Статьи

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 2003 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.

Результаты обследования представлены на Рис. 2 и 3.

Рис. 1

Рис. 2

Рис.3

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 величину 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 45^оС. 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 40^оС, 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 ( Æ 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 кВатт или 273000 кКал/ч. С учетом теплоемкости бензина С=0,47 кКал/кГ·⁰С и его плотности ρ=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:

2. Полное термическое сопротивление теплоизолированной стенки оборудования в соответствии со СНиП 2.04.14-88 рассчитывается по формуле:

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:

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 + 35^оС до температуры + 10^оС в случае, когда потери тепла происходят через поверхность РВС, контактирующую с мазутом:

Интегрируя по температурным границам, получаем:

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:

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.

Генеральный директор ООО ”Специальные технологии”

доктор химических наук Беляев В.С.

Обсудить статью на форуме потребителей теплоизоляции

  к списку статей