殷立云，黎治，季兆桂

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東524057）

某海上油田位于海南省文昌市以東136km 的海域，由兩座井口平臺(tái)、一艘FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置）“南海奮進(jìn)號(hào)”組成，于2002 年7 月投入生產(chǎn)。井口平臺(tái)生產(chǎn)的原油、伴生氣及生產(chǎn)水經(jīng)海底管線輸送到FPSO 進(jìn)行處理、儲(chǔ)存和外輸。2014 年，F(xiàn)PSO 一級(jí)分離器罐體檢測(cè)期間，拆除了分離器的巖棉隔熱層，發(fā)現(xiàn)部分隔熱材料老化失效，且隔熱層內(nèi)部潮濕，導(dǎo)致分離器外表面銹蝕和局部坑蝕。2016 年，油田在FPSO 一級(jí)分離器外表面噴涂陶瓷隔熱涂料，將分離器外表面溫度降至55℃以下，達(dá)到了《石油化工隔熱工程施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》的要求；同時(shí)陶瓷隔熱涂層搭配涂裝體系具有良好的防腐效果，滿足了分離器外表面的防護(hù)需要。

1 陶瓷隔熱涂料

1.1 陶瓷隔熱涂料的隔熱機(jī)理

隔熱材料是指對(duì)熱流具有顯著阻抗性的材料或材料復(fù)合體。隨著當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)保和節(jié)能的日益重視，隔熱材料正朝著高效、節(jié)能、薄層、隔熱、防水外護(hù)一體化方向發(fā)展。20 世紀(jì)末，出現(xiàn)了將陶瓷隔熱涂料涂覆在金屬表面上的應(yīng)用[1]。陶瓷隔熱涂料是以隔熱陶瓷骨料及無(wú)機(jī)復(fù)合礦物填料為主要成分，添加無(wú)機(jī)增強(qiáng)纖維，采用環(huán)氧樹(shù)脂和無(wú)機(jī)耐高溫膠作為膠粘劑合成。

陶瓷隔熱涂料中的陶瓷微珠為空心結(jié)構(gòu)，在保持足夠的機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，盡量減小了體積密度，減弱了熱傳導(dǎo)能力。涂料的氣孔直徑極小，氣孔內(nèi)的空氣分子失去自由流動(dòng)的能力，相對(duì)地附著在氣孔壁上，這時(shí)材料處于近似于真空狀態(tài)[2]，將空氣的對(duì)流減弱到極限。同時(shí)由于材料內(nèi)部含有極多的發(fā)射界面與散射微粒，保證了陶瓷隔熱涂料不論在高溫、常溫及低溫下都具有良好的隔熱效果。

1.2 陶瓷隔熱涂料應(yīng)用于海上的優(yōu)勢(shì)

海上油氣田由于海洋環(huán)境的特殊性，要求油氣處理和儲(chǔ)存設(shè)備選用的隔熱材料除了具備良好的隔熱性能，還應(yīng)該能夠抵抗惡劣的海洋大氣環(huán)境。在此方面，陶瓷隔熱涂料較之于傳統(tǒng)隔熱材料具有明顯優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)的隔熱材料是以提高氣相空隙率，降低導(dǎo)熱系數(shù)和傳導(dǎo)系數(shù)為主。纖維類(lèi)隔熱材料在使用環(huán)境中要使對(duì)流傳熱和輻射傳熱升高，必須要有較厚的覆層；而型材類(lèi)無(wú)機(jī)隔熱材料要進(jìn)行拼裝施工，存在接縫多、有損美觀、防水性差、使用壽命短等缺陷[3]。兩種傳統(tǒng)隔熱材料都需要在外面包覆一層鋁皮或不銹鋼鋼皮，此類(lèi)隔熱層應(yīng)用在潮濕度較高的海上環(huán)境，容易引起隔熱層層下腐蝕；同時(shí)，鋁皮或不銹鋼皮存在被臺(tái)風(fēng)刮掉砸壞設(shè)施的安全隱患。此外，傳統(tǒng)隔熱層施工周期較長(zhǎng)，需要的人力和物資量大，后期維護(hù)成本高，不利于在海上油氣田開(kāi)展。

陶瓷隔熱涂料可噴涂在金屬表面與罐身形成整體，不僅可以防水抗風(fēng)，配合防腐涂料使用，更能對(duì)罐體外表面夠起到良好的防護(hù)效果。陶瓷隔熱涂料不存在冷凝積水現(xiàn)象，耐沖擊和耐磨損的性能優(yōu)于傳統(tǒng)隔熱材料，因此使用壽命受環(huán)境影響較小。陶瓷隔熱涂料在噴涂過(guò)程，作業(yè)時(shí)間短，占用空間少；施工周期中大部分時(shí)間為等待涂層充分干燥，實(shí)際作業(yè)量少，因此不需要過(guò)多的作業(yè)人員，節(jié)約了人力成本，特別適合在海上油氣田進(jìn)行施工。

2 陶瓷隔熱涂料的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 分離器工況簡(jiǎn)介

“南海奮進(jìn)號(hào)”FPSO 一級(jí)分離器尺寸：d=3.04m，罐體長(zhǎng)16m（包括封頭）；罐體使用外部環(huán)境為海洋大氣環(huán)境，濕度較高，介質(zhì)腐蝕性較大，全年平均溫度約30℃，最高溫度約35℃，最低溫度13℃，此海域每年有不少于1 次臺(tái)風(fēng)，最大風(fēng)速（3s 陣風(fēng)）：65.1m/s。2014 年，F(xiàn)PSO 一級(jí)分離器罐體檢測(cè)完成后僅在分離器表面進(jìn)行普通防腐處理，分離器正常運(yùn)行時(shí)外表平均溫度高達(dá)63℃。此溫度不符合《石油化工隔熱工程施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》的要求，存在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員燙傷的安全隱患。同時(shí)分離器隔熱效果不好，導(dǎo)致生產(chǎn)液熱量散失，液體溫度下降，影響了油、氣、水三相的分離效果。為了把罐體表面溫度降到55℃以下，減小熱量耗散帶來(lái)的不利影響，考慮到罐體防腐要求和施工條件限制，需要對(duì)罐體加一層隔熱涂料。

2.2 陶瓷隔熱涂料說(shuō)明

MC-HSC-1 隔熱涂料是一種水溶性、輕質(zhì)的特殊陶瓷隔熱涂料，不易燃，不含鉛和鉻酸鹽安全環(huán)保無(wú)毒性。涂料采用特殊的陶瓷化合物，混合特殊的丙烯酸樹(shù)脂/氨基甲酸脂混合物，涂布在中、高溫的表面干燥后，能發(fā)揮隔熱保溫的效果，物理數(shù)據(jù)如下：1)固體份：按重量54±1%，按體積81±1%；2）酸堿值：pH 8.0～9.0；3）使用時(shí)表面溫度范圍：5～176℃；4）固化后的最高表面溫度 371℃；5）導(dǎo)熱系數(shù)：0.048W/m·℃。

2.3 陶瓷隔熱層厚度確定

隔熱涂料實(shí)施后，要求表面溫度不高于55℃，根據(jù)MC-HSC-1 隔熱涂料技術(shù)參數(shù)對(duì)所需涂層的理論厚度進(jìn)行計(jì)算。

由于相對(duì)于分離器表面積而言陶瓷隔熱涂層極薄，為了簡(jiǎn)化計(jì)算可以將罐體表面視作平面。陶瓷隔熱涂層的導(dǎo)熱系數(shù)比普通防腐涂層的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，在計(jì)算隔熱涂層厚度時(shí)不考慮其它普通涂層的隔熱效果。罐體表面向陶瓷隔熱層進(jìn)行熱傳導(dǎo)符合平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，熱流密度滿足公式2-1。

式中，q1——罐體表面向陶瓷隔熱層傳熱的熱流密度，W/℃；λ——陶瓷隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃；δ——陶瓷隔熱層厚度，m；t1——罐體表面溫度，℃；t2——陶瓷隔熱層外表面溫度，℃。

陶瓷隔熱層在空氣中散熱的熱流密度滿足牛頓冷卻定律（如公式2-2）。

式中，q2——散熱的熱流密度，W/℃；h——對(duì)流散熱系數(shù)，W/m2·℃；t2——陶瓷隔熱層外表面溫度，℃；t∞——環(huán)境溫度，℃；

理論計(jì)算時(shí)認(rèn)為涂層極薄且均勻，則

整理2-1，2-2，2-3 式得到陶瓷隔熱層的理論厚度計(jì)算公式2-4：

MC-HSC-1 隔熱涂料導(dǎo)熱系數(shù)λ 為0.048W/m·℃，空氣對(duì)流散熱系數(shù)一般為 5～10W/m2·℃，由于海洋環(huán)境較潮濕≥6W/m2·℃，罐體溫度為63℃，陶瓷涂層外表面溫度為55℃，環(huán)境溫度30℃，得到陶瓷隔熱層厚度為2.56mm。環(huán)境溫度取最大值35℃時(shí)，需要陶瓷隔熱層厚度為3.2mm。

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行性能實(shí)測(cè)，在分離器表面實(shí)驗(yàn)涂覆長(zhǎng)、寬均為200mm，厚度分別為2mm，2.5mm，3mm，4mm 的陶瓷隔熱涂層，待涂層干燥穩(wěn)定后測(cè)量涂層表面溫度，環(huán)境溫度32℃，相對(duì)濕度82%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)證明陶瓷隔熱涂料厚度設(shè)計(jì)為2.5 ～3mm 可以滿足隔熱要求。

表1 性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.4 涂裝體系設(shè)計(jì)

分離器已經(jīng)涂覆重防腐涂層，隔熱保溫涂料的主要功能是保溫隔熱，按照要求，需要在涂料最外層刷涂聚氨面漆RETAN600-KSC-825 起到防滲透、防腐和美觀的作用，為此，配套體系設(shè)計(jì)為：原重防腐為底漆+保溫隔熱涂料+聚氨面漆。配套體系具體詳見(jiàn)表2。

表2 涂裝體系

3 陶瓷隔熱涂料的應(yīng)用效果

由于受?chē)娡抗に嚨南拗疲繉雍穸炔豢杀苊獾拇嬖诓町?，?dǎo)致不同位置的隔熱效果不同。分離器上部為氣相，下部為液相，所以上部測(cè)量溫度較下部測(cè)量溫度普遍偏低。兩個(gè)分離器完工時(shí)間不同，測(cè)量時(shí)的環(huán)境不同，所以測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)較大差異?？傮w而言，各點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)表明陶瓷涂層隔熱效果明顯，環(huán)境溫度33℃，空氣相對(duì)濕度為82%，分離器表面溫度最高為53℃；環(huán)境溫度為27℃，空氣相對(duì)濕度為85%，分離器表面溫度最高為48℃，符合《石油化工隔熱工程施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》的要求，有效避免了人員燙傷的隱患。

分離器噴涂陶瓷隔熱涂層以后，罐體表面溫度從63℃降至55℃以下，根據(jù)公式3-1 計(jì)算不同表面溫度分離器的熱損耗情況。

式中，Q——熱損失，W；h——對(duì)流散熱系數(shù)，W/m2·℃；F——表面積，m2；t——陶瓷隔熱層外表面溫度，℃；t∞——環(huán)境溫度，℃。

每臺(tái)分離器表面積為150m2，對(duì)流散熱系數(shù)取7 W/m2·℃，環(huán)境溫度取30℃，通過(guò)計(jì)算，罐體表面溫度為63℃時(shí)，兩臺(tái)熱損耗為69.30kW，罐體表面溫度為55℃時(shí)，熱損耗為52.50kW，減少熱量損耗16.80kW，全年降耗折算標(biāo)準(zhǔn)煤18.08t。分離器保溫效果提升有助于油、氣、水三相分離，燃?xì)猱a(chǎn)量增加 230Nm3/d，通過(guò) FPSO 的 LPG（Liquefied Petro leum Gas，液化石油氣）回收生產(chǎn)系統(tǒng)可以將大部分燃?xì)廪D(zhuǎn)化成液化石油氣；下艙原油含水率典型值（排除其它生產(chǎn)因素的影響） 從2.6%下降到1.8%，減少掃艙量8300m3，原油產(chǎn)品能耗全年降低 20750kW·h，增氣節(jié)電全年折算標(biāo)準(zhǔn)煤109.41t，節(jié)能降耗效果明顯[4]。

4 結(jié)論

4.1 陶瓷隔熱涂料中的陶瓷微珠為空心結(jié)構(gòu)，涂料的氣孔直徑極小, 材料內(nèi)部含有極多的發(fā)射界面與散射微粒, 使得陶瓷隔熱涂料具有良好的隔熱能力。

4.2 與傳統(tǒng)隔熱材料相比，陶瓷隔熱涂料搭配涂裝體系同時(shí)具有隔熱與防腐的功能，可以在大風(fēng)、潮濕環(huán)境中長(zhǎng)期使用，施工難度小、工期短，特別適合在海上油氣田使用。

4.3 通過(guò)實(shí)踐證明陶瓷隔熱涂料應(yīng)用在油氣處理、儲(chǔ)存設(shè)備上，可以起到良好的節(jié)能降耗作用。