CC BY
397
УДК 665.673.8
О. Джумаева, Н. Л. Солодова, Е. А. Емельянычева
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПРОИЗВОДСТВА БИТУМОВ В РОССИИ
Ключевые слова: битум, технология.
Рассмотрены основные проблемы производства дорожных битумов, удовлетворяющих современным требованиям качества. Проанализирована разница в требованиях российских и западных стандартов на показатели качества битумов. Рассмотрены основные тенденции производства качественных битумов в России.
Keywords: bitumen, technology.
The main problems of production of road bitumen, satisfying the modern quality requirements, have been shown. To analyze The difference in the requirements of Russian and international standards on bitumen has been analyzed. The main trends in the production of high-quality bitumen in Russia have been reviewed.
Нефтяные битумы относятся к одним из самых многотоннажных видов нефтепродуктов в России и за рубежом. Они широко применяются в дорожном строительстве, при ремонте дорог, аэродромов, в промышленном и гражданском строительстве (для изготовления кровельных материалов, изоляции трубопроводов от грунтовой коррозии, для приготовления лакокрасочных материалов).
Наиболее широкой сферой применение битума и его композиций является дорожное строительство. Потребление нефтяных битумов для строительства и ремонта дорог составляет около 80% от его производства, что связано с разветвленностью сети дорог и большой транспортной нагрузкой. Почти 93-95% дорожных покрытый в России укладываются с применением битума [1,2].
Факторы, оказывающие влияние на состояние и развитие битумного производства в России [3]:
- сезонность выработки битумов дорожных марок;
- существующая система ценообразования;
- морально и физически устаревшее оборудование;
- неконтролируемый разброс показателей качества сырья.
Существует принципиальное отличие в качестве дорожных битумов, выпускаемых отечественными нефтеперерабатывающими предприятиями, от битумов, производимых за рубежом, где в качестве сырья находят применение только нефти определенного группового и химического состава, в которых практически отсутствует твердый парафин.
Сложность получения качественного битума из сырья, перерабатываемого на большинстве битумных установок, вызывает необходимость поиска новых материалов для получения вяжущих необходимого качества, какими могут быть природные битумы, полимер-битумные композиции и битумы, модифицированные добавками. Применение выше указанных материалов позволяет расширить температурный интервал работоспособности, обеспечить надежность и долговечность дорожных сооружений. В настоящее время порядка 70% выпускаемых в нашей стране битумов не соответствует по ассортименту и качеству требованиям рынка, и в первую очередь это касается дорожных битумов. В связи с низким качеством дорожных битумов, срок службы дорог в России составляет в среднем 6-7
лет, во многих же развитых странах этот показатель достигает 10 - 15 лет [4].
Также вследствие различия климатических условий не одинаковы и технические требования к качеству дорожных битумов, вырабатываемых в России и в ведущих зарубежных странах. В России к дорожным битумам предъявляются более высокие требование по морозо - и теплостойкости, а также по адгезионным свойствам. В зарубежных странах большее внимание уделяют показателю растяжимости при 250С [5].
По способу производства битумы могут быть остаточные, окисленные и компаундированные [6].
Количество нефтей, подходящих для производства остаточных битумов, в России ограничено. Этим объясняется тот факт, что почти весь объем потребляемого битума вырабатывается методом окисления различных нефтяных остатков [7].
В этом плане за рубежом ситуация диаметрально противоположна. Там основную массу вырабатываемого битума составляют остаточные (во Франции их доля - до 85%, в США - свыше 35%) [8]. Основным недостатком процесса производства остаточных битумов является трудность получения тугоплавких битумов, связанная с необходимостью создания глубокого вакуума.
Большинство нефтеперерабатывающих предприятий РФ перерабатывает смеси нефтей Западной Сибири с получением вакуумных остатков, из которых путем окисления получают битумы. При этом появляется необходимость подготовки сырья, так как известно, что не все нефти подходят для получения битумов [8]. Для этих целей используются следующие процессы: ректификация, деасфальтиза-ция, компаундирование. Практически на всех НПЗ имеются возможности производства дорожных битумов, отвечающих самым современным требованиям, но целенаправленная подготовка сырья для производства битумов как правило не ведется. Сбалансированность группового и химического состава определяет качество битума. Чтобы направленно регулировать качество на стадии производства необходимо адаптировать технологии производства к особенностям используемого сырья.
Для конкретного НПЗ с целью достижения заданного уровня качества следует определять оптимальное сочетание исходных свойств сырья с тех-
нологией его переработки, реализовать варианты раздельной переработки разных видов сырья. Например, на предприятиях можно отдельно перерабатывать остатки нефтей Западной Сибири и местных тяжелых нефтей типа Арланской. Дорожные покрытия на основе битумов западносибирской нефти имеют потенциал по долговечности 12-15 лет, а из Арланской - до 20 лет [8].
Нефтяные битумы обладают уникальным сочетанием физико-механических свойств, необходимых при строительстве и ремонте дорог как в России, так и за рубежом.
В составе асфальтобетонного композиционного материала битум является непрерывной фазой, в среде которой распределен каменный материал.
Долговечность асфальтобетонного покрытия зависит от того, насколько дорожный битум будет способен противостоять воздействию деформационных нагрузок, таких как сдвиг, растяжение, изгиб и др.
Постоянное ужесточение требований к качеству дорожных покрытий, в состав которых входят битумные материалы, вызывает необходимость повышения прочности и долговечности вяжущих.
Основными свойствами, которыми должны обладать дорожные битумы являются [7]:
- определенный комплекс структурно-механических свойств в широком диапазоне эксплуатационных температур, теплоустойчивость при высокой и деформативность при низкой температурах;
- хорошая прочность сцепления с поверхностью различных минеральных материалов;
- устойчивость против старения под воздействием погодно-климатических факторов и движения транспорта.
Существует принципиальное различие критериев и методов оценки эксплуатационной надежности и термостабильности дорожных битумов в нашей стране и за рубежом.
Общими для всех стандартов являются показатели "глубина проникание иглы", "температура размягчения" и "температура вспышки".
Такие показатели качества как "растяжимость при 25 и 00С", "температура хрупкости", "индекс пенетрации" регламентируются только ГОСТ 22245-90.
Эксплуатационная надежность асфальтобетона достигается регламентацией зарубежными стандартами требований к показателям качества битумов, таким как "кинематическая вязкость при 1350С" и "динамическая вязкость при 600С".
В требованиях к качеству дорожных битумов стандартов европейских и американских производителей обязательным является регламентирование пластичных и деформативных свойств битумов после прогрева в тонкой пленке (Л8ТМБ 1754 или БМ 12607-1), имитирующих процессы старения битума при воздействии на него повышенной температуры, света и воздуха в процессе эксплуатации.
Различие в квалификационных оценках дорожных битумов в России и за рубежом, наряду с низкими сроками службы асфальтобетонных покрытий в нашей стране, обусловливает необходимость установления для битумов новых научно обоснованных требований.
Необходимо также, как и за рубежом, регламентировать изменение таких свойств битума как глубина проникания иглы, растяжимость и изменение массы в технологических условиях приготовления горячих асфальтобетонных смесей, а также ввести в перечень нормируемых показателей качества параметры вязкости.
Актуальность этой проблемы подтверждается множеством публикаций по проблемам совершенствования стандартов на дорожные битумы.
В настоящее время введен в действие стандарт Государственной компании "Автодор" - СТО АВ-ТОДОР 2.1 - 2011, регламентирующий требования к физико-механическим и эксплуатационным свойствам дорожных битумов. По ряду показателей данный стандарт аналогичен требованием европейской спецификации.
Разработаны и другие проекты: проект Национального стандарта "Битумы нефтяные улучшенные" и проект стандарта "ЛУКОЙЛ", аналогичные требованием европейского стандарта ЕМ 12591.
Компания Лукойл является одним из крупнейших в нашей стране производителем как битумных материалов в целом, так и дорожных битумов (рис. 1).
Крупнейшие предприятия и компании - ООО "ЛУКОЙЛ - Нижегороднефтеоргсинтез", ООО "ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка", ООО "ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез" имеют в своих схемах битумные производства. Основная масса дорожного битума получаемого на НПЗ группы ЛУКОЙЛ это битумы марок БНД 60/90 и БНД 90/130, вырабатываемые по ГОСТ 22245-90 "Битумы нефтяные дорожные вязкие".
Политикой Компании ЛУКОЙЛ является стремление к постоянному повышению качества своей продукции с целью ее соответствия самым современным мировым и российским требованиям [8].
1-й Роснефть
2-м Башнефть
3- ЛУКОЙЛ
Газпром нефть ь- Славнефть
б- Другие
391,3
Рис. 1 - Объемы производства битумных материалов крупнейшими предприятиями и компаниями
Предпосылками начала работ по улучшению качества битумов, вырабатываемых на предприятиях группы ЛУКОЙЛ, явилось ужесточение требований к качеству битумов в связи с разработкой новых нормативных требований, рост дефицита сырья для производства нефтяных битумов ввиду экономически оправданного, жесткого направления на увеличение глубины отбора легких и масляных фракции при атмосферно - вакуумной перегонке нефти, а
также укрепления остаточного принципа формирование сырья для битумного производства.
ООО ЛУКОЙЛ-"Нижегородниинефтепроект" выразил готовность в проведении научно-исследовательских работ по разработке технологии получения дорожных битумов с высокими эксплуатационными свойствами, соответствующими требованиям стандартов БМ 12591 4 СТО АВТОДОР 2.12011 [7].
Разработка технологии предусматривает следующие этапы:
- мониторинг качества битумов НПЗ группы ЛУКОЙЛ;
- проведение лабораторных исследований по получению битума с улучшенными показателями;
- разработка технологии получения улучшенных дорожных битумов и апробация технологии их получении в промышленных условиях;
- выпуск опытно - промышленной партии дорожного битума с улучшенными эксплуатационными характеристиками;
- укладка участка автомобильной дороги с использованием в асфальтобетонной смеси улучшенного битума.
В результате мониторинга качества битумов было выявлено, что требованием СТО АВТОДОР 2.1 -2011 по показателям " пенетрация при 250С", "динамическая вязкость при 600С" и "растяжимость при 250С" после прогрева не соответствуют образцы битумов всех НПЗ.
В 2011-2012 гг. проводились работы по разработке технологии получения улучшенных битумов применительно к ООО "ЛУКОЙЛ - Нижегороднеф-теоргсинтез" и ООО "ЛУКОЙЛ - Волгограднефте-переработка", результатом которых стала технология " переокисление - разбавление". Технологией предусматривается окисление нефтяного сырья любой вязкости, разбавление оксидата неокисленными остаточным компонентами в определенных соотношениях.
По разработанной технологии были получены опытные партии битумов, которые соответствовали требованием ГОСТ 22245-90 на марку БНД 60/90.
По сравнению с качеством битумов, полученных прямым окислением, качество компаундированных битумов выше. Они обладают лучшими показателями растяжимости и устойчивости к процессам термоокислительного старения, улучшенными низкотемпературными свойствами и высокой остаточной пенетрацией после прогрева (таблица 1).
Производство битумов в РФ за последние три года достигло сезонного максимума, при проектной мощности 12 млн. тонн/год сезонное потребление составляет 5-6 млн.тонн/год. Соответственно при реализации Федеральной Целевой Программы "Развития транспортной системы России (2010-2020 года)" и поручения Президента по удвоению дорожного строительства возникнут трудности с удовлетворением спроса на битумы дорожные вязкие в сезон дорожно-строительных работ.
Производство битумов размещено территориально крайне неравномерно, что привело к сверхдальним перевозкам, вне зависимости от дорожно-
климатических требований к качеству битумов и без соблюдение температурно-временных условий работы с битумами. При этом 70% объемов битума перевозится автомобильным и только 30% железнодорожным транспортом.
Таблица 1 - Сравнение качества компаундированных (улучшенных) и окисленных дорожных битумов
Показатели качества Битумы компаундирован-ные Битумы окисленные
БНДУ 60 БНД 60/90
Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 250С 66 72
Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 250С 24 22
Температура размягчения, 0С 52 49
Температура хрупкости, 0С -19 -15
Растяжимость при 250С, см 129 100
Растяжимость при 00С, см 3,6 3,5
Вязкость динамическая при 600С, Па*с 576 -
Вязкость кинематическая при 1350С мм2/с 745 -
Изменение температуры размягчения, 0С 5,0 5,0
Температура вспышки, 0С 260 260
Содержание парафинов, % масс 0,2 -
Растворимость, % масс 99,5 -
Индекс пенетрации - -0,3
Показатели после прогрева при 1630С в течение 5 часов
Изменение массы, % 0,06 0,12
Глубина проникания иглы, при 250С от первоначальной величины 78
Температура размягчения, 0С 57 -
Температура хрупкости, 0С -16 -
Растяжимость при 250С, см 140 -
Вязкость динамическая при 600С, Па*с 1443 -
Коэффициент возрастания динамической вязкости 2,5
В результате отсутствия производственных
мощностей и/или их не дозагрузки ряд регионов нашей страны относятся к разряду "завозных": Республика Крым, Дальневосточный, Северо-Западный, Уральский, Южный и Северокавказский Федеральные округа, Калининградская область.
Выполнена укладка дорожного полотна с использованием опытной партии битума, получено заключение сертифицированной дорожной лаборатории о качестве асфальтобетонной смеси и результаты испытания образцов, взятых из асфальтобетонного покрытия. Качество асфальтобетонной смеси соответствует требованиям ГОСТ 31015-2002, отмечены высокие адгезионные свойства и прочностные характеристики асфальтобетонного покрытия [8].
Разработанная технология с учетом особенностей нефтеперерабатывающего завода была использована на ТПП "Когалымнефтегаз". Был проведен опытный пробег на комбинированной установке ЭЛОУ-АВТ-битумная, в ходе чего получено два опытно-промышленных образца, соответствующие требованием СТО АВТоДоР 2.1-2011 на марку БНДУ 60 и требованиям спецификации ЕМ 12591 на марку 50/50.К причинам низкого качества битумов относится то, что в результате стремления глубоко отобрать масляные фракции из нефти получается гудрон, из которого образуется "сухой", "неупругий" битум, обладающий низкими клеящими свойствами.
Такой битум стекленеет при температурах ниже минус 150С и крошится при нагрузках. Очевидно, что при таком качестве битума 90% российских дорог зимой рассыпается. Нагрузки при температурах минус 200С приводят к появлению на дорогах ям и трещин.
Качественный битум должен иметь интервал работоспособности от +50 до -300С.
Одним из способов улучшения эксплуатационных характеристик битумов является введение в них модифицирующих добавок, например полимерных материалов. Производство таких битумов осуществляется только на Омском и Московском НПЗ в количестве около 200 тыс. тонн в год.
В битумных композициях испытаны почти все существующие полимеры, но количество реально находящих применение весьма невелико. В основном это карбоцепные полимеры с прямой и разветвленной цепью, не содержащие гетероатомов: поли-этилены, полипропилены, каучуки различного строения.
Состав и свойства полимер-битумных материалов зависят от свойств битумов, их совместимости с полимерами, свойств полимеров, способа совмещения [9-11]. Битумы из нефтей парафинового основания лучше совмещаются с полимерами насыщенного ряда или содержащими незначительное количество непредельных связей. [12]
Самое широкое распространение находят композиции битумов с синтетическими каучуками. Выбор типа каучука для полимер-битумной композиции определяется требованиями к свойствам конечного материала, в котором она будет использована, так как набухший полимер образует в битуме пространственную структурную сетку и передает всей би-
тумной системе свои свойства.
Наиболее часто для модификации применяют полимеры, способные частично растворяться или набухать в масляной составляющей битумов [13-16].
Анализ имеющихся материалов по модификации свойств битумов показывает, что при составлении полимер-битумных композиций важно учитывать как природу битумного сырья, так и вид полимерной добавки. Битум должен содержать достаточно масел для растворения или набухания полимера и не менее 10% масс асфальтенов для обеспечения структурной прочности композиции. Следует отметить, что технология изготовления полимер-битумных композиций проста, в большинстве случаев для этого требуется смеситель, работающий в интервале температур 150-200 0С [12,17,18].
Одним из способов модификации битумов является введение модификатора "Унирем", разработанного компанией "Уником" [19]. Его основу составляет порошок дискретно девулканизированной резины с размером частиц от нескольких десятков до нескольких сотен микрон. Применение модификатора "Унирем" позволяет повысить морозостойкость и пластичность асфальта. При введении модификатора в горячий битум происходит быстрый распад его частиц на микроблоки. В нем образуется структурированное на наноуровне резинобитумное вяжущее, поэтому при низких температурах не происходит растрескивание асфальта и последующего его разрушения. Битум, модифицированный высокодисперсной резиной, имеет повышенную адгезионную прочность. Он лучше сцепляет частицы песка, щебня, минерального порошка, что приводит к улучшению сопротивляемости асфальта воздействию высоких температур.
Когда обычный асфальт разогревается, то битум в нем становится сверхпластичным, и под нагрузкой покрытие легко деформируется. Асфальт с добавками высокодисперсной резины за счет высокой упругости значительно более прочен и обладает повышенной стойкостью к образованию колеи. Добавка снижает шум и увеличивает срок службы покрытия как минимум в 1,5 раза. Добавки из высокодисперсной резины изготавливают методом высокотемпературного сдвигового измельчения, разработанного в институте химической физики имени Н.Н. Семенова РАН. Этот метод менее энерго-затратен по сравнению с другими и позволяет получать такие частицы, которые легко смешиваются с битумом.
Помимо улучшения качества вяжущего в составе дорожных покрытий существуют методы, предполагающие введение порошкообразных добавок, например мелкодисперсной гидрофобной порошковой добавки кремнезема с размером частиц 5-40 нм, которая значительно увеличивает армирующий эффект наполнителя [20]. Существует мировой опыт получение битума из битуминозных нефтей (Венесуэла, Мексика и др.). Россия располагает значительными запасами сверхвязких тяжелых нефтей, из которых возможно получение дорожных битумов, не уступающих лучшим мировым.
Литература
1. Ахмедов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. Учебное пособие для вузов / С.А. Ахмедов. -СПб: Недра. 2013. - 544с.
2. Файзрахманова Г.М. и др. Модификация дорожного битума отстойной древесной смолой / Г.М. Файзрахманова, С.А. Забелкин, А.Н. Гараев, В.Н. Башкиров // Вестник Казанского Государственного Технологического Университета. -2015. -Т.18, №3, с 126-129.
3. Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов / И.Б. Грудников. -М. :Химия , 1983. -157с.
4. Пажитнова Н.П. Исследование свойств битумов, применяемых в дорожном строительстве / Н.П. Пажитнова, Т.В. Потапова. - М.: Труды СоюзДорНИИ 1985.
5. ГОСТ 22245-90 Битумы нефтяные дорожные.
6. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. Учебник для вузов, ч 2/ Е.В. Смидович. -М.: Недра, 1937. - 472с.
7. Гунн Р.Б. Нефтяные битумы / Р.Б. Гунн. - М.: Химия 1973. - 472с.
8. Материалы заседания правления Ассоциации нефтепереработчиков и нефтехимиков. М. 6.08.15.
9. Абдуллин, А.И. Изучение влияния полимерной добавки на свойства битумно-полимерного вяжущего / А.И. Абдуллин, Е.А. Емельянычева, А.М. Прокопий // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - №19. - С. 205-207.
10. Гохман Л.М. Влияние класса полимеров на свойства полимерно-битумных вяжущих / Л.М. Гохман, К.И. Давыдова // Труды СоюздорНИИ.-М.: Химия, 1981. - С.5-12.
11. Розенталь Д. А., Таболина Л.С., Федосова В. А. Модификация свойств битумов полимерными
добавками. // Переработка нефти. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988.- № 6 - 49 с.
12. Розенталь Д.А. и др. Битумы. Получение и способы модификации / Д.А. Розенталь. Л.: ЛТН, 1979. - 80с.
13. Кисина А.М., Куценко В.И. Полимер - битумные кровельные и изоляционные материалы / А.М. Кисина, В.И. Куценко Л.: Стройиздат - 1983. - 80с.
14. Модифицированные битумные вяжущие, специальные битумы и битумы с добавками в дорожном строительствами / Пер. с франц. Под редакцией В.А.Золоторева, В.И.Братчуна. - Харьков: изд-во ХНАДУ, 2003. - 229с.
15. Гохман Л.М. Битумы, полимерно - вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон: метод. Пособие для слушателей ГОУ ДПО ГАСИС / сост. Л.М.Гохман. -М.:Изд-во ГОУ ДПО ГАСИС, 2008. - 94 с.
16. Розенталь Д.А., Сыроежко А.М. Изменение свойств дорожных битумов. //Химия и технология топлив и масел.- 2000.- №4.-С.41-43.
17. Baxter D. Applicators must adjust to differences among modified bitumens.// Prof. Roof. - 1991. - vol. 21, №2. - p. 52 - 60.
18. Модификация нефтяных битумов: тез. докл. между-нар. конф. по химии нефти, 1-4 октября 1991 г.-Томск: ИХН СО РАН, 1991.- 307 с.
19. Охапкин И.Н., Лернер М.И. Удар резиной по бездорожью. // Российские нанотехнологии 2010, т.5, № 1-2, с.17-18.
20. Абдуллин А.И. Полимермодифицированное битумное вяжущее с кремнийорганической добавкой. / А.И. Аб-дуллин, Е.А. Емельянычева. И.Н. Дияров, А.М. Проко-пий // Вестник Казанского Технологического Университета. - 2010.-№7.-с209-211.
© О. Джумаева - магистрант каф. ХТПНГ КНИТУ, [email protected]; Н. Л. Солодова - к.т.н, доц.каф. ХТПНГ КНИТУ; Е. А. Емельянычева - к.т.н, доц.каф. ХТПНГ КНИТУ.
© O. Jumaeva - master-student of Chemical Technology of Petroleum and Gas Processing Department KNRTU [email protected]; N. L. Solodova - Professor of Chemical Technology of Petroleum and Gas Processing Department KNRTU; E. A. Emelyanycheva - Associate Professor of Chemical Technology of Petroleum and Gas Processing Department KNRTU.
