ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОГНЕЗАЩИТНОГО СОСТАВА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЩИТОВ-ЭКРАНОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Пожарная и промышленная безопасность в нефтегазовой отрасли _

УДК 614.841.34

ПРОЕКТИРОВНИЕ ОГНЕЗАЩИТНОГО СОСТАВА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЩИТОВ-ЭКРАНОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

DESIGNING A FIREPROOF COMPOUND FOR HEAT-PROTECTIVE METAL SHIELDS-SCREENS FOR OIL-AND-GAS WELLS

А. Ю. Акулов, С. А. Бараковских, А. Ю. Кошелев, В. В. Смирнов

A. Yu. Akulov, S. A. Barakovskyh, A. Yu. Koshelev, V. V. Smirnov

Уральский институт ГПС МЧС России, г. Екатеринбург

Ключевые слова: огнестойкость; огнезащитный состав; методика проектирования составов; алгоритм проектирования составов Key words: fire resistance; fireproof compound; a technique of compositions design; algorithm of compounds design

В процессе строительства и эксплуатации нефтегазовых скважин для их защиты и защиты применяемых в процессе строительства и ремонта буровых установок и передвижных подъемных агрегатов на случай аварийного возгорания или открытого газового фонтана применяются различные теплозащитные и светоотражающие щиты-экраны [1, 2, 3].

Огнестойкость металлических конструкций таких экранов в условиях пожара составляет от 6 до 25 мин. Фактический предел огнестойкости металлоконструкций зависит от толщины сечения элементов, величины действующих нагрузок, температуры горения углеводородов и их количества. Такое поведение конструкций обусловливается низкой критической температурой (например, для некоторых стальных конструкций она составляет 400 0С). Данное отрицательное свойство металлических конструкций приводит к необходимости устройства огнезащитных

№ 6, 2015

Нефть и газ

83

покрытий металлических конструкций. Проведенный анализ существующих покрытий [4] выявил необходимость разработки огнезащитного штукатурного состава на основе вспученного перлита, вермикулита и магнезиального цемента.

Для определения качественных показателей покрытия проведен ряд испытаний [5, 6]. Определены следующие физико-механические показатели: объемная масса; прочность на сжатие; величина адгезии; водопоглощение. Полученные физико-механические свойства приведены в таблице.

Физико-механические свойства огнезащитного состава

Свойство Показатели свойств композиции

1 2 3 4 5

Водопоглощение, % 72,0 47,0 15,2 14,1 10,0

Адгезия Неуд. Удовл. Удовл. Удовл. Удовл.

Объемный вес, кг/м3 234 340 452 552 671

Прочность на сжатие, МПа 0,5 1,3 2,0 2,6 3,3

Проведенные исследования физико-механических свойств различных композиций разработанного авторами огнезащитного состава позволили сформулировать методику проектирования состава под конкретные свойства. В основу данной методики закладывался графический способ определения свойств материалов с помощью треугольных номограмм «состав — свойство» (рис. 1) [7].

На разработанной номограмме точкам 1-5 соответствуют показатели физико-механических свойств пяти композиций, приведенных в таблице.

Рис. 1. Процентное содержание искомых компонентов при различных заданных свойствах огнезащитного состава

Данная номограмма позволяет определить необходимое количество вспученного вермикулита и перлита, магнезиального цемента. Определение компонентного состава производится в зависимости от заданных свойств покрытия. Номограмма

«состав — свойство» (см. рис. 1) позволяет определить не только процентный состав огнезащитного покрытия, но и предусмотренные в них физико-механические свойства покрытия (объемный вес, водопоглощение, прочность).

Проведенные испытания на огнестойкость [8] партии образцов стальных пластин, защищенных от огня покрытием различной толщины, позволили выявить зависимость огнестойкости металлической пластины от толщины огнезащитного покрытия (рис. 2) композицией № 3 (табл.).

Заданная огнестойкость, мин

Рис. 2. Зависимость предела огнестойкости стальной пластины от толщины покрытия

Покрытие обеспечивает максимальный предел огнестойкости металлоконструкций (240 мин) при толщине защитного слоя 44 мм (см. рис. 2). Проведенные исследования [8] позволили определить зависимость огнестойкости от приведенной толщины металла и толщины покрытия (рис. 3).

400 350 300

Л 250

■Л"

13

I 200

о

13

100 50 0

Рис. 3. Зависимость огнестойкости от толщины металла и толщины покрытия

о" * ж « - , - - "

/ * ...

У / / «

/ / / • •*

✓ . -'

10 15 20 25 30 35 40

Тощина покрытия, мм

Приведенная толщина 3,4 мм. . .. Приведенная толщина 5,2 мм __Приведенная толщина 9,1

Результаты проведенных исследований позволили сформулировать методику подбора сечения несущих металлических конструкций с огнезащитным покрытием различной толщины в зависимости от требуемой огнестойкости конструкций защитных экранов нефтегазовых скважин. Для этого необходимо использовать данные, приведенные на рис. 3. Так, при необходимой огнестойкости 240 мин возможно применение металлического элемента с приведенной толщиной металла 3,4 мм; 5,2 мм; 9,1 мм — что зависит от нагрузки, действующей на данную конструкцию, и условий ее эксплуатации. Причем возможно определение необходимой толщины покрытия для каждого сечения металлического элемента. Также данные зависимости позволяют определить необходимую толщину покрытия при известных значениях приведенной толщины металла.

Разработанное огнезащитное покрытие обладает высокими эксплуатационными показателями и обеспечивает повышенный предел огнестойкости металлических конструкций защитных экранов нефтегазовых скважин.

Применение данного состава возможно в суровых условиях Крайнего Севера при различных атмосферных воздействиях (осадки, отрицательная температура, сильные ветровые нагрузки). Проведенные исследования физико-механических свойств и огнестойкости составов № 1 [1] и № 2 (ОС № 1, ОС № 2) привели к возможности разработки методики проектирования огнезащитных составов в зависимости от предъявляемых требований к свойствам, сечению и огнестойкости металлических конструкций.

Проведенная работа позволяет построить алгоритм (рис. 4) методики проектирования физико-механических свойств и огнестойкости составов на основе минеральных термостойких заполнителей для конкретных условий применения на нефтегазовых скважинах. Алгоритм значительно упрощает процесс проектирования огнезащитных составов для металлических конструкций.

Алгоритм проектирования.

1. Назначение требуемых пределов огнестойкости для металлических конструкций нефтегазовых скважин по нормативным документам [9] и/или назначение повышенной огнестойкости в зависимости от условий эксплуатации (удаленность, труднодоступность, возможное длительное воздействие высоких температур и т. д.).

2. Определение фактической огнестойкости металлических конструкций по результатам огневых испытаний, например на Уренгойском полигоне [10], и/или результатам инженерно-технических расчетов [11].

3. Проверка условия Поф > Пот, при котором огнезащита либо требуется, либо нет. Если условие выполняется, конструкция проектируется без огнезащитного покрытия, если нет, то проводятся работы по проектированию необходимого огнезащитного покрытия.

4. В зависимости от условий эксплуатации (помещение и/или окружающая среда) назначается вид огнезащитного покрытия: ОС № 1 — для помещений, ОС № 2 — атмосфероустойчивый, для условий нефтегазовой скважины в условиях окружающей природной среды.

5. Определение заданных физико-механических свойств покрытия ОС № 1 или ОС № 2 (водопоглощение, объемный вес, прочность).

6. Определение процентного количества каждого компонента, входящего в состав огнезащитных покрытий ОС № 1 и ОС № 2, в зависимости от требуемых физико-механических свойств (см. рис. 1).

7. Определение огнестойкости металлических конструкций защитных экранов в зависимости от толщины покрытия и/или от приведенной толщины металла и толщины покрытия по графикам (см. рис. 2, 3).

8. Определение стоимости покрытия.

9. Оптимальное исполнение металлической конструкции с учетом всех предъявляемых к ней требований.

Назначение требуемых (необходимых) пределов огнестойкости (П°т) металлических конструкций рассматриваемого объекта НГК

1

Определение фактической (П0Ф) огнестойкости (испытания и/или расчет) металлических конструкций рассматриваемого объекта НГК

П°ф>П°т Да Огнезащита не

требуется

Нет

Определение условий работы металлических конструкций рассматриваемого объекта НГК

Нанесение и применение в условиях окружающей среды - ОС №2

Определение заданного свойства огнезащитного состава (водопоглощения. объемного веса, прочности)

1

Определение необходимого количества цемента и дополнительных добавок

1 '

Определение необходимого количества вспученного вермикулита и перлита, асбеста и микросферы алюмосиликатной

Нанесение и применение в отапливаемых помещениях - ОС №1

Определение необходимого количества магнезиального цемента, вспученного перлита и вермикулита

Рис. 4. Алгоритм проектирования огнезащитных составов теплозащитных экранов нефтегазовых скважин

Разработанный алгоритм проектирования огнезащитных покрытий для металлических конструкций теплозащитных и светоотражающих щитов-экранов нефтегазовых скважин позволяет учитывать все требования, предъявляемые к металлоконструкциям, эксплуатируемым в жестких условиях, повысить эффективность применения огнезащиты и дает возможность оптимально спроектировать вводимые в эксплуатацию объекты нефтегазовой отрасли.

Таким образом, разработанный состав для тепловой защиты металлических щитов позволяет создать теплозащитный светоотражающий экран нефтяных и газовых скважин, предотвращающий распространение пожара на приустьевой территории.

Список литературы

1. Курочкин Б. М. Техника и технология ликвидации осложнений при бурении и капитальном ремонте скважин. В 2-х частях. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2007. - Ч. 1.-598 с.; 2008. - Ч. 2. - 555 с.

2. Кустышев А. В. Сложные ремонты газовых скважин на месторождениях Западной Сибири. -М.: ООО «Газпром экспо», 2010. - 255 с.

3. Фонтаноопасность при бурении, эксплуатации и ремонте скважин / Л. У. Чабаев, Д. М. Чуд-новский, С. Р. Хлебников, А. Г. Аветисов, Г. П. Зозуля, А. В. Кустышев, Ю. А. Пуля. - Краснодар: Изд-во «Просвещение-Юг», 2009. - 267 с.

4. Акулов А. Ю. Огнезащитное покрытие на основе минеральных термостойких заполнителей для металлических конструкций / А. Ю. Акулов, В. А. Иванов, А. В. Аксенов // Научно-технические ведомости СПбГПУ 4'2010. - Санкт-Петербург, 2010. - С. 263-266.

5. ГОСТ 17177-94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний / Введ. 1996-04-01. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 19 с.

6. ГОСТ 15140-78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии / Введ. 1979-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 1981.-7 с.

7. Денисов А. С. Теплоизоляционные жаростойкие торкрет-массы на основе вермикулита: учебник / А. С. Денисов, В. А. Швыряев - М.: Стройиздат, 1973. - 104 с.

8. ГОСТ Р 53295-2009. Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности / Введ. 2009-02-18. - М.: Изд-во стандартов, 2008.

9. Российская Федерация. Законы. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: федер. закон: [принят Гос. Думой 4 июля 2008 г.: одобр. Советом Федерации 11 июля 2008 г. - 1-е изд.]. -М.: Проспект, 2009. - 114 с.

10. Бакеев Р. А., Кустышев А. В., Зозуля Г. П., Чабаев Л. У., Ятлук О. В. Полевые учения по ликвидации фонтана и пожара на нефтегазовой скважине // Пожарная безопасность. - 2012. - № 1. - С. 115-120.

11. Повзик Я. С. Пожарная тактика. - М.: ЗАО «Спецтехника», 2001. - 416 с.

Сведения об авторах

Акулов Артем Юрьевич, к. т. н, начальник адъюнктуры, Уральский институт

Государственной противопожарной службы Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий России, г. Екатеринбург, тел. 89043810454, e-mail: Akulov-07@mail.ru

Бараковских Сергей Александрович, к. т. н, Уральский институт Государственной противопожарной службы Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий России, г. Екатеринбург, тел. 89505554178, e-mail: bar0381@yandex.ru

Кошелев Алексей Юрьевич, преподаватель кафедры Уральский институт Государственной противопожарной службы Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий России, г. Екатеринбург, тел. 8(343) 2214137, e-mail: Alekshelev@mail.ru

Смирнов Виталий Владимирович, преподаватель, Уральский институт Государственной противопожарной службы Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий России, г. Екатеринбург, тел. 8(343)2214137, e-mail: s_vitaly2006@list.ru

Information about the authors Akulov A. Yu., Candidate of Science in Engineering, chief of postgraduate's work department at the Ural Institute of fire prevention government service of the RF Ministry for civil defense, emergency situations and elimination of the consequences of natural calamity of Russia, Yekaterinburg, phone: 89043810454, e-mail: Akulov-07@mail.ru

Barakovskih S. A., Candidate of Science in Engineering, the Ural Institute of fire prevention government service of the RF Ministry for civil defense, emergency situations and elimination of the consequences of natural calamity of Russia, Yekaterinburg, phone: 89505554178, e-mail: bar0381@yandex. ru

Koshelev A. Yu., lecturer of the Ural Institute of fire prevention government service of the RF Ministry for civil defense, emergency situations and elimination of the consequences of natural calamity of Russia, Yekaterinburg, phone: 8(343)2214137, e-mail: Alek-shelev@mail.ru

Smirnov V. V., lecturer of the Ural Institute of fire prevention government service of the RF Ministry for civil defense, emergency situations and elimination of the consequences of natural calamity ofRussia, Yekaterinburg, phone: 8(343)2214137, e-mail: s_vitaly2006@list. ru