научная статья по теме ОБЗОР ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕПРОВОДОВ И ОБОРУДОВАНИЯ СТАНЦИЙ ПОДОГРЕВА НЕФТИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОБЗОР ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕПРОВОДОВ И ОБОРУДОВАНИЯ СТАНЦИЙ ПОДОГРЕВА НЕФТИ»

к ТРАНСПОРТ И ПОДГОТОВКА НЕФТИ

L А

УДК 622.276.8 © Коллектив авторов, 2015

Обзор теплоизоляционных материалов, применяемых при строительстве и эксплуатации нефтепроводов и оборудования станций подогрева нефти1

Н.А. Логинова, к.т.н., Е.Е. Лапин,

А.А. Батраков, к.ф.-м.н., С.В. Григорьев, А.В. Рыженков, к.т.н., А.В. Волков, д.т.н.

(Национальный исследовательский университет «МЭИ»)

Адрес для связи: razumand@rambler.ru

Ключевые слова: теплоизоляция, конструкции, теплоизоляционные материалы, синтактные пены, микросферы, теплопроводность.

Review of heat-insulating materials used in the construction and operation of the oil equipment

N.A. Loginova, E.E. Lapin, A.A. Batrakov, S.V. Grigoriev, A.V. Ryzhenkov, A.V. Volkov (National Research University Moscow Power Engineering Institute, RF, Moscow)

E-mail: razumand@rambler.ru

Key words: heat insulation, structures, heat-insulating materials, syntactic foams, microspheres, composite materials, heat conductivity, mechanical strength.

Using of high-quality thermal insulation is one of the aspects of enhancing the operational efficiency of heat exchange equipment of oil heating stations and oil pipelines, and as a result, reduce the cost of oil and increase their competitiveness in the global market. The purpose of this article is analysis the merits and demerits of traditional types of heat-insulating materials, constructions and analysis of new heat-insulating materials on the basis of the microspheres to enhance energy efficiency of heat exchange equipment oil heating stations and oil pipelines. The analysis of heat-insulating materials can draw the following conclusions: the traditional heat-insulating materials to rapid aging and destruction. Therefore, there is need to find and the application of new heat-insulating materials, one of the most perspective are syntactic foams.

Необходимым условием для перекачки высоковязких нефтей с высокой температурой застывания, содержащих большое количество парафина, является увеличение их текучести с целью снижения гидравлического сопротивления нефтепровода. Для транспорта таких нефтей в основном применяются горячие трубопроводы, при этом нефть подогревают на станциях или вдоль всей трассы. В первом случае подогрев осуществляется в резервуарах головной станции, оборудованных змеевиковыми или секционными паровыми подогревателями, а также в подогревателях (паровых или огневых печах) на станциях. Во втором случае рядом с нефтепроводом укладывают греющий трубопровод-спутник, по которому перекачивается теплоноситель.

Применение качественной тепловой изоляции является одним из способов повышения эффективности эксплуатации теплообменного оборудования станций подогрева нефти и нефтепроводов и, как следствие, снижения себестоимости нефти и повышения ее конкурентоспособности на мировом рынке.

В связи с этим в статье рассматриваются преимущества и недостатки традиционных видов теплоизоляций. Приводится анализ теплоизоляционных материалов на основе микросфер, применение которых позволяет повысить энергоэффективность работы теплообменного оборудования станций подогрева нефти и нефтепроводов.

Анализ традиционных видов теплоизоляций

Все теплоизоляционные материалы естественного и искусственного происхождения можно условно разделить на несколько групп, представленных в табл. 1 [1].

Эффективность теплоизоляционных материалов в теплоизоляционной конструкции применительно к теплообмен-ному оборудованию и нефтепроводам определяется в первую очередь их физико-механическими свойствами, основными из которых являются (ГОСТ 12871-93): 1) теплопроводность; 2) предельная температура применения; 3) влаго-поглощение; 4) плотность; 5) статические пределы прочности при сжатии, изгибе и растяжении.

Как правило, термостабильность теплоизоляционных материалов органической природы (например, пенополиуретана, вспененного каучука) не превышает 150 °С, они горючи и обладают высокой дымообразующей способностью, что недопустимо при открытой прокладке нефтепроводов. Температура рабочей зоны теплообменного оборудования станций подогрева нефти может достигать 350 °С и более. Кроме того, высокая пожароопасность нефтепродуктов вызывает необходимость использования в качестве тепловой изоляции неорганических материалов с большими предельными температурами применения, таких как каменная вата, базальтовые супертонкие волокна, вспученный вермикулит, шамот, перлит, асбест. Характеристики этих материалов представлены в табл. 2.

1Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения № 14.574.21.0022 от 17.06.14 г. «Разработка теплоизоляционных композитных материалов для обмуровки теплоэнергетического оборудования с использованием автономных мобильных высокопроизводительных установок». Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57414X0022.

Таблица 1

Структура Группы теплоизоляционных материалов

теплоизоляционных материалов неорганические органические комбинированные

Волокнистая Шамот, асбест, минеральная вата (базальтовая, каменная), стекловата, стекловолокно Войлок, древесина, лен, хлопок, камышитовые плиты -

Пористая Перлит, вермикулит, газобетон, пенобетон пробка, пенополистирол, пенополиуретан, вспененные каучуки Пенополимербетон

Композитная Синтактные пены на основе цементов (легкие бетоны) и микросфер (корундовых, алюмосиликатных, стеклянных), фиброцемент Синтактные пены на основе полимерных микросфер (сферопластики) Синтактные пены на основе полиуретана, эпоксидных смол, акрилового латекса, каучуков, силиконовых эмульсий и микросфер (корундовых, алюмосиликатных, стеклянных)

Таблица 2

Материал Теплопроводность при температуре 20 'С, Вт/(м-К) Предельная температура применения, °С

Асбест 0,090 600

Вспученный вермикулит 0,064 1100

Вспученный перлит 0,069 600

Шамот 0,150 1600

Базальтовые волокна 0,035 900

Каменная вата 0,040 750

По химическому составу асбестовые минералы являются водными силикатами магния, железа, кальция и натрия. Содержание воды в асбесте группы серпентинов составляет 13-14,5 %, в группе амфиболов (в зависимости от вида) - 1,5-3 % [2]. Волокнистое строение наиболее ярко выражено у асбеста группы серпентинов, к которой относится хризотиловый асбест. Именно такой вид асбеста с температуростойкостью до 600 °С обычно применяют для тепловой изоляции оборудования, эксплуатирующегося при высоких температурах (ГОСТ 12871-93). Теплоизоляционные изделия на основе асбеста обладают низкой себестоимостью. Однако в настоящее время их применение запрещено в странах ЕС из-за канцерогенных свойств [2].

Вспученный вермикулит представляет собой сыпучий зернистый материал чешуйчатого строения. Для его получения осуществляются измельчение и кратковременный обжиг в печах природного вермикулита. Последний относится к минералам группы гидратированных слюд, в которых присутствует гигроскопическая и кристаллизационная вода, входящая в состав кристаллической решетки природного вермикулита. Вспученный вермикулит по насыпной плотности разделяется на марки 100, 150 и 200 (ГОСТ 12865-67), по размеру зерен - на три фракции: крупный - с размером зерен от 5 до 10 мм; средний - от 0,6 до 5 мм; мелкий - до 0,6 мм. Теплопроводность вспученного вермикулита в зависимости от марки колеблется от 0,064 до 0,075 Вт/(м-К) при температуре 20 °С.

Преимуществами теплоизоляционных изделий на основе вспученного вермикулита являются малая объемная масса, высокие предельная температура использования и огнестойкость (при углеводородном пожаре температура продуктов сгорания может достигать 1000 °С). Однако вспученный вермикулит имеет недостатки, не позволяющие эффективно применять его для тепловой изоляции теплообмен-ного оборудования и нефтепроводов: высокая открытая пористость, а следовательно, повышенный расход вяжущих

веществ при изготовлении изделий, затрудненное удаление влаги из материала, что увеличивает теплопроводность в условиях эксплуатации при повышенной влажности.

Перлитовый песок применяют в качестве наполнителя при изготовлении теплоизоляционных изделий и бетонов, огнестойких штукатурных растворов, а также в качестве засыпной тепловой изоляции. При получении вспученного перлита путем обжига используются дробленные вулканические водородсодержащие породы. После обжига перлит разделяется на песок и щебень. На основе вспученного перлита изготавливают теплоизоляционные изделия: перлитоцементные, перлитофосфогелевые на керамической связке, эпсоперлит, термоперлит, перлитобетон.

Теплоизоляционные перлитофосфогелевые изделия получают из вспученного перлитового песка, асбеста и жидкого стекла с добавлением ортофосфорной кислоты и гид-рофобизатора. Перлитофосфогелевые теплоизоляционные материалы изготавливаются в виде плит, полуцилиндров и сегментов. В соответствии с ТУ 480-1-15-92 такие плиты обладают теплопроводностью от 0,069 до 0,094 Вт/(м-К) при температуре 20 °С. Недостатками этих изделий являются их хрупкость и низкая влагостойкость. Перлитовые изделия на керамической связке изготавливают из вспученного перлитового песка и глины путем формования, сушки и обжига. Они также выпускаются в виде плит, скорлуп и сегментов и предназначены для тепловой изоляции оборудования и трубопроводов с температурой изолируемой поверхности до 600 °С.

Изделия на основе шамота широко используются при обмуровке котлов на электростанциях в виде шамотного кирпича, шамотной массы и добавки в бетон с образованием шамотобетона. Преимуществами этих изделий являются их огнеупорные свойства (например, шамотные блоки способны выдерживать температуру до 1600 °С), отсутствие вредных испарений при нагревании, устойчивость к агрессивным щелочным и кислотным средам [3], недостатками - высокая теплопроводность и, как следствие, большие массогабариты теплоизоляционной конструкции.

Базальтовые и каменные ваты представляют собой разновидность минеральной ваты. Для изготовления тепловой изоляции на основе базальтового волокна применяется супертонкое штапельное волокно из горных пород, полученное путем раздува

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком