Журнал ТЕХСОВЕТ премиум
представляет
Генеральный директор
компании-разработчика и производителя
ООО "Специальные технологии"
доктор химических наук Беляев В.С.
В нефтегазовом комплексе, как и в других областях, достаточно широко востребованы различные теплоизоляционные материалы. Задача эффективной, и в то же время, компактной теплоизоляции весьма актуальна при перекачке сырой нефти в трубопроводах, хранения нагретого мазута как резервного топлива в больших резервуарах, защиты хранящихся в больших емкостях легких фракций нефтепереработки (бензина и керосина) от перегрева солнечными лучами, изоляции газоперекачивающих турбин и другого газоперекачивающего оборудования.
Особая роль в этом процессе принадлежит жидко-керамическим теплоизоляционным покрытиям, которые, постепенно занимают все большее место на российском строительном рынке. Первым в ряду российских материалов этого класса появился "Изоллат" (патент на изобретение от 2002 г.). Соответственно, именно применительно к этому материалу накоплен наиболее весомый опыт применения в различных сферах и, соответственно, именно Изоллат выбран в качестве наиболее яркой иллюстрации возможностей практического использования жидко-керамических покрытий в нефтегазовом комплексе.
Изоллат представляет собой особую водную дисперсию для создания теплоизоляционного и антикоррозионного покрытия любых поверхностей. Это полимерный композиционный материал, который включает полые керамические или силикатные микросферы, заполненные разряженным воздухом. Поэтому получаемое покрытие обладает низкой теплопроводностью, высокой способностью отражать 90% падающих лучей света и рассеивать до 95% инфракрасного излучения. Различные комбинации наполнителей придают материалу особые свойства - способность обеспечивать высокотемпературную изоляцию до 5000С, огнестойкость, сейсмоустойчивость, коррозионную устойчивость.
Эффективность использования Изоллата, как средства уменьшающего нагревание хранящихся в емкостях бензина и керосина от воздействия солнечных лучей приводящее к их испарению можно продемонстрировать следующим модельным экспериментом. На Рис. 1 представлена металлическая поверхность, находящаяся под воздействием солнечных лучей при температуре окружающего воздуха +160С. На часть пластины было нанесено 1, 2-х и 3-х слойное покрытие (на фотографии эта часть имеет белый цвет). Пластина после нанесения на нее покрытия находилась на открытом воздухе под воздействием солнечных лучей, жары, дождя и снега в течение 15 месяцев. После чего было проведено ее обследование с помощью тепловизора. Замеры температур проводились с двух сторон металлической пластины при температуре окружающего воздуха +160С.
Не защищенная поверхность металлической пластины была нагрета из-за воздействия солнечных лучей до температуры 420С с обеих сторон, в то время как температура пластины в области, где был нанесен Изоллат составляла 240С на трехслойном покрытии (красная линия) и 260С на двухслойном (синяя линия), причем как со стороны покрытия, так и с противоположной металлической стороны.
Подобным же образом вела себя температура внутри и снаружи модельного металлического дома (покрытого и не покрытого Изоллатом).
Согласно вышеприведенным измерениям, солнечное излучение в теплый период года может нагревать неизолированную поверхность освещаемых солнцем участков резервуара до температур выше 45оС. При этом плотность теплового потока направленного через стенку внутрь резервуара на этих участках составляет (0,7-1,1) кВт/м2. Все это ведет к быстрому нагреву прилегающих к стенке, локализованных вблизи металлической поверхности объемов бензина и конвективному перемещению их в верхнюю часть резервуара. Т. к. температура кипения данного нефтепродукта равна примерно 40оС, то одновременно наблюдается интенсивный процесс испарения, и образования паров бензина в верхней части резервуара - в воздушной прослойке над зеркалом нефтепродуктов.
Например, в случае вертикально расположенного резервуара с бензином емкостью 1000 м3 цилиндрической формы размерами ( 10,43м ?12,01м) можно рассчитать нагрев бензина в случае воздействия на нее солнечной радиации в течение светового дня. Площадь поверхности такой емкости составляет величину 477 м2. Предположим, что освещенная часть (с учетом верхней крышки) поверхности емкости составляет величину порядка 2/3 от ее полной поверхности и равна 318 м2. На эту поверхность будет падать общий тепловой поток от солнечной радиации порядка 318 кВт или 273000 кКал/ч. С учетом теплоемкости бензина С=0,47 кКал/кГ?0С и его плотности ?=0,73 кГ/л, а также предположив степень черноты поверхности 0,.9 можно рассчитать дневной подъем температуры за счет воздействия солнечных лучей в течение светового дня 12 часов в летнее время.
Однако, с учетом нагрева боковой поверхности и верхней крышки емкости можно предположить, что нагретая жидкость конвекционно переместиться в верхние слои и температура верхних слоев (поскольку отсутствует нагрев нижних слоев) может быть существенно выше температуры рассчитанной для всего объема. Повышение температуры верхних слоев может быть в два, три и более раз выше, тем более что верхняя крышка греется наибольшим образом. Т.е. при учете температуры окружающего воздуха 20-25 0С температура верхних слоев может существенно превосходить температуру кипения бензина.
Теплоизоляционное покрытие Изоллат обладает большим коэффициентом отражения и рассеяния солнечной радиации и инфракрасного излучения (более 90%) и малой теплопроводностью. Поэтому при изоляции металлической поверхности резервуара покрытием Изоллат можно ожидать значительного снижения температура на поверхности металлической стенки резервуара, уменьшения процесса аккумуляции солнечного тепла и как следствие существенного снижения потерь бензина за счет испарения.
Подобным образом Изоллат может быть использован и для предотвращения перегрева сжиженного газа помещенного в соответствующие емкости.
Весьма эффективно использование Изоллата для хранения нагретого мазута как резервного топлива в больших резервуарах.
В качестве примера применения жидко-керамического покрытия Изоллат для теплоизоляции резервуара с мазутом (РВС-20000) можно привести расчет тепловых потерь этой емкости, две из которых были покрыты на Мозырьском НПЗ (Белоруссия) в 2007 и 2008 годах и хорошо себя зарекомендовали за это время.
Приведем расчет тепловых потерь в этом случае. В расчете использована методика определения тепловых потерь от плоской стенки оборудования, рекомендуемая СНиП 2.04.14-88, 41-03-2003 "Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов". Формулы для плоской стенки в соответствии с СНиП 2.04.14-88 применяются, если диаметр изолированной стенки составляет 2 м и более. Расчет потерь тепла с единицы поверхности теплоизолированного оборудования в окружающую среду производится по формуле:
, Вт/м2,
где: R - полное термическое сопротивление, (м2 ?оС)/Вт;
- разность температур теплоносителя и температуры окружающего воздуха, оС.
2. Полное термическое сопротивление теплоизолированной стенки оборудования в соответствии со СНиП 2.04.14-88 рассчитывается по формуле:
, (м2 ?оС)/Вт,
где: - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке, Вт/(м2 ?оС);
- толщина изоляции, м (в нашем случае берем 0,002 м);
- коэффициент теплопроводности изоляции - предполагаем наихудший вариант с учетом контактной (кондуктивной) составляющей - 0,03, Вт/(м ?оС);
- коэффициент теплоотдачи от изоляции Изоллат в окружающий воздух, по результатам тепловизионных съемок принимаем равным 5, Вт/(м2 ?оС).
3. Кроме того, в расчете пренебрежём сопротивлением теплоотдачи от теплоносителя к стенке, что также даст некоторый запас в результатах вычислений. В этом случае расчет потерь тепла с единицы поверхности изоляции в окружающую среду производится по формуле:
q = (tмет. - tн)/(?из / ?из + 1/ ?н ) , Вт/ м2,
где: tмет. - температура на поверхности металла,
tн - температура окружающего воздуха, берем равной - 20 оС.
Подставляя указанные выше величины, находим:
q(tмет) =3.75(tмет. + 20), Вт/ м2.
4. Поверхность резервуара РВС 20000 диаметром 39,935 м и высотой стенки 17,88 м, через которую происходят потери тепла, состоит из следующих частей:
- цилиндрической боковой поверхности площадью - 2240 м2;
- поверхности днища площадью - 1250 м2;
- верхней поверхности мазута в резервуаре (зеркало) площадью - 1250 м2.
5. Тепловые потери через "зеркало" мазута будем считать несущественными из-за наличия технологической воздушной прослойки в верхней части резервуара.
Рассчитаем время, за которое температура мазута в резервуаре понизится с начальной + 35оС до температуры + 10оС в случае, когда потери тепла происходят через поверхность РВС, контактирующую с мазутом:
,
Сr - теплоемкость металла РВС, берем равной 465 Дж/кг 0С;
Мr - масса конструкций резервуара, 420 750 кг;
Сn - теплоемкость мазута, берем равной 1859 Дж/кг 0С;
Мn - масса мазута в резервуаре, 19 237 500 кг;
S - площадь наружной поверхности резервуара.
Интегрируя по температурным границам, получаем:
= = 265 часов ? 11 суток
Т. о., время охлаждения мазута в резервуаре РВС 20000 от температуры 35 0С до 10 0С при температуре окружающего воздуха - 20 0С и теплозащите покрытием Изоллат 02 (03) толщиной 2 мм составит более 11суток.
Высокую эффективность демонстрирует применение жидко-керамического покрытия Изоллат для тепловой изоляции участков газопровода или нефтепроводов, расположенных на открытом воздухе.
Так, например, для теплоизоляции участка газопровода с минимальной температурой атмосферы - 430С и при минимальной температуре выхода газа из ПЗРГ + 3,9 0С, с целью недопущения снижения температуры природного газа в трубе ниже - 20 0С, можно привести следующие расчеты.
Расчеты были выполнены для тепловой изоляции трубопроводов данных объектов на на основе комбинации жидко-керамического покрытия Изоллат-02 и стеклохолста ИПСТ-1000. Следует понимать особенности Изоллата работающего наиболее эффективно в случае создания дополнительных воздушных зазоров, которые позволяют ему проявить себя, как эффективный теплоотражающий материал. С этой целью мы и рекомендуем использовать наш материал в комбинации со стекохолстом. Создаваемый между стелохолстами тонкий слой Изоллата отражает падающий на него тепловой поток, создавая эффективный тепловой барьер. Этих отражающих слоев может быть 1, 2, 3 и более в зависимости от температуры теплоносителя и задачи по эффективности теплоизоляции.
В основе расчета теплоизоляционного слоя лежали методики СНиП 2.04.14-88, 41-03-2003 "Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов" (расчет по изменению температуры транспортируемого вещества). Численные расчеты с учетом всех указанных конкретных характеристик и параметров газопровода и теплоносителя (природного газа) выполнялись в компьютерной программе "Mathcad".
Результаты расчетов температуры представлены в таблице:
№ п/п участка газопровод Наружный диаметр газопровода, м Длина газопровода, м Температура теплоносителя
входящая, °С Температура теплоносителя
исходящая, °С Толщина изоляции, мм
1 0,530 730 3,9 -3,1 7,5
2 0,377 1420 -3,1 -11,1 7,5
3 0,219 740 -11,1 -13,1 8,0
4 0,159 830 -13,1 -15,1 7,0
5 0,273 330 -15,1 -16,1 8,0
В случае использования покрытия Изоллат для тепловой изоляции технологического оборудования и трубопроводов на площадке ДНС с ПНН и отдельным ПНН в районе куста скважин (регион Удмуртия), расположенных на открытом воздухе при минимально возможной температуре - 50 °С с целью снижения тепловых потерь и предотвращения снижения температуры теплоносителя (нефти) ниже + 5 °С для теплоизоляции нефтепроводов и емкостного оборудования можно привести следующий расчет, который также выполнялся по вышеуказанным методикам СНиП и программе Mathcad. На площадке ДНС с ПНН теплоизоляцию различных трубопроводов диаметров (100, 150, 200, 250 мм) и длиной 200 м, аппаратов емкостных V=200 м3, сепараторов нефтегазовых V=50 м3, газоосушителя горизонтального V=25 м3 с температурами теплоносителя (нефть) 10 оС можно выполнить жидко-керамическим покрытием Изоллат-02,-03 с общей толщиной 2,5 мм.
На площадке ПНН в районе куста скважин, в связи со значительно меньшими расходами вещества в потоках нефти и газа и экономии финансовых затрат, теплоизоляцию трубопроводов диаметров (80, 100 мм) и длиной 100 м, аппарата емкостного V=25 м3, сепаратора нефтегазового V=6,3 м3, с температурами теплоносителя (нефть) 10 оС рекомендовано выполнить комбинированным способом - на основе жидко-керамического покрытия Изоллат-02,-03 и стеклохолста ИПСТ-1000 средней толщиной (15-16) мм.
Таким образом, теплоизоляционное покрытие Изоллат может быть рекомендовано в качестве эффективного и, в то же время компактного средства, позволяющего решить большинство задач по теплоизоляции тех объектов в нефтегазовой отрасли, которые у этом нуждаются. При этом приведенные в статье примеры не исчерпывают все возможные области его применения. Следует также отметить относительную легкость нанесения покрытия, сравнимую с окрасочными работами. А также - высокую долговечность практического использования, благодаря используемым материалам (микросферы минимизируют факторы, разрушающие покрытие, не пропуская ультрафиолетовое излучение в глубину покрытия и не позволяя активно воздействовать температурным факторам деструкции) и его антивандальным свойствам.