автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка жаростойких композитов и технологии их нанесения на металлоконструкции

На правах рукописи

иозовзэ14

АКСЕНОВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ЖАРОСТОЙКИХ КОМПОЗИТОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ НАНЕСЕНИЯ НА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ

Специальность 05 26 03 — Пожарная и промышленная безопасность

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

к

0 7 ик

Тюмень - 2007

003063914

Диссертационная работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Федерального агентства по образованию Российской Федерации

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Холмогоров Анатолий Парфирьевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Антипьев Владимир Наумович

кандидат технических наук Большаков Юрий Николаевич

Ведущая организация

ООО «Сургутгазпром»,

Тюменское управление магистральных

газопроводов, г.Тюмень

Защита состоится 21 июня 2007 г в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212 273 02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу 625000, г Тюмень, ул Володарского, 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу 625039, г Тюмень, ул Мельникайте, 72

Автореферат разослан «21» мая 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузьмин С В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Освоение газовых и нефтяных месторождений Севера Тюменской области неразрывно связано с резким увеличением темпов строительства гаю- и нефтедобывающих объектов Одной из задач строительства является создание надежной огнезащиты строительных конструкций и сооружений в суровых климатических условиях Это вызвано не только добычей, подготовкой, транспортом, переработкой и хранением огнеопасного сырья, но также необходимостью обеспечения надежной сохранности сооружений и оборудования в процессе их эксплуатации и обслуживания

Для выполнения этих задач необходимо не только совершенствовать уже имеющиеся материалы, а, главным образом, создавать новые эффективные огнестойкие композитные материалы, которые должны обеспечить длительную огнестойкость сооружений и конструкций различного назначения

В настоящее время три четверти объема нефтегазопромысловых, транспортных и перерабатывающих сырье объектов занимают металлические конструкции К ним относятся емкости для хранения нефтепродуктов, технологические трубопроводы, балочные конструкции насосных и компрессорных цехов, а также объекты завода стабилизации конденсата Следует отметить, что эти объекты являются источником повышенной взрывопожаро-опасности, обусловленной добычей, обработкой и транспортировкой легковоспламеняющегося сырья Для сохранности основного технологического оборудования нефтегазовых объектов необходимо обеспечить им предел огнестойкости не менее 40 минут, времени, достаточного для прибытия пожарной бригады

Одним из основных путей решений этой задачи является обеспечение минимального требуемого предела огнестойкости несущих строительных металлических конструкций и сооружений путем нанесения на их поверхность эффективных гидрофобных огнезащитных покрытий В связи с этим, разра-

ботка оптимальных атмосферо- и адгезионностойких огнезащитных составов и механизированной технологии их нанесения в условиях отрицательных температур окружающей среды является актуальной

Цель работы заключается в разработке огнезащитных составов на минеральных термостойких заполнителях, наносимых на металлоконструкции механизированным способом при отрицательных температурах

Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1 Провести анализ существующих огнезащитных покрытий и выбрать наиболее перспективные направления для разработки огнезащитного композита

2 Разработать для огнезащиты металлоконструкций водоотталкивающие составы, с возможностью нанесения их при отрицательных температурах

3 Разработать установку и технологию механизированного нанесения огнезащитных покрытий на металлические конструкции

Научная новизна выполненных исследований:

1 Разработаны атмосферостойкие покрытия круглогодичного использования для защиты металлоконструкций нефтегазового комплекса при пожарах

2 Произведен подбор оптимального соотношения термостойких заполнителей

3 Разработана технология нанесения огнезащитных составов в условиях отрицательных температур

4 Разработана принципиальная схема пневматической установки для механизированного нанесения огнезащитных составов

Практическая ценность работы. Разработанные огнестойкие покрытия могут применятся для защиты металлоконструкций объектов добычи, переработки и транспортировки газа и нефтепродуктов Покрытия можно наносить в условиях атмосферных осадков и при отрицательных температурах воздуха

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических семинарах и конференциях (2004-2007гг ) Диссертация заслушана и рекомендована к защите на межкафедральном научно-техническом совете Тюменского государственного нефтегазового университета

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ Объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка литературы Библиография включает 92 наименования работ Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка и 49 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы и ее практическая ценность

В первом разделе проведен анализ существующих составов для защиты металлоконструкций от действия высоких температур Рассмотрены патенты на огнезащитные покрытия ряда зарубежных стран

Теоретическим и экспериментальным исследованиями по созданию огнестойких композитов посвящены работы авторов Васильева Н Ф, Камцона И Р , Воронкова С Т, Домбурга Г Э , Романенкова И Г , Зигерн-Корна В Н, Сорина В С

В результате проведенного анализа было выявлено, что при многих положительных качествах (большой предел огнестойкости, низкая стоимость, простота приготовления и нанесения) существующие составы обладают недостатками, затрудняющими их применение в условиях Западной Сибири Основными недостатками являются невозможность нанесения при отрицательных температурах и высокое водопоглащение, что исключает эксплуатацию в условиях атмосферных осадков

Наиболее перспективными в качестве основы для разработки огнестойкого покрытия были выбраны фосфатные покрытия и вспучивающиеся краски

Второй раздел посвящен анализу физико-химических свойств компонентов, выбранных для проведения экспериментальных работ по созданию жаро-

стойкого покрытия Для создания атмосферостойкого огнезащитного состава, с возможностью нанесения его при отрицательных температурах, необходимо наличие таких функциональных компонентов, как термостойкий заполнитель, связующее вещество, отвердитель, противоморозная и гидрофобизирующая добавки В качестве основных компонентов для проведения экспериментальной работы по разработке огнестойкого покрытия выбраны жидкое стекло, нефелиновый антипирен, асбест, вермикулит, стекловолокно, портландцемент, поташ и гидрофобизирующая жидкость

В третьем разделе приведена методика проведения экспериментальных работ по созданию жаростойкого композита

В ходе работы разработано два огнезащитных покрытия Первое покрытие (асбестовермикулитовое) представляет собой вспучивающуюся краску В качестве термостойкого минерального заполнителя в нем используется вспученный вермикулит Второй состав (асбестонефелиновый) создан на основе фосфатных тонкослойных покрытий, в которых роль отвердителя играет фосфатное соединение, а именно нефелиновый антипирен В качестве связующего компонента в обоих разработанных покрытиях используется жидкое натриевое стекло Выбор жидкого стекла в качестве связующего компонента обоснован его невысокой стоимостью, широкой распространенностью, а также высокой прочностью после отвердения

Ниже более подробно представлены основные этапы разработки покрытий Подбор состава асбестонефелинового огнезащитного покрытия проводился в пять этапов

1) Проверка эффективности отвердителя В качестве отвердителя жидкого стекла в данном составе используется нефелиновый антипирен Увеличение процентного содержания антипирена в растворе жидкого стекла сокращает продолжительность схватывания, повышает прочность и водостойкость композиции Таким образом, в результате проведенных экспериментов, был

сделан вывод о целесообразности использования нефелинового антипирена в качестве отвердителя жидкого стекла при разработке огнезащитного состава

2) Подбор процентного содержания термостойкого минерального заполнителя Определялись следующие физико-механические показатели объемная масса, прочность на сжатие, адгезия, влажность

На основании серии проведенных исследований были выбраны две оптимальные композиции огнезащитных покрытий В их состав входят следующие компоненты жидкое стекло - 50%, нитрит натрия (состав 2 - поташ) - 7%, нефелиновый антипирен - 6%, асбест хризотиловый — 37%

3) Подбор гидрофобизатора проводили для придания покрытию водоотталкивающих свойств, для возможности его эксплуатации в условиях повышенной влажности Для этого проводили предварительную гидрофобиза-цию компонентов покрытия кремнийорганической жидкостью ГКЖ 136-41, и затем рассчитывали водопоглощение состава

Из данных о водопоглощении асбестонефелиновых огнезащитных составов сделали вывод, что гидрофобизирующие компоненты незначительно снижают водопоглощение асбестонефелинового покрытия, а поверхностная гид-рофобизация образцов в целом, дает результаты несколько лучше

В ходе эксперимента не удалось придать асбестонефелиновому покрытию водоотталкивающих свойств путем предварительной гидрофобизации компонентов Поэтому, применение данного состава в условиях повышенной влажности возможно только с поверхностным нанесением гидрофобизатора

4) На четвертом этапе проводили подбор противоморозной добавки Исследовали такие добавки, как хлориды натрия и кальция, нитрит натрия, карбонат калия (поташ) и глицерин

ЫаС1 и СаС12 вызывали коагуляцию состава и выпадение осадка Глицерин является дорогостоящим соединением Так что наиболее подходящими антифризными добавками были выбраны нитрит натрия и поташ Но, так как ЫаЫОг позволяет снизить температуру замерзания состава лишь до минус

19°С, а К2С03 - до минус 36°С, поэтому предпочтительнее в качестве проти-воморозной добавки, использовать поташ

Растворы жидкого стекла с поташом в количестве 5, 10 и 15% масс замерзают соответственно через 1, 2 и 3 часа, а растворы жидкого стекла с нитритом натрия в количестве 5, 10 и 15% масс через 0,5, 1 и 1,5 часа соответственно

5) Для окончательного определения состава покрытия на пятом этапе были проведены огневые испытания образцов

Покрытия подвергали длительному воздействию пламени горелки Испытания показали, что образцы не изменяют своего первоначального состояния, имеют удовлетворительную адгезию к металлу, не происходит расслаивания и растрескивания материала

Затем, для получения данных по жаростойкости покрытия использовали методику, которая моделировала условия реального пожара Испытания проводились на металлических пластинах толщиной 1,5-2 мм с слоем огнезащитного покрытия от 10 до 55 мм В качестве источника тепла использовали муфельную печь

Огневые испытания подтвердили правильность выбранного направления работы Проведение огневых испытаний асбестонефелиновых покрытий на основе составов I и II показали

1 Покрытие на основе состава I при толщине 50 мм защищает металлическую поверхность от огня в течение трех часов (температура стальной пластины 500 °С) При этом покрытие не разрушается, сохраняет удовлетворительную адгезию к металлу

2 Покрытие на основе сос!ава 11 при толщине 50 мм защищает металлическую поверхность от огня в течение 3,3 часов

3 Огневые испытания показали, что огнезащитное покрытие на основе композиции II обладает более высокими огнезащитными свойствами по сравнению с композицией 1

Аналогично проводился подбор компонентов асбестовермикулитового огнезащитного покрытия

1) На первом этапе эксперимента проводили подбор отвердителей жидкого стекла Испытывали нефелиновый антипирен, шлак молотый, портландцемент марок М200 и М400 Критерием оценки действия отвердителей являлись сроки начала и конца схватывания огнезащитной массы Проведенные эксперименты показали, что минимальным сроком схватывания массы обладал состав с портландцементом марки М400 в качестве отвердителя (3 мин ) Поэтому, для дальнейших исследований, в качестве отвердителя жидкого стекла выбрали портландцемент

2) На основании ранее проведенных экспериментов, в качест ве противо-морозной добавки, был выбран поташ

3) На третьем этапе проводили подбор соотношения термостойких минеральных заполнителей Для испытаний использовали такие заполнители, как вспученный вермикулит, рубленое стекловолокно, перлит и асбест

В результате был подобран композит, который обладал минимальным водопоглощением (21%) и максимальной прочностью (0,6МПа) В его состав входят следующие компоненты жидкое стекло (43%), поташ (7%), портландцемент (9%), вермикулит (20%), стекловолокно (1%), асбест (20%)

4) Далее, была проведена оптимизация состава с целью достижения минимальной стоимости и объемной массы покрытия

В качестве целевой функции приняли функцию суммы отношения стоимости покрытия к массе термостойких заполнителей

(1)

Массу единицы объема (У1а) покрытия (дм') вычисляли по формуле

М10 =М{ + М2 + М} + М,+М^ + Мь, (2)

где Мх — Мь - массы вермикулита, асбеста, стекловолокна, портландцемента, жидкого стекла и поташа соответственно

На основании ранее проведенных опытов, требуемое процентное содержание компонентов составляет жидкое стекло - 0,146 Уе1), А/, = 0,17кг, противоморозная добавка - 0,026 Уед, Мь =0,03 кг, отвердитель - 0,02 Уе0, Мц = 0,036 кг, стекловолокно - 0,013 Уед, Мъ = 0,004 кг

В результате, получили К36 =0,195 Уед, М3_6 = 0,24 кг (условно постоянная масса в 1 дм3 состава) Изменение количественного содержания этих компонентов приведет к изменению в худшую сторону физико-механических свойств покрытия и невозможности его нанесения

Вследствие этого, получаем условно переменную массу М„ер = М, + М2, объемом - = Уед - У3_6 « 0,8 Уед

В качестве управляющей функции выбрали соотношение объемов

ку — ^/С , где У, - объем вермикулита, У2 - объем асбеста Выбор управляю/ м

щей функции обоснован тем, что меняя соотношение объемов вермикулита и асбеста мы регулируем вес и стоимость единицы объема покрытия Ввиду разности плотностей вермикулита (0,17 кг/м3) и асбеста (0,26 кг/м3), получаем постоянный объем термостойких заполнителей с переменной массой

Варьируя соотношение объемов (У, =(0-0,8) Уед и У2 =(0,8-0) Уед), получаем изменение массы 1 дм3 покрытия от 0,382 кг до 0,449 кг

Функция зависимости массы М(ку) от коэффициента к,, имеет вид

М(к.) = М,„ У'тр" +р2 У,т"" , (3)

4 1 7 '"*'" Нх (к, +1) 2 {к, +1) ^

где V м - постоянный объем термостойких заполнителей, равный 0,8 Уе6

Зависимость стоимости покрытия от коэффициента к, имеет вид

= -^Ц- Б2, (4)

(к, +1) {к, +1)

где 5, и - стоимость 1 кг вермикулита и асбеста соответственно

Критерием оптимальности является минимум целевой функции

<2(к, ) = + % > то есть значение к, при котором будет минимум

стоимости и массы покрытия О(ку), руб/кг 900

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ п? ^ ъ* ^ XV Рис 1 Зависимость целевой функции Q от коэффициента ку

Минимум целевой функции приходится на к»0,67, что соответствует объемам вермикулит - 48% Уео, асбест - 32% Уег)

5) На пятом этапе проводили испытания асбестовермикулитового покрытия на водопоглощение Как и ожидалось, добавка гидрофобизатора резко снижает водопоглощение покрытия Поверхностная гидрофобизация образцов дает результаты несколько хуже

6) На последнем этапе исследований проводились огневые испытания покрытия

В процессе испытания образцов на огнестойкость на нем не зафиксировано появление открытого пламени и интенсивного дымовыделения Зависимость предела огнестойкости стальных элементов от толщины покрытия имеет линейный вид, т е чем больше толщина покрытия, тем дольше оно защищает поверхность металла

Итак, окончательный состав асбестовермикулитового огнезащитного покрытия (в % от массы) вермикулит вспученный - 20, асбест VII сорта - 20, стекловолокно рубленное - 1, портландцемент М400 — 9, жидкое стекло - 43, поташ (30% раствор) - 7

Далее представлена краткая сравнительная характеристика двух разработанных составов

Несмотря на то, что асбестонефелиновое покрытие несколько дешевле, проще в приготовлении и обладает более высоким пределом огнестойкости по сравнению с асбестовермикулитовым составом, его эксплуатация невозможна в условиях атмосферных осадков В связи с этим, рекомендуется использовать асбестонефелиновое покрытие для огнезащиты металлоконструкций внутри помещений, тогда как асбестовермикулитовое - на наружном воздухе

В четвертом разделе представлена разработанная автором технология нанесения покрытия и установка для его механизированного набрызга

Разработанные покрытия предназначены для огнезащиты металлических конструкций и увеличения предела их огнестойкости, а также для теплоизоляции нефтегазопромыслового и энергетического оборудования

Огнезащиту металлических конструкций следует выполнять на объектах нефтяных и газовых месторождений, на газоперекачивающих агрегатах компрессорных станций, напорно-перекачивающих станций и РВС нефтепроводов, сооружений ЗСК, а также ряда других сооружений нефтяной и газовой промышленности

Предел огнестойкости металлоконструкции зависит от вида продукта, транспортируемого или хранимого, а именно от температуры воспламенения углеводородного сырья

Нанесение огнезащитного состава включает в себя следующие этапы подготовка защищаемой поверхности, приготовление огнезащитной смеси, нанесение смеси в условиях строительной площадки

С целью обеспечения надежного сцепления огнезащитного покрытия защищаемая поверхность должна быть очищена от ржавчины, грязи, краски, пыли, масел и жировых пятен

Технология нанесения огнезащитного состава с помощью самовсасывающей пневмоэжекторной установки проста и технологична

Перед нанесением огнезащитного состава защищаемая поверхность смачивается раствором жидкого стекла В зависимости от пространственного расположения конструкций, расстояние от пистолета-распылителя до защищаемой поверхности должно быть не более, мм потолочное — 500, вертикальное - 700, горизонтальное - 800

В труднодоступных местах указанные расстояния могут быть уменьшены до 200 мм (нанесение покрытия на корпус ГТУ)

При напылении состава на вертикальную поверхность пистолет следует держать перпендикулярно к защищаемой поверхности, на потолочную поверхность - продольная ось пистолета должна быть направлена под углом 90±30° к поверхности

Покрытие наносится плавным перемещением пистолета в направлении сверху вниз Выравнивание и заглаживание свеженанесенного слоя должно производиться до его отверждения

Правильно дозированная огнезащитная масса имеет факел равномерного серого тона При недостатке жидкого стекла в смеси на поверхности покрытия появляются сухие пятна, а его избыток приводит к оплыванию смеси Автором разработана принципиальная схема установки для механизированного нанесения огнезащитных покрытий (рис 2)

Принцип работы установки заключается в следующем готовая сухая смесь посредством сжатого воздуха (1) всасывается пневматическим эжектором (5) и подается под давлением к пистолету-распылителю (6) Смачивание сухой смеси жидким стеклом осуществляется на выходе из пистолета-

распылителя Жидкое стекло предварительно подогревается (2) и подается к пистолету-распылителю

Рис 2 Схема установки для нанесения огнезащитного состава 1 - компрессор, 2 - подогреваемая емкость с жидким стекло» 3 - блок-распределения сжатого воздуха, 4 - емкость с сухой смесью, 5 — самовсасывающий пневматический эжектор, б - пистолет-распылитель, 7 - защищаемая поверхность

Таким образом, установка для нанесения огнезащитного покрытия имеет ряд преимуществ Во-первых, она является независимой от внешних источников энергии, что дает возможность применять ее в условиях неблагоустроенных вахтовых поселков и строительных площадок

Во-вторых, блочное исполнение узлов установки облегчает транспортировку и перестановку отдельных элементов Все блоки установки могут быть размещены на раме автомобиля Такая мобильность повышает производительность рабочей бригады Сокращается время, требуемое для загрузки компонентов состава в рабочие емкости Кроме того, при необходимости, можно осуществить перестановку отдельных блоков (например, по этажам защищаемого объекта) или их замену в случае неисправности или изменения характеристик установки

Рассчитаны расходы материалов на разработанные огнезащитные покрытия Так, для огнезащиты одного квадратного метра поверхности асбе-стонеелиновым покрытием потребуется 6 кг смеси, а асбестовермикулито-вым - 9 кг (предел огнестойкости 1 ч, толщина 20 мм)

Также в работе был проведен расчет экономической выгоды внедрения разработанных огнезащитных составов по сравнению с используемыми в настоящее время методами, а именно по сравнению с цементно-известковой штукатуркой по сетке рабица Экономический эффект от внедрения асбесто-нефелинового огнезащитного покрытия составит 1985,6 руб на м2 при толщине покрытия 20 мм (для покрытия с поташом в качестве противоморозной добавки) Экономический эффект от внедрения асбестовермикулитового покрытия составит 1980,6 руб на м2 при толщине покрытия 20 мм ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 В результате проведенного анализа существующих составов для огнезащиты металлоконструкций было выявлено, что применяемые в настоящее время покрытия обладают рядом недостатков К основным недостаткам, ограничивающим применение данных составов, можно отнести невозможность нанесения при отрицательных температурах воздуха, отсутствие стойкости к атмосферным осадкам, большие капитальные затраты

2 Проведенные эксперименты позволили разработать покрытия для защиты металлоконструкций нефтегазового комплекса от пожаров Возможно нанесение и эксплуатация покрытий в условиях атмосферных осадков и отрацательной температуры воздуха Разработанные покрытия могут круглогодично применяться для огнезащиты металлоконструкций при строительстве нефтегазовых объектов

3 Проведен подбор оптимального соотношения термостойких заполнителей с целью минимизации объемной массы и стоимости покрытия

4 Разработана принципиальная схема пневматической установки для механизированного нанесения огнезащитных составов, что позволяет свести

к минимуму затраты ручного труда при производстве работ по нанесению жаростойких композитов

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Аксенов А В Разработка огнестойкого покрытия для защиты металлоконструкций при пожарах Материалы научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта», Тюмень, ТюмГНГУ, 2006 - С 8-11

2 Аксенов А В Анализ физико-химических свойств существующих огнестойких покрытий для защиты металлоконструкций при пожарах Сборник научных трудов «Мегапаскаль», Вып 2, Тюмень, 2006 - С 66

3 Аксенов А В Исследование вспучивающихся жаростойких покрытий нефтепромыслового оборудования Сборник научных трудов «Мегапаскаль», Вып 2, Тюмень, 2006 - С.67

4 Аксенов А В Композитные материалы для огнезащиты металлоконструкций нефтегазового комплекса Материалы X международного научного симпозиума имени академика М А Усова «Проблемы геологии и освоения недр», Томск, 2006 - С 440-445

5 Аксенов А В Разработка атмосферостойкого композитного материала для защиты металлоконструкций нефтегазового комплекса при пожарах / Иванов И А // Журнал «Известия вузов Нефть и газ» Вып 3 Тюмень ТюмГНГУ, 2007 - С 51-56

Подписано к печати ¿Рея су- Бум писч №1 __

Заказ № iT? __Уч - изд л

Формат 60 X 84 '/16 Уел печ л // J

Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз

Издательство «Нефтегазовый университет» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, Тюмень, ул Киевская 52

ВВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ В ОБЛАСТИ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА ОТ ОГНЯ

1.1. Анализ методов огнезащиты стальных конструкций.

1.2. Вспучивающиеся огнезащитные краски.

1.2.1. Вспучивающиеся покрытия на основе органических высокополимеров.

1.2.2. Вспучивающиеся покрытия на неорганической основе.

1.2.3. Газообразователи.

1.3. Фосфатные огнезащитные покрытия.

1.4. Противоморозные добавки.

1.5. Обоснование выбранного направления работы.

Выводы по разделу 1.

РАЗДЕЛ 2. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОГНЕСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ

2.1. Асбестонефелиновое огнезащитное покрытие. Физикохимические свойства компонентов.

2.1.1. Жидкое стекло.

2.1.2. Асбест хризотиловый.

2.1.3. Нефелиновый антипирен.

2.1.4. Противоморозные добавки.

2.2. Асбестовермикулитовое огнезащитное покрытие. Физикохимические свойства компонентов.

2.2.1. Вспученный вермикулит.

2.2.2. Быстротвердеющий портландцемент.

2.2.3. Рубленое стекловолокно.

2.2.4. Перлит.

2.2.5. Гидрофобизирующие соединения Выводы по разделу 2.

РАДЕЛ 3. КОМПОНЕНТНЫЙ ПОДБОР СОСТАВОВ МИНЕРАЛЬНЫХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ МЕТАЛЛО-КОНСТРУКЦИЙ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

3.1. Асбестонефелиновое покрытие.

3.1.1. Нефелиновый антипирен как отвердитель жидких силикатных стекол.

3.1.2. Подбор составов асбестонефелинового покрытия на основе физико-механических показателей.

3.1.3. Исследование влияния гидрофобизаторов на свойства минеральных компонентов асбестонефелинового покрытия.

3.1.4. Исследование огнезащитных свойств асбестонефелинового покрытия.

3.2. Исследования асбестовермикулитового огнезащитного покрытия.

3.2.1. Методика проведения экспериментальных работ с асбестовермикулитовым огнезащитным составом.

3.2.2. Исследование влияния гидрофобизаторов на свойства минеральных компонентов асбестовермикулитового покрытия.

3.2.3. Исследование эффективности отвердителей для огнезащитной массы.

3.2.4. Подбор термостойких минеральных заполнителей с учетом их влияния на физико-механические показатели покрытия.

3.2.5. Испытания огнестойкости покрытий.

3.3. Сравнительная характеристика асбестонефелинового и асбестовермикулитового огнезащитных покрытий.

Выводы по разделу 3.

РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ОГНЕЗАЩИТНЫХ СОСТАВОВ

4.1. Назначение и область применения разработанных покрытий.

4.2. Разработка установки для нанесения огнезащитных покрытий.

4.2.1. Блок-схема установки для нанесения огнезащитных составов.

4.2.2. Устройство и принцип работы установки для нанесения огнезащитных составов.

4.3. Технология нанесения огнезащитных составов.

4.3.1. Подготовка защищаемой поверхности.

4.3.2. Приготовление огнезащитной смеси.

4.3.3. Нанесение огнезащитной смеси в условиях строительной площадки.

4.3.4. Контроль качества покрытия.

4.4. Расчет предполагаемого экономического эффекта от внедрения асбестовермикулитового и асбестонефелинового огнезащитных покрытий.

Выводы по разделу 4.

Освоение газовых и нефтяных месторождений Севера Тюменской области неразрывно связано с резким увеличением темпов строительства газо- и нефтедобывающих объектов. Одной из задач строительства является создание надежной огнезащиты строительных конструкций и сооружений в суровых климатических условиях. Это вызвано не только добычей, подготовкой, транспортом, переработкой и хранением огнеопасного сырья, но также необходимостью обеспечения надежной сохранности сооружений и оборудования в процессе их эксплуатации и обслуживания.

Для выполнения этих задач необходимо не только совершенствовать уже имеющиеся материалы, а, главным образом, создавать новые эффективные огнестойкие композитные материалы, которые должны обеспечить длительную огнестойкость сооружений и конструкций различного назначения.

В условиях массового обустройства газонефтеносных районов Севера Западной Сибири, где основой сооружения объектов является блочно-комплектное строительство (в связи с этим наблюдается тенденция выноса значительной части сооружений и оборудования на открытые площадки), вопрос повышения огнестойкости приобретает еще большую актуальность. В этой предпосылке особенно важное значение имеет обеспечение надежности возводимых объектов в условиях катастроф и пожаров.

В настоящее время три четверти объема нефтегазопромысловых, транспортных и перерабатывающих сырье объектов занимают металлические конструкции. К ним относятся емкости для хранения нефтепродуктов, технологические трубопроводы, балочные конструкции насосных и компрессорных цехов, а также объекты завода стабилизации конденсата (установки: стабилизации конденсата, получения моторных топлив, извлечения изопентана; сливно-наливные эстакады: сжиженного газа, бензина и дизельного топлива; резервуарные парки: стабильного конденсата, пропана и моторных топлив и др.). Следует отметить, что эти объекты являются источником повышенной взрывопожароопасности, обусловленной добычей, обработкой и транспортировкой легковоспламеняющегося сырья. Поэтому объемы работ по огнетеплоизоляционным защитам постоянно возрастают и имеют огромные размеры. Так, например, такие работы только по одной компрессорной станции из 8 агрегатов составляет около 40 тыс. м2, при этом на долю огнезащиты металлоконструкций каркаса приходится 23 тыс. м2 поверхности [35].

Для сохранности основного технологического оборудования нефтегазовых объектов необходимо обеспечить им предел огнестойкости не менее 40 минут, времени, достаточного для прибытия пожарной бригады [85].

Одним из основных путей решений этой задачи является обеспечение минимального требуемого предела огнестойкости несущих строительных металлических конструкций и сооружений путем нанесения на их поверхность эффективных гидрофобных огнезащитных покрытий на основе минеральных составов.

В настоящее время повышение сопротивляемости сооружений и конструкций воздействию огня достигается главным образом путем ручной обкладки огнестойкими плитками, штукатуркой цементно-известковыми растворами по сетке рабица, кирпичной кладкой и даже обетонированием [59, 61, 69, 76]. Кроме того, для защиты металлоконструкций от огня используют такие покрытия, как ВПМ-2, ОФП-ММ, ОФП-МВ, «Экран» и др. [50, 51, 52, 77, 78]. В состав этих огнезащитных покрытий входят цемент, песок, гипс, известь и другие негорючие строительные материалы.

С целью прочного закрепления термостойкого покрытия на поверхности на нее накладывают арматурную сетку или приваривают металлические шпильки. Защищаемую поверхность тщательно очищают от грязи, пыли и ржавчины.

Основными недостатками применяемых в настоящее время покрытий являются большой объем ручного труда, значительные затраты материала, а главное, невозможность выполнения работ при отрицательных температурах окружающей среды, что резко ограничивает их применение в условиях Западной Сибири, где средняя продолжительность периода с положительной температурой не превышает 136 дней (рис. 1).

Юг Тюменской области

Ханты-Мансийский округ

Крайняя /т/пп « 9 о и о-% ь.

Кряйняя /}Я7Я нсрвздс мороза щ Крайняя аата гюсгшг^хдат} «кзрвзя

Крайняя г^чтп последи > его мороза

Ямало-Ненецкий округ

Крайняя дата яв(Лпго мороз*

• ¿V 7 КрВЙНГШ пяти

I юо 18цн») о мореш

Рисунок 1. Диаграммы продолжительности сезонов года (в днях) на юге Тюменской области, Ханты-Мансийском и Ямало-Ненецком округах

Необходимо отметить, что существующие покрытия не являются атмосферостойкими и имеют низкий предел огнестойкости. Указанные покрытия при сравнительно невысоких температурах воздуха начинают деструктировать, при этом ослабевают адгезионные связи покрытия с металлом, в результате чего покрытие становится непрочным и разрушается. Выделяющиеся из покрытий газообразные продукты часто являются токсичными, опасными для жизни людей.

В связи с этим разработка оптимальных атмосферо- и адгезионностойких огнезащитных составов и механизированной технологии их нанесения в условиях отрицательных температур окружающей среды является актуальной.

Цель работы заключается в разработке огнезащитных составов на минеральных термостойких заполнителях, наносимых на металлоконструкции механизированным способом при отрицательных температурах.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Провести анализ существующих огнезащитных покрытий и выбрать наиболее перспективные направления для разработки огнезащитного композита.

2. Разработать для огнезащиты металлоконструкций составы, с возможностью нанесения их при отрицательных температурах и обладающих водоотталкивающими свойствами.

3. Разработать установку и технологию механизированного нанесения огнезащитных покрытий на металлические конструкции.

Научная новизна выполненных исследований:

1. Разработаны атмосферостойкие покрытия круглогодичного использования для защиты металлоконструкций нефтегазового комплекса при пожарах.

2. Произведен подбор оптимального соотношения термостойких заполнителей.

3. Разработана технология нанесения огнезащитных составов в условиях отрицательных температур.

4. Разработана принципиальная схема пневматической установки для механизированного нанесения огнезащитных составов.

Практическая ценность работы. Разработанные огнестойкие покрытия могут применятся для защиты металлоконструкций объектов добычи, переработки и транспортировки газа и нефтепродуктов. Покрытия можно наносить в условиях атмосферных осадков и при отрицательных температурах воздуха.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических семинарах и конференциях (2004-2007 г.г.). Диссертация заслушана и рекомендована к защите на межкафедральном научно-техническом совете Тюменского государственного нефтегазового университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка литературы. Библиография включает 92 наименования работ. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка и 49 таблиц.

Основные выводы по работе

1. В результате проведенного анализа существующих составов для огнезащиты металлоконструкций было выявлено, что применяемые в настоящее время покрытия обладают рядом достоинств и недостатков. К основным недостаткам, ограничивающим применение данных составов, можно отнести невозможность нанесения при отрицательных температурах воздуха, отсутствие стойкости к атмосферным осадкам, большие капитальные затраты.

2. Проведенные эксперименты позволили разработать покрытия для защиты металлоконструкций нефтегазового комплекса от пожаров. Асбестовермикулитовое покрытие является атмосферостойким (возможно применение в условиях атмосферных осадков). Разработанные покрытия могут круглогодично применяться для огнезащиты металлоконструкций при строительстве нефтегазовых объектов.

3. Разработана принципиальная схема пневматической установки для механизированного нанесения огнезащитных составов, что позволяет свести к минимуму затраты ручного труда при производстве работ по нанесению жаростойких композитов.

134

1. Авторское свидетельство 610851 от 12705778 кл. С04 В 43/00. Огнезащитная смесь.

2. Авторское свидетельство 715607 от 16.02.80 кл. С04 В 43/10. Огнезащитная сырьевая смесь.

3. Авторское свидетельство 722929 от 28.03.80 кл. С04 В 19/04. Композиция для огнезащитного покрытия.

4. Авторское свидетельство № 286198 от 18.01.79.77 Кл. С09 Д 5/18.

5. Авторское свидетельство № 372886 от 18.01.79 Кл. С09 К 3/28.

6. Авторское свидетельство № 452224 от 16.09.76 Кл. С09 Д 5/18.

7. Авторское свидетельство № 542756 от 28.02.77 Кл. С09 Д 5/18.

8. Авторское свидетельство № 568270 от 30.04.83 Кл. С09 К 3/28.

9. Авторское свидетельство № 610851 от 05.07.76 Кл. С09 К 3/28.

10. Авторское свидетельство № 618356 от 07.02.77 Кл. С04 В 19/04.

11. Авторское свидетельство № 715607 от 19.04.79 Кл. С09 К 3/28.

12. Авторское свидетельство № 722928 от 01.03.78 Кл. С09 К 3/28.

13. Авторское свидетельство № 834084 от 11.04.79 Кл. С09 К 3/28.

14. Авторское свидетельство № 850644 от 28.11.79 Кл. С09 К 3/28.

15. Авторское свидетельство № 854981 от 11.11.79 Кл. С09 К 3/28.

16. Авторское свидетельство № 967997 от 17.11.80 Кл. С04 В 19/04.

17. Агурин А.П., Воробьев Н.И., Нестеров В.Г. Торкретирование тепловых агрегатов. Изд. Стройиздат, М., 1980.

18. Азимов Ф.И. Торкретные работы. Изд. Стройиздат, М., 1979.

19. Аксенов A.B. Разработка атмосферостойкого композитного материала для защиты металлоконструкций нефтегазового комплекса при пожарах. / Иванов И.А.// Журнал «Известия вузов. Нефть и газ». Вып. 3. Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. С.51-56.

20. Аксенов A.B. Анализ физико-химических свойств существующих огнестойких покрытий для защиты металлоконструкций при пожарах. Сборник научных трудов кафедры СиР НТО «Мегапаскаль» №2,2006

21. Аксенов A.B. Исследование вспучивающихся жаростойких покрытий нефтепромыслового оборудования. Сборник научных трудов кафедры СиР НТО «Мегапаскаль» №2, 2006

22. Аксенов A.B. Композитные материалы для огнезащиты металлоконструкций нефтегазового комплекса. X международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр», Томск, 2006

23. Аксенов A.B. Применение огнезащитных метериалов в условиях низких температур. Материалы III науч. школы-семинара молодых ученых «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника», ТГУ, 2006

24. Аксенов A.B. Разработка огнестойкого покрытия для защиты металлоконструкций при пожарах. Материалы науч.-практич. конференции. «Проблемы эксплуатации систем транспорта». ТюмГНГУ, Тюмень, 2006.

25. Андрианов К.А. Полимеры с неорганическими главными цепями молекул. Изд. Наука, М., 1962.

26. Бажант В., Хваловский В., Ратоуски Н. Силиконы. Перевод с чешского, «Мир»,М., 1964.

27. Булгаков Э.Х. «Исследование некоторых свойств бетона при раннем замораживании». К.д., М., 1965.

28. Васильева Н.Ф., Камцон И.Р., Сорин B.C. Огнезащитное покрытие по древесине на основе фосфатного связующего и отходов. Сборник

29. Использование отходов и попутных продуктов для изготовления строительных материалов, изделий и конструкций», М., вып.6, 1977, с.14-16.

30. Васильева Н.Ф., Камцон И.Р., Сорин B.C. Огнезащитное фосфатное покрытие по древесине. Труды ЦНИИСК «Фосфатные материалы», М., вып.57,1975, с. 84-89.

31. Воробьев В.А. Технология строительных материалов и изделий на основе пластмасс. Учебник для вузов, М., «Высшая школа», 1974.

32. Воробьев В.А., Комар А.Г. Строительные материалы, Стройиздат, М., 1971.

33. Воронков С.Т., Исэров Д.З. Тепловая изоляция энергетических установок. Изд. Высшая школа, М., 1982.

34. Временные рекомендации по огнезащите металлоконструкций и оборудования нефтегазопромысловых объектов Сибири фосфатно-термостойким покрытием. Сургут, Производственно-техническая фирма Сиббрггазстрой, 1981 -21 с.

35. Гигорьев П.И., Матвеев М.А. Растворимое стекло. М., Промстройиздат, 1956.

36. Гороновский И.Г. и др. Краткий справочник по химии. Изд. «Наукова Думка», 1974.

37. ГОСТ 1.0-68 Государственная система стандартизации. Основные положения.

38. ГОСТ 1.20-69 Государственная система стандартизации. Порядок внедрения государственных стандартов. Основные положения.

39. ГОСТ 1.2-68 Государственная система стандартизации. Порядок разработки и утверждения государственных и отраслевых стандартов.

40. ГОСТ 1.5-68 Государственная система стандартизации. Построение, содержание и изложение стандартов.

41. ГОСТ 10832-74 Песок и щебень перлитовые вспученные.

42. ГОСТ 12871-83 Асбест хризотиловый.

43. ГОСТ 13078-81 Стекло натриевое жидкое.

44. ГОСТ 166-80 Штангенциркуль.

45. ГОСТ 17177-81 Материалы строительные теплоизоляционные. Методы испытания.

46. ГОСТ 18698-79 Резиновые напорные рукава с текстильным каркасом.

47. ГОСТ 20779-81 «Экономическая эффективность стандартизации. Методы определения».

48. ГОСТ 23791-79 Покрытие по стали фосфатное огнезащитное.

49. ГОСТ 25131-82 Огнезащитное вспучивающееся покрытие марки ВПМ-2.

50. ГОСТ 25665-83 «Покрытие по стали фосфатное огнезащитное на основе минеральных волокон».

51. ГОСТ 25665-83 Покрытие ОФП-МВ.

52. ГОСТ 3102-76 Помол антипирена.

53. Домбург Г.Э. «Теоретические и практические аспекты огнезащиты древесных материалов», Рига, «Знание», 1985.

54. Дубенецкий К.Н., Пожнин А.П. Вермикулит. Издательство литературы по строительству. Ленинград, 1971.

55. Жаров В.В. Улучшение структуры и качества бетона с помощью новых противоморозных добавок. Канд. дисс., М., 1984.

56. Жуков A.B. Физико-химические процессы и технология производства искусственных пористых заполнителей из горных пород. «Наука Думка», Киев, 1977.

57. Касьянов H.H., Мерзляк А.Н. Вермикулит и перлит пористые заполнители для теплоизоляционных изделий и бетонов. Изд. «Госсройиздат», 1961.

58. Кондратьев С.Д. и др. «Защита древесины», Киев, 1976.

59. Матвеев М.А., Дятлова В.П. «Физическая химия», №10,29,1954.

60. Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. Изд. Стройиздат, М., 1975.

61. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Изд. Химия,1973.

62. Патент Канады № 168914 от 15.02.77 кл. 6-18. Пламезамедляющие составы.

63. Патент Франции № 223613 от 7.02.75 кл. 009 К 3/28 Е04В1/94. Составы для придания огнестойкости материалам.

64. Патент Франции № 7802557 от 25.08.78 кл. С04 В 25/04. Противопожарный состав и способ его изготовления.

65. Патент ФРГ № 2549238 от 5.05.77 кл. С04 В 31/02. Огнестойкие строительные плиты.

66. Патент Чехии № 165063 от 15.09.76. Кл. С04 В 13/02. Способ получения теплоизоляционных строительных материалов.

67. Пащенко A.A., Воронков М.Г. Гидрофобный вспученный перлит. Изд. Наука Думка, Киев, 1977.

68. Перцовский В.И., Суелин Б.Н. Новые атмосферостойкие материалы для отделки фасадов общественных зданий, «Стройиздат», М., 1975.

69. Пожнин А.П. Свойства вермикулита месторождений Кольского полуострова и его применение в строительстве. Автореферат диссертации. Изд. ЛИСИ, 1964.

70. Полякова К.А., Ключенкова И.А. Силикатные кислотоупорные цементы. Сборник НИИХИММАШ. Машгиз, 1952, №12.

71. Рекламные материалы фирмы «Акме-Фоули».

72. Рекламные материалы фирмы «Мицубиси».

73. Рекомендации по проектированию и применению огнезащитных фосфатных покрытий для стальных строительных конструкций. М., ЦНИИСК им. Кучеренко, 1981 13 с.

74. Романенков И.Г., Зигерн-Корн В.Н. Огнестойкость строительных конструкций из эффективных материалов. Изд. Стройиздат, м., 1984.

75. Роях С.М., Роях Г.С. Специальные цементы. Изд. Стройиздат, М., 1983.

76. Руководство по нанесению огнезащитного вспучивающегося покрытия ВПМ-2, ВНИИПО МВД СССР, М., 1969.

77. Руководство по применению огнезащитного вспучивающегося покрытия «Экран-М», УПОКазССР, Алма-Ата, 1974.

78. Руководство по установлению терминов и определений в стандартизации (Р 76-74), М., 1975.

79. СН 509-78 «Инструкция по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений».

80. СНиП 1.01.01.-82 «Система нормативных документов в строительстве. Основные положения».

81. СНиП 1.01.02.-83 «Система нормативных документов в строительстве. Порядок разработки и утверждения нормативных документов».

82. СНиП 1.01.03.-83 «Система нормативных документов в строительстве. Правила изложения и оформления нормативных документов».83. СНиП 2.01.02-85.

83. СНиП П-2-80 «Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений».

84. Сорин В.С., Васильева Н.Ф. Огнезащита деревянных конструкций. В кн.: ЦНИИСК им. Кучеренко. Исследования в области фосфатных строительных материалов. М., 1985, с.164-188.

85. СТ СЭВ 383-76 Противопожарные нормы строительного проектирования. Термины и определения.

86. Субботкин М.Н., Курицина Ю.С. Кислотоупорные бетоны и растворы на основе жидкого стекла. Издательство «Литература по строительству», М., 1967.

87. ТУ-08-340-76 Антипирен из нефелина.

88. ТУ-734-61 Стекло калиевое жидкое.

89. Уокер Г.Ф. Вермикулит и некоторые родственные ему минералы со смешанными слоями. Сборник «Рентгеновские методы определения и кристаллическое строение минералов, глин», Изд. «Иностранная литература», 1955.

90. Энциклопедия полимеров, том 1, Изд. Советская энциклопедия, М., 1972.

91. Powers T.S. YACY, Vol. 16, № 4,1945.