失职了。曾参与过大型FLNG项目的绝缘承包商表示，他们的海上生产效率相当于实际使用工具的时间约为90分钟，绝缘工每参与10小时轮班，相当于工具使用时间的15%。在一项精心设计且受控的研究中， Cryogel® Z 隔热材料的安装速度比传统刚性隔热材料快约 30%。这对于任何低温安装来说都是一大优势，但如果材料安装的有效时间缩短 15% 左右，则将带来翻天覆地的变化。

Cryogel® Z 型保温系统无需收缩接头，而收缩接头在刚性保温系统中必不可少，安装困难且容易失效。从操作角度来看，如果您按照冷凝控制标准进行设计，只需指定以下参数即可减少蒸发气体的产生： Cryogel® Z 绝缘；在某些情况下，根据管道尺寸和热要求，最多可减少 50%。 Cryogel® Z 气凝胶隔热材料易于检查，可重复使用，并且在低温下不会开裂或脆化。简而言之，它只是低温隔热材料的一种更佳的外形尺寸。

最近与 Wood PLC 完整性、腐蚀和材料组团队负责人 Tom Lyons 的一次谈话很好地总结了柔性气凝胶隔热材料可以为 FLNG 资产设计师带来的价值：

重量和空间是海上作业中需要考虑的重要问题，在FLNG业务中尤为如此。LNG液化装置需要大量的隔热材料，这些隔热材料通常体积庞大，对FLNG顶部模块的总重量贡献巨大。即使是小管道，在铺设多层厚隔热材料后，也会很快占用宝贵的甲板和管架空间。气凝胶，例如 Cryogel® 绝缘材料重量轻且通常更紧凑，非常适合 FLNG。”

在不断寻求制造下一代陆上和海上 液化天然气设施 为了提高效率、降低成本并减少总碳足迹，一个强大的新工具从一个意想不到的来源诞生：隔热材料。使用气凝胶技术进行隔热可以极大地促进这些目标的实现，但前提是你的房屋设计必须为此做好准备。