Применение гранулированного пеностекла в качестве покрытия зеркала испарения нефтяных резервуаров Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.642.3

https://doi.org/10.24411/0131-4270-2018-10403

ПРИМЕНЕНИЕ ГРАНУЛИРОВАННОГО ПЕНОСТЕКЛА В КАЧЕСТВЕ ПОКРЫТИЯ ЗЕРКАЛА ИСПАРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

Е.С. ШАЦКИХ, аспирант кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и хранилищ

С.Н. ЛЕВИН, доцент кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и хранилищ В.М. ПИСАРЕВСКИЙ, д.т.н., проф. кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов

Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина (Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., д. 65, корп. 1). E-mail: [email protected]

В данной статье производится оценка различных видов материалов, используемых для строительства понтонов и плавающих крыш, а также метода покрытия зеркала испарения нефтяных резервуаров с помощью гранулированного пеностекла.

Ключевые слова: резервуар, понтон, плавающие крыши, потери, вулканический пепел, гранулированное пеностекло.

В настоящей статье рассматривается проблема сокращения потерь нефти и нефтепродуктов при хранении. До сих пор самым лучшим способом сокращения потерь при хранении считается применение плавающих крыш и понтонов, причем плавающие крыши экономически эффективнее понтонов, а условия применения технических средств всегда одинаковы.

Мы рассмотрим различные виды материалов, применяемых для строительства понтонов и плавающих крыш, а также малоизученный и до сих пор не используемый перспективный метод покрытия зеркала испарения нефтяных резервуаров с помощью гранулированного пеностекла, изготовленного на основе вулканического пепла.

Понтоны

Понтоны для резервуаров - это его внутренняя плавающая крыша. Она специально разработана для резервуаров вертикальной конструкции с целью уменьшения потерь нефтепродуктов от испарений, улучшения экологической и пожарной безопасности. Основным материалом для изготовления понтонов является алюминий, нержавеющая сталь или их комбинации. Понтоны используются в резервуарах со стационарной крышей, не имеющих внутреннего давления и без вакуума (рис. 1).

Легкость конструкции понтона из алюминия дает возможность его установки не только в строящихся, но и в уже действующих резервуарах без изменения их конструктивных элементов и применения подъемной техники.

По своей конструкции понтон должен работать без вращения и перекосов на всей высоте резервуара. Величина зазора между стенкой и краем понтона выбирается в соответствии с конструкцией резервуара. Это пространство и зазоры между патрубками понтона уплотняются специальными устройствами (затворами).

Использование понтонов в процессе хранения нефти и нефтепродуктов является экономически более выгодным, чем в случае применения альтернативных крыш. Существуют и другие преимущества:

• заводская готовность понтонов обеспечивает быстрый монтаж;

• плавучие понтоны совместимы абсолютно со всеми жидкими средами, которые используются в нефтяной промышленности;

• благодаря высокой сопротивляемости к коррозии материалов, применяемых при производстве понтонов, дополнительная защита не нужна;

• возможность регулировки положения понтонов.

Рис. 1. Резервуар с понтоном

I

Гранулированное пеностекло

Плавающие покрытия

Изобретение плавающего покрытия относится к нефтяной промышленности. Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности и снижение потерь от испарения хранимой жидкости. Применение в качестве материала для покрытия элементов с положительной плавучестью пористого стекла или керамики в совокупности с выполнением элементов в форме гранул или пластин позволяет повысить долговечность покрытия за счет возможности многократного использования и качество нефтепродуктов за счет сокращения большего содержания в них легких фракций.

При использовании пористого стекла или керамики в качестве материала элементов с положительной плавучестью для покрытия зеркала испарения жидкостей положительный эффект достигается за счет применения плавучих разновидностей стекла или керамики, обладающих стойкостью к химическим воздействиям со стороны подавляющего большинства веществ, в том числе и нефтепродуктов. Заявляемое покрытие обладает также другими полезными для данного применения свойствами: низкой гигроскопичностью, высокой морозостойкостью. Кроме того, для указанного материала характерна высокая термостойкость, что позволяет использовать его в качестве покрытия многократно, периодически очищая его прокаливанием при 600-700 °С.

Испытание плавающего покрытия, изготовленного по заявляемому техническому решению, показало, что его применение снижает потери хранимой жидкости за счет уменьшения испарения.

Пористые стекло и керамика изготавливаются как из природного, так и из искусственного сырья, в частности из стекла перлита, вулканического пепла, обсидиана, глины, глинистых сланцев, пемзы и др. При этом используют изделия различной формы и структуры: гранулы, плитки, сростки вспученных микрочастиц, щебень, пустотелые сферы, скорлупы.

Были проведены испытания покрытий, выполненных из пористого стекла и керамики различной формы. Установлено, что возможно применение различных форм, однако наиболее удобны при эксплуатации округлые гранулы.

В качестве конкретного примера предлагается покрытие, плавучие тела которого выполнены в виде гранулированного пеностекла, применяемого для защиты зеркала испарения бензина марки АИ-92, хранящегося в резервуаре. Гранулы округлой формы имеют следующие параметры: материал гранул - стекло; плотность гранул - 0,4.. .0,5 г/см3; размер гранул - 3.15 мм; средняя толщина гранул - 36 мм; температура испытаний - 20 °С.

Для сравнения были измерены потери испарения бензина, хранящегося в идентичных резервуарах с открытым зеркалом испарения и с плавающим покрытием в виде понтонов. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что абсолютные потери бензина при его хранении с покрытием по заявляемому техническому

Таблица 1

Результаты измерений потерь от испарения бензина в резервуарах

Тип покрытия Жидкость Температура окружающей среды, °С Потери жидкости от испарения, % мас.

Без покрытия Бензин АИ-92 20 100

Понтоны Бензин АИ-92 20 35

Бензин АИ-92

20

30

решению по сравнению с потерями того же бензина, хранящегося с покрытием в виде понтонов, сократились на 5% (относительные потери на 14%).

Кроме того, отмечено, что заявляемое покрытие хорошо сохраняет легколетучие фракции бензина, что имеет большое значение. Для защиты зеркала испарения жидкостей с плотностью более 0,7 г/см3 целесообразно применение плавающего покрытия из керамзита.

Преимущества заявляемого решения заключаются в повышенной эксплуатационной надежности защитного покрытия, в том числе долговечности инертности к большинству веществ, повышении качества нефтепродуктов за счет сохранения большего содержания в них легких фракций, непотопляемости.

На Магаданском заводе строительных материалов Главсеверовостокстроя Минвостокстроя СССР в 1985 году введена в эксплуатацию опытно-промышленная установка по производству гранулированного пеностекла (рис. 2).

Сырьем для получения гранулированного пеностекла служит вулканический пепел Южно-Хасынского месторождения Магаданской области. Сухой пепел - порошок белого или серого цвета с удельной поверхностью 90-150 м2/кг, модуль крупности 0,03-0,12,преобладаю-щими (60-90%) являются частицы размерами 0,05 мм и менее, содержание глинистых частиц 1-1,5%, органические примеси практически отсутствуют, колориметрическая проба светлее эталона, гигроскопичность сухого порошка невелика: 0,1-0,2%, однако при прямом контакте с водой вулканический пепел активно впитывает влагу, в связи с чем влажность его может достигать 35-44% по массе.

Рис. 2. Общий вид опытно-промышленной установки по производству гранулированного пеностекла

В минералогическом отношении основную часть вулканического пепла (98-99%) составляет легкая фракция -обломки вулканического стекла. В пробах содержатся в незначительном количестве кварц, полевой шпат и каолинит.

Гидравлическая активность пепла в естественном состоянии в пределах 12-42 мг СаО/г и, согласно принятой стандартом классификации, он не относится к активным минеральным добавкам. Химический состав пепла, % по массе: БЮ2 - 68,9-72,2; ТЮ2 - 0,1-0,2;

А120 ■

Ре03 + ИРеО ■

К2О -

Ыа20 ■

13,1-13,8;

- 1,2-2,7;

СаО - 0,8-1,7;

МдО - 0,1-1,2; ■ 3,9-4,2; ■ 3,6-4,1.

На вулканический пепел как сырье для производства гранулированного пеностекла разработаны и утверждены технические условия. По содержанию основных стеклообразу-ющих окислов он близок к составам высокоглиноземистых стекол, применяемых в промышленности для получения стеклопродуктов различного назначения, однако щелочей в нем на 6-7% меньше.

В производственных условиях недостаток щелочей восполняется введением в смесь гидроксида натрия.

В качестве основного рекомендован состав, содержащий 90% вулканического пепла и 10% гидроксида натрия.

Технология изготовления гранулированного пеностекла включает следующие основные переделы:

I

Рис. 3. Технологическая схема изготовления гранулированного пеностекла на установке Магаданского завода строительных материалов

Вулканический пепел

Подготовка

Сушка

Помол

Дизирование

Приготовление шихты

Гранулирование

Сушка гранул

Дозирование

Опудривание гранул

Обжиг

| Известь | молотая J

• сушку и помол вулканического пепла;

• подготовку сырья;

• приготовление рабочей смеси с добавкой гидроксида натрия;

• формование гранул, сушку и покрытие поверхности гранул тугоплавким порошком;

• вспенивание гранул во вращающейся печи; рассев готового продукта по фракциям (рис. 3).

Подготовка сырья - вулканического пепла заключается в получении однородной по зерновому составу и влажности массы, которая поступает на сушку во вращающийся барабан сушильного отделения. Влажность пепла в природном состоянии находится в пределах 16-30%. При сушке (она происходит в режиме прямотока) часть мелких фракций теряется, поэтому сухой пепел домалывают в шаровой мельнице до удельной поверхности 150-170 м2/кг.

Гранулы формуют в тарельчатом грануляторе диаметром 1,6 м с высотой борта тарели 260 мм. Технологией предусмотрено предварительное (до грануляции) смешивание компонентов. Исследования показали, что при формовании гранул в тарельчатом грануляторе из смесей с удельной поверхностью твердого компонента 150-170 м2/кг колебание влажности массы в пределах ±2% заметного влияния на процесс окатывания гранул не оказывает. С увеличением дисперсности сырья эта зависимость возрастает.

Продолжительный опыт работы с тарельчатым гранулято-ром показал, что предварительное смешивание компонентов шихты по сравнению с раздельным способом подачи их в гранулятор ускоряет на 20-40% процесс окатывания формовочной массы в гранулы, повышает плотность и однородность их структуры. Стабильность процесса грануляции во многом зависит от точности дозирования компонентов шихты.

Оптимальный угол наклона тарели гра-нулятора 49-52°. В этом интервале углов наклона из гранулятора выгружаются гранулы размером 3-12 мм, из которых после вспенивания получают гранулированное пеностекло размерами зерен 5-20 мм.

При угле наклона тарели менее оптимального выгружаемые гранулы получаются крупнее, при увеличении угла -мельче. Такая зависимость прослеживается при сохранении постоянной загрузки формовочной массы в гранулятор. В обоих случаях прочность гранул уменьшается.

Наличие в составе шихты гидрооксида натрия обусловливает получение сырых гранул удовлетворительной прочности. Так, сопротивление сырых гранул раздавливанию для смесей с удельной поверхностью вулканического пепла 150-170 м2/кг составляло 300-400 г/гранула, что гарантирует их целостность при транспортировке и последующей сушке. При изменении содержания щелочи в шихте от 8 до 10%, прочность гранул увеличивается на 10-15%.

Сырые гранулы сушат в режиме противотока во вращающемся барабане

Гидроксид натрия

Ратворение

*

Дозир ование

| Известняк | молотый J

Дозирование

Рассев по фракциям

диаметром 1,6 м длиной 10 м. Температура в зоне загрузки гранул не выше 90-100 °С. Это необходимо, чтобы предотвратить взаимодействие между сырыми гранулами и внутренней поверхностью сушильного барабана. Выход целых гранул составляет 94-96%. При увеличении температуры в зоне загрузки часть сырых гранул разрушается. Продукты разрушения содержат щелочь и при взаимодействии с внутренней металлической поверхностью барабана образуют прочные наросты, которые, увеличиваясь, действуют как абразивы, превращая гранулы в пыль. В результате процент выхода целого продукта резко уменьшается.

Прочность при сдавливании в цилиндре гранул, высушенных до остаточной - влажности 0,5-1%, значительна: 4-5 МПа. Это обусловлено взаимодействием вулканического стекла с гидроксидом натрия как в процессе формования гранул, так и при их сушке. Сухие гранулы можно долго хранить и перевозить на большие расстояния без ущерба для их качества.

Технологией предусматривается получение гранулированного пеностекла в короткой вращающейся печи. На заводе установлена печь длиной 14 м и диаметром 2 м, футерованная шамотным кирпичом.

Температура вспенивания гранул 960-980 °С. Время нахождения их в зоне максимальных температур 4-6 мин при общей продолжительности термообработки 30-40 мин. Для предотвращения при обжиге слипания гранул между собой и с футеровкой печи их покрывают тонким слоем сухой молотой строительной извести.

Опробованы мокрый и сухой способы покрытия поверхности гранул известью. Заметной разницы в качестве готового продукта и значении коэффициента объемного вспенивания нет. Однако сухой способ более прост, надежен и экономичен в эксплуатации, поскольку из технологии исключаются мокрые процессы.

В дальнейшем известь будет заменена молотым порошком из известнякового камня. Расход порошка при вспенивании в этом случае увеличивается до 5-6%.

Рентгеноструктурный анализ поверхностного слоя гранул показал, что оксид кальция активно взаимодействует с кремнеземом расплава, в результате чего в поверхностном слое образуется белит, который увеличивает адгезионные

свойства поверхности гранул. Вместе с тем химическим анализом установлено, что не вся известь, расходуемая на покрытие гранул, успевает прореагировать с кремнеземом расплава: часть (0,1-0,7% массы гранул) остается на поверхности в виде свободного оксида кальция и в реакциях взаимодействия не участвует.

Насыпная плотность гранулированного пеностекла 300-450 кг/м3. Прочность при сдавливании в цилиндре в зависимости от насыпной плотности составляет 1,2-2,5 МПа, водопоглощение за 1 ч - 5-8% по массе. Коэффициент размягчения 0,8-0,99. Гранулированное пеностекло долговечно, марка по морозостойкости не менее Мр3 25. Содержание стеклофазы в заполнителе 95-98%. Гранулы не содержат сернистых и сернокислых соединений, что позволяет использовать их в качестве заполнителя при изготовлении легких бетонов для конструкций с любым армированием.

На гранулированное пеностекло как заполнитель легких бетонов разработаны и утверждены технические условия. Таким образом, особенности производства гранулированного пеностекла доказывают, что пеностекло не реагирует с нефтепродуктами. Это также подтвердили эксперименты на моделях по применению пеностекла в качестве защитного покрытия зеркала испарения в нефтяных резервуарах ПО «Магаданнефтепродукт».

Как показывает геологическая карта страны, вулканические месторождения пепла имеются практически во всех регионах РФ, особенно в южных районах РФ и других стран. В связи с этим применение гранулированного пеностекла в качестве покрытия зеркала испарения нефтяных резервуаров является весьма перспективным и найдет широкое применение на предприятиях нефтеснабжения и в смежных отраслях промышленности.

В настоящее время осуществляется серия опытов с целью определения оптимальных величин гранул, влияния статического электричества и его опасности, взаимодействия гранулированного пеностекла с нефтепродуктами, понижения процесса обволакиваемости гранул, а также экономической эффективности внедрения.

В последующих статьях наш читатель будет проинформирован о результатах опытов.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Левин С.Н. Перспективные материалы для сокращения испарения нефтепродуктов из резервуаров // Транспорт и хранение нефтепродуктов, 1991. № 5.

2. Абузова Ф.Ф., Молчанова Р.А. Анализ эффективности использования резервуаров с плавающей крышей // Нефтяное хозяйство. 1982. № 6. С. 55-57.

3. Пименов Г.Н., Сипливый А.Н., Лысюк Е.И. Опыт производства гранулированного пеностекла на основе вулканического пепла // Строительные материалы. 1976. № 10. С. 23.

4. Авторское свидетельство № 1720939 Плавающее покрытие /Левин С.Н., Сипливый А.Н. Зарегистр.: 22.11.1991. Бюл. № 4786122/13.

APPLICATION OF GRANULATED FOAM GLASS AS A COATING OF THE EVAPORATION MIRROR OF OIL TANKS

SHATSKIKH E.S., Postgraduate Student of the Department of Pipeline and Storage Facilities Construction and Rehabilitation LEVIN S.N., Assoc. Prof. of the Department of Pipeline and Storage Facilities Construction and Rehabilitation PISAREVSKIY V.M., Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Gas and Oil Pipelines Engineering and Operation Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (65, korp.1, Leninskiy pr., 119991, Moscow, Russia). E-mail: [email protected]

ABSTRACT

This article assesses the different types of materials used for the construction of pontoons and floating roofs, and the method of coating the evaporation mirror of oil tanks using granular foam glass. Keywords: tank, pontoon, floating roofs, losses, volcanic ash, granulated foam glass.

REFERENCES

1. Levin S.N. Perspective materials for reducing evaporation of petroleum products from tanks. Transport i khraneniye nefteproduktov, 1991, no. 5 (In Russian).

2. Abuzova F.F., Molchanova R.A. Analysis of the efficiency of the use of tanks with a floating roof. Neftyanoye khozyaystvo, 1982, no. 6, pp. 55-57 (In Russian).

3. Pimenov G.N., Siplivyy A.N., Lysyuk Ye.I. Experience in the production of granulated foam glass based on volcanic ash. Stroitel'nyye materialy, 1976, no. 10, pp. 23 (In Russian).

4. Levin S.N., Siplivyy A.N. Avtorskoye svidetel'stvo № 1720939. Plavayushcheye pokrytiye [Copyright certificate no. 1720939. Floating cover].