Результат интеллектуальной деятельности: Энергосберегающее покрытие с термоиндикаторным эффектом для металлических поверхностей

Настоящее изобретение относится к области теплотехники и предназначено для использования в качестве теплоизоляции металлических поверхностей на трубопроводах и другом технологическом оборудовании, применяемых на предприятиях добычи и переработки нефти для технологических пунктов по очистке добытой нефти и технологическому оборудованию, в том числе нефтеперерабатывающих заводов, нефте- и газо-, паропроводов, предприятий тепло- и электроснабжения - атомных электростанций, гидроэлектростанций, котельных, обеспечивает снижение тепловых выбросов (инфракрасного излучения (ИКИ) и контактной температуры) в окружающую среду, на площади излучающих элементов технологического оборудования, включающем в себя все механические узлы и поверхности элементов технологических схем, работающих в диапазоне температур на металлической поверхности от -60°С до 300°С, которые при нагреве нефти, воды и других субстанций выделяют тепловую энергию в окружающую среду с площади поверхности. Использование данного изобретения позволит уменьшить тепловые потери за счет снижения инфракрасного излучения в окружающую среду, при уменьшении температуры на изолируемой металлической поверхности технологического оборудования.

Применение традиционных систем изоляции поверхности, например, при использовании минеральной ваты (минваты) и алюминиевых листов увеличивает вес технологического оборудования, что, соответственно, приводит к деформированию металлических конструкций. Немаловажным моментом является проблема утилизации вышедшей из строя изоляции из минваты.

Известно, что тепловое излучение состоит из составляющих: лучистого и конвективного теплообмена, когда тепло, полученное продуктом, складывается из этих составляющих. Традиционные теплоизоляционные покрытия, например, по указанным ниже источникам, не решают задачу борьбы с инфракрасным излучением (ИКИ).

Различные технологические решения по применению в качестве экранов по снижению лучистой энергии применяют высоко отражающие металлы - алюминиевые листы либо алюминиевую пудру, что является недостаточно эффективным и дорогостоящим решением проблемы энергосбережения для указанных энергообъектов.

Известно теплоизоляционное покрытие, расположенное на теплоизолируемой поверхности металлической трубы, состоящее из слоя, выполненного из связующего материала - эпоксидной смолы с введенными в него полыми стеклянными микросферами в количестве 60% от толщины слоя, и экранирующего слоя из алюминиевой фольги (патент RU №62643, 27.04.2007, Е22В 17/00).

Недостатком такого решения является высокая контактная температура на поверхности оборудования и невозможность экранирования фольгой труднодоступных элементов конструкций.

Известно также теплоизоляционное покрытие для металлической поверхности трубопроводов и других элементов оборудования предприятий теплотехники, содержащее расположенные последовательно друг на друге теплоизоляционные слои, размещаемые непосредственно на теплоизолируемой металлической поверхности, выполненные из вспененного полимерного связующего и микросферер, скрепленные с экранирующим слоем из металлической фольги или полимерной металлизированной пленки. Покрытие наносится путем обертывания им изолируемой поверхности с примыканием к ней указанным экранирующим слоем (патент RU 160985 U1 Е04В1, опубл. 10.04.2016).

Недостатком такого покрытия является значительный расход металла, увеличение контактной температуры на поверхности покрытия за счет теплопроводности металла экранирующего слоя, а также низкая технологичность процесса защиты изолируемой поверхности.

Наиболее близким аналогом - прототипом - является теплоизоляционное покрытие для металлической поверхности трубопроводов и других элементов оборудования предприятий теплотехники, содержащее расположенные последовательно друг на друге четыре-семь теплоизоляционных слоев, размещенных непосредственно на изолируемой металлической поверхности, выполненные из состава, содержащего, мас. %: диоксид титана 1-3. фосфат цинк 1-3, сажу белую 1-3. гидрофобизатор 0,5-3, пеногаситель 0,1-0.5, смесь микросфер керамических и кремниевых 20-40, консервант - продукт взаимодействия моноэтаноламина и параформа 0,2-1, акриловый латекс 30-45, загуститель - акриловую сополимерную водную эмульсию 0,2-1, диспергатор - полимерную добавку Verowett 8004 0,5-3, перлит вспученный 1-5, вермикулит вспученный 1-5, аэрогель кварца 5-10, вода остальное (патент RU 2342415, опубл. 27.12.2008, C09D 5/02).

Покрытие обеспечивает снижение температуры на поверхности на 60-70%, однако при этом имеются высокие теплопотери за счет инфракрасного излучения в окружающую среду. Не предусмотрена возможность перераспределения конвективной и радиационной составляющих теплового потока при увеличении или незначительном снижении суммарного количества энергии, передаваемой через поверхность теплообмена.

Технической задачей является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение теплопотерь изолируемого оборудования тепловых агрегатов, а также обеспечение возможности раннего выявления дефектов изолируемой металлической поверхности при его эксплуатации с последующим оперативным их устранением.

При этом обеспечивается снижение выбросов тепловой энергии в окружающую среду, повышение энергоэффективности предприятия в целом.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что теплоизоляционное покрытие для металлической поверхности, содержащее размещенные на указанной поверхности расположенные друг над другом не менее шести слоев, включающих теплоизоляционные слои, содержит дополнительно экранирующие слои и выполнено нанесением с последовательным чередованием теплоизоляционного слоя, затем экранирующего слоя, при верхнем слое, являющемся теплоизоляционным, экранирующий слой имеет толщину 0,1-0,15 мм, теплоизоляционный - 0,4 - 0,6 мм при общей толщине покрытия 2,3-2,8 мм, экранирующий слой выполнен из состава, содержащего, мас. %: сажа белая БС 120 2-6, микротальк 6-12, диоксид титана 2-5, акриловая дисперсия стирол-акриловая СНР539 40-50, загуститель Акрисол RW 8 0,2-0,8, пигмент Altiris 2-6, пигмент Reflex 5000 White 10-30, вода остальное, теплоизоляционный с термоиндикаторным эффектом - из состава, содержащего, мас. %: диоксид титана 3,5-5, фосфат цинка 1,5-6, сажа белая БС 120 2-5, микротальк 2,5-5, кремнийорганический гидрофобизатор Silres BS 1001 6-9, пеногаситель Foamaster 0,3-0,5, микросферы стеклянные 12-18, аэрогель кварца 2,5-7, консервант Parmetol А26 0,1-0,4, биоцид Биобан 536 0,2-0,5, коалесцент Тексанол 2,2-4,5, ингибитор коррозии Ascotran 0,2-0,6, силан А 187 - промотор адгезии 0,3-1, эмульсия акриловая Акратан AS02 42-50, загуститель Natrosol 250 0,1-1, загуститель Акрисол RW 8 0,3-0,5, вода остальное.

Описываемая модель включает использование отражающего состава ИКИ для уменьшения радиационной составляющей переноса энергии и состава, приводящего к изменению структуры теплового потока с уменьшением конвективной составляющей переноса энергии, имеющего термоиндикаторный эффект, сигнализирующего об увеличении температуры при наличии или появлении дефекта на теплоизолированной поверхности технологического оборудования. Пример Фото 1.

Сущность изобретения поясняется на рис. 1.

Покрытие наносится слоями любым методом - безвоздушное напыление, валик, кисть. Первый - теплоизоляционный слой выполняется из состава, содержащего, мас. %: диоксид титана 3,5-5, фосфат цинка 1,5-6, сажа белая БС 120 2-5, микротальк 2,5-5. кремнийорганический гидрофобизатор Silres BS 1001 6-9, пеногаситель Foamaster 0,3-0,5, микросферы стеклянные 12-18, аэрогель кварца 2,5-7, консервант Parmetol А26 0,1- 0,4, биоцид Биобан 536 0,2-0,5, коалесцент Тексанол 2,2-4,5, ингибитор коррозии Ascotran 0,2-0,6, силан А 187 - промотор адгезии 0,3-1, эмульсия акриловая Акротан AS02 42-50, загуститель Natrosol 250 0,1-1, загуститель Акрисол RW8 0,3-0,5, вода остальное, наносится на металлическую поверхность оборудования толщиной не менее 0,4 мм и не более 0,6 мкм и выполняет две функции: антикоррозийная защита и снижение температуры поверхности на 12- 15%. После полного высыхания слоя в течение примерно 60 мин наносится тем же методом второй - экранирующий слой из состава, содержащего мас. %: сажа белая БС 120 3-6 микротальк 6-12, диоксид титана 2-5, акриловая дисперсия стирол-акриловая СНР539 40-50, загуститель Акрисол RW 8 0,2-0,8, пигмент Altiris 2-6, пигмент Reflex 5000 White 10-30, вода остальное, толщиной не менее 0,1 мм и не более 0,15 мм, служащий для снижения ИК отражения и уменьшения радиационной составляющей переноса энергии более чем на 20%. Третий - теплоизоляционный слой из указанного выше состава, наносится на экранирующий второй слой после полного его высыхания толщиной не менее 0,4 мм и не более 0,6 мм с уменьшением контактной температуры на его поверхности на 10-12%, четвертый - экранирующий слой из указанного выше состава, наносится на поверхность третьего слоя после его высыхания с толщиной не менее 0,1-0,15 мм, обеспечивает снижение ИК отражения и уменьшает радиационную составляющую переноса энергии на 15-20%, не увеличивая контактную температуру. Пятый и шестой слои - теплоизоляционные из указанного для него состава наносятся на четвертый - экранирующий слой после его полного высыхания толщиной не менее 0,4 мм и не более 0,6 мм каждый. Эти слои обеспечивают снижение контактной температуры не ниже 20% по сравнению с температурой на поверхности после четвертого слоя, и выполняют функцию термоиндикатора, что очень важно в процессе эксплуатации оборудования.

При изготовлении покрытия в качестве компонентов указанных выше составов используют следующие вещества.

Наполнители и пигменты:

Диоксид титана - пигмент, любых марок, например, марки R-706, с содержанием основного вещества 93,7 мас. %, с хорошей смачиваемостью, плотностью порядка 3 г/см³, средним размером частиц - 0,27 мкм, или марки Kronos 2190 - является белым пигментом с содержанием диоксида титана 94 мас. %, способ получения сульфатный, относительная рассеивающая способность 99 - 106%, яркость 97,1 - 97,7%, средний размер частиц 0,24 мкм, обеспечивает максимальный глянец, придает материалам отличную укрывистость и хорошую атмосферостойкость.

Фосфат цинка - белый пигмент любой марки, например, марки ZP-M, с концентрацией основного вещества 99,3 мас. %, обладающий антикоррозионными свойствами, плотность 3,4 г/см³.

Пигменты Altiris - серия пигментов на основе диоксида титана с размером кристалла 0,7 мкм и интенсивностью приблизительно 40 - 50% от обычного ТiO₂, поверхность кристалла из диоксида титана покрыта слоем оксидов алюминия и кремния с повышенным коэффициентом отражения в УФ и ИК-области спектра. Они предназначены для создания «прохладных» лакокрасочных покрытий и пластиков всей цветовой гаммы - от пастельных до темных цветов.

Пигмент Reflex 5000 White - отражающий ИКИ, представляет собой смесь алюминиевых пигментов с оксидами металлов, напрямую воздействующих на отражение и поглощение ИКИ лакокрасочных материалов. Средний размер частиц 0,24 - 0,70 мкм, спектр отражения средней инфракрасной области (диффузное отражение, сфера Ульбрихта), VP-65029/G в бесцветной краске для стен, R(λ)=0,49. Не содержит растворителей, безвреден для окружающей среды.

Микротальк - мелкий сухой светлый порошок с включением хлорита, магнезита при отсутствии свободного кварца (0,2%) и асбестообразующих пород. Размер частиц 0,2-20 мкм. Плотность 2,7 - 2,75 г/см³, твердость (по Моосу) 1,2, коэффициент преломления 1,57, показатель рН 8,5 - 9,5.

Аэрогель кварца, например Nanogel Aerogel, представляющий собой твердые тела в виде связанных между собой микрочастиц, образующих жесткий каркас, 95% которого занимает воздух, площадью поверхности частиц 600-800 м²/г, обладает гидрофобными свойствами. Диаметр пор 20 нм, пористость более 90%, теплопроводность 0,018 Вт/(м⋅°С) при 25°С.

Сажа белая - тонкодисперсная аморфная двуокись кремния любой марки, например, БС120 по ГОСТ 18307-78, служит наполнителем, стабилизатором дисперсии. Массовая доля двуокиси кремния не менее 86%.

Стеклянные микросферы - полые микросферы из натриево-кальциевого боросиликатного стекла, размером 10-120 мкм, обладают плотностью 0,15 - 0,20 г /см3 и изостатической прочностью на сжатие 300 - 400 psi. Имеют стабильные полости для низкой теплопроводности.

Коалесцент Тексанол - представляет собой медленно испаряющиеся растворители, такие, как гликольэфиры, сложные эфиры гликольэфиров и смеси спирта и сложных эфиров. Они пластифицируют частицы эмульсионного полимера, позволяя им сплавляться друг с другом, и обеспечивают пленкообразование лучшее, чем то, которое было бы возможно без этой добавки. Помимо снижения минимальной температуры пленкообразования латексной краски коалесцирующая добавка улучшает атмосферостойкость краски, стойкость к царапанию и очистке, подкрашиваемость и равномерное развитие цвета. Является отличным коалесцирующим средством для рецептур латексных красок, выполняет роль пластификатора - диспергатора, предохраняет покрытие от растрескивания. Технические характеристики: удельный вес при 20°С - 0,95 г /см³, показатель преломления при 20°С - 1,4423, температура замерзания -50°С, точка начала кипение при 760 мм + 255°С.

Пеногаситель Foamaster - представляющий собой мутную жидкость янтарного цвета, антивспениватель на основе минерального масла и неионогенных ПАВ, используемый на любой стадии процесса производства эмульсионных красок. Особо эффективен в тонкодисперсных акриловых эмульсиях, умеренно растворим в воде, но легко растворяется в красках и не приводит к расслоению даже в средне вязкостных красках. Содержание воды 0,25%, плотность при 25°С 0,85 - 0,90 г/мл, вязкость по Брукфильду 25°С 100-800 мПа/с.

Консервант - Parmetol А-26 - прозрачная жидкость от бесцветного до желтого цвета со специфическим запахом, представляющая собой комбинацию хлорметил-/метилизотиазолинона (CMI/MI) и N-/O-формалей, консервант, обеспечивающий защиту в паровой фазе, не содержит хлорметилизотиазолинона. Имеет плотность - 1,04 г/см³, индекс преломления - 1,356 при 20°С.

Биоцид Bioban 536 представляет собой жидкость от бесцветного до желтого цвета, высокоэффективный консервант, позволяющий осуществлять консервирование широкого спектра продукции на водной основе, а также обеспечивающий защиту воздушной фазы. Bioban 536 обеспечивает защиту от бактерий, грибков и дрожжей, пригоден для защиты красок, клеев и полимерных эмульсий на водной основе, а также другой технической продукции. Bioban 536 основан на CMIT / MIT и содержит донор формальдегида. Плотность при 20°С составляет 1,010 - 1,110 г/мл, значение рН 2-6.

Ингибитор коррозии Ascotran - гидрофобная добавка, защищающая от коррозии еще невысохшее покрытие в условиях высокой влажности. Предназначен для создания экологичных покрытий. Представляет собой водный препарат из солей органических кислот, содержит менее 5% нитрита натрия. Внешний вид: бледно-желтая прозрачная жидкость. Плотность (при 20°С): 1,13±0,02, рН чистый (20°С): 7,8±0,3. вязкость (20°С): менее 30 cps, температура замерзания: менее -5°С, содержание твердых веществ 44%.

Гидрофобизатор BS 1001 - не содержащая растворитель силан/силоксановая эмульсия, пригодная для разбавления водой. Эмульсия стабильна и процесс гидролиза с выделением спирта и возникновением водоотталкивающей силиконовой смолы происходит только после нанесения материала на подложку. Обеспечивает улучшение гидрофобизирующих свойств покрытий. Внешний вид - эмульсия молочно-белого цвета с содержанием активного компонента порядка 50 вес. %, плотность при 25°С порядка 0,95 г/см3, рН порядка 8.

Силан А 187 - (3-глицидилоксипропилтриметоксисилан), представляет собой бесцветную жидкость, является органо-функциональным силаном, действующим в качестве усилителя адгезии между неорганическими материалами (стекло, металлы, наполнители) и органическими полимерами (термопласты, эластомеры, т.д.). В присутствии воды метокси-группы Силан-187 гидролизуются с образованием силанольных групп, которые могут химически соединяться со многими неорганическими субстратами. Органофильная функциональная глицидильная группа Силана-187 может реагировать с подходящим полимером. Содержание основного вещества 98%, относительная плотность - 1,0700, удельный вес 1,07 г/см³.

Эмульсия акриловая Акратан AS02 - водная дисперсия сополимера стирола, бутилакрилата и акриловой кислоты. Рекомендуется для производства лакокрасочных материалов и клеевых материалов строительного назначения: интерьерных и фасадных красок, грунтовок, шпатлевок, штукатурок, высоконаполненных строительных клеев, систем фасадной изоляции. Технические характеристики: массовая доля нелетучих веществ, % 50±1, динамическая вязкость при температуре 23,0±0,5°С - Па⋅с 0,5-1,5, показатель активности водородных ионов, ед. рН 7,5-8,5, минимальная температура пленкообразования (-3) ÷ (+3)°С.

Акрисол RW 8 - неионный уретановый модификатор реологии, разработанный для создания высокоэффективных, экологически безопасных, не содержащих растворителей интерьерных и фасадных красок с низким содержанием летучих органических веществ. На вид мутная жидкость, содержание сухого остатка 17,5%, вязкость по Брукфилду 3500 cps, растворитель - вода, удельный вес (влажный полимер) 1.04, тип химии гидрофобно-модифицированный сложный уретановый сополимер на основе оксида этилена (НЕ1М).

Natrosol 250 - гидроксиэтилцеллюлоза, гранулированный порошок, который быстро растворяется в воде, образуя чистые, однородные растворы, проявляющие псевдопластичные свойства текучести. Высокие концентрации растворимых солей не оказывают влияния на эти растворы. На вязкость небольшое влияние оказывают слабые кислоты и щелочи. Благодаря неионному характеру Natrosol обладает широким спектром совместимости с другими продуктами, такими как эмульсионные полимеры, природные и синтетические смолы, эмульгаторы и противопенные средства. Natrosol выполняет функцию модификатора вязкости, модификатора реологических свойств, стабилизатора и диспергатора.

Вода - очищенная.

ПРИМЕР

В качестве примера приводится энергосберегающее покрытие с термоиндикаторным эффектом на основе материала Moutrical объекта нефтегазового сектора, а именно корпуса конвекционной печи с толщиной теплоизоляционного покрытия 2,5 мм. Покрытие наносится слоями любым методом, в данном случае поршневым безвоздушным распылителем. Первый - теплоизоляционный слой - из состава, содержащего, мас. %: диоксид титана 3,5, фосфат цинка 4, сажа белая БС 120 4, микротальк 3, кремнийорганический гидрофобизатор - SILRES®BS1001 7,4, пеногаситель Foamaster_0,3, микросферы стеклянные 12, аэрогель кварца 3,8, консервант Parmetol А26 0,2, биоцид Биобан 536 0,2, коалесцент Тексанол 2,2, силан А 187- промотор адгезии 0,3, эмульсия акриловая Акратан AS02 42,8, ингибитор коррозии Ascotran 0,2, загуститель Natrosol 250 - 0,3, загуститель Акрисол RW 8 0,5, вода 15,3 (общая сумма 100%), наносится на металлическую поверхность оборудования толщиной порядка 0,5 мм и выполняет две функции: антикоррозийная защита и снижение температуры поверхности на 12-14%. После полного высыхания слоя в течение примерно 60 мин нанесли тем же методом второй - экранирующий слой из состава, содержащего %: сажа белая БС 120 6, микротальк 8, диоксид титана 5, акриловая дисперсия стирол-акриловая СНР539 40, загуститель Акрисол RW 8 0,4, пигмент Altiris 6, пигмент Reflex 5000 White 20, вода 14,6, толщиной порядка 0,15 мм, служащий для снижения ИК отражения и уменьшения радиационной составляющей переноса энергии на примерно 20-24%. Третий - теплоизоляционный слой из указанного выше состава, наносили на экранирующий второй слой после полного его высыхания толщиной порядка 0,5 мм с уменьшением контактной температуры на его поверхности на 10%, четвертый - экранирующий слой из указанного выше состава, наносили на поверхность третьего слоя после его высыхания с толщиной порядка 0,15 мм, что обеспечило снижение ИК отражения и уменьшение радиационной составляющей переноса энергии на 15-20%, не увеличивая контактную температуру. Пятый и шестой слои - теплоизоляционные из указанного для него состава наносился на четвертый - экранирующий слой после его полного высыхания толщиной порядка 0,6 мм каждый. Эти слои обеспечили снижение контактной температуры на 20 - 22% по сравнению с температурой на поверхности после четвертого слоя, и выполнили функцию термоиндикатора именно на специально созданном перед проведением испытаний участке изолируемой металлической поверхности (который был предварительно ослаблен для образования дефекта во время эксплуатации под тепловой нагрузкой) - смотри пример на фото. При этом было отмечено колебание толщины полученного покрытия в диапазоне 2,3-2,8 мм в силу неоднородности реальных условий его нанесения. Измерение толщины проводилось толщинометром Константа 5.

Измерение температуры проводилось контактным термометром. Продолжительность контакта датчика термометра с поверхностью стенки печи определялась исходя из скорости роста температуры. При наступлении равновесия и/или незначительного колебания показаний прибора (±0,5°С) полученные значения заносились в протокол.

В каждой точке проводилось не менее 2-х измерений в различное время суток при различных температурах наружного воздуха, например, утром и во второй половине дня. Учитывалось среднее значение из проведенных измерений по каждой точке. Общее количество точек измерения температуры на одну печь составило не менее 8-ми. Общая толщина энергосберегающего покрытия не должна быть меньше 2,3 мм. Как отмечено выше, учитывая неоднородность покрытия и условий его нанесения, толщина покрытия может колебаться в диапазоне 2,3-2,8 мм.

Пример на фото.

Пример термоиндикаторного эффекта на фото 1 показывает дефектные места на футеровочной поверхности печи с заявленным покрытием. Материал при температуре выше 240°С становится коричневым, но при этом не разрушается структура изнутри, а когда температура тела достигает 300°С, покрытие темнеет и обугливается.

Данное теплоизоляционное покрытие не только позволило выявить дефект оборудования, но и снизило общие тепловые потери в окружающую среду на 75% по сравнению с тепловыми потерями металлической поверхности без такого покрытия. В то время, как покрытие по прототипу снизило общие тепловые потери в окружающую среду только на 50% по сравнению с тепловыми потерями металлической поверхности без такого покрытия.

Эффект снижения излучения тепловой энергии и повышения энергоэффективности предприятия достигается за счет обеспечения используемыми составами и их сочетанием возможности покрытия труднодоступных поверхностей узлов и агрегатов технологического оборудования всей цепочки производства, в т.ч. за счет суммарного увеличения площади обработанных поверхностей энергосберегающим покрытием, которое позволяет снизить тепловые потери.

Технологическая простота нанесения покрытия позволяет не останавливать предприятие для обработки энергосберегающим материалом, а также обеспечивает возможность раннего выявления дефектов изолируемой металлической поверхности при его эксплуатации в составе оборудования с последующим оперативным их устранением.

За счет обеспечиваемого повышения эффективности теплоизоляции, в т.ч. и увеличения суммарной обработанной площади поверхности изолируемого оборудования, общее снижение теплового излучения технологического оборудования позволит перевести любой такой объект как минимум в более высокий класс энергоэффективности, что положительно скажется на окружающей среде и стоимости как самого объекта, так и энергоресурсов, необходимых для получения заданных температур технологического оборудования, жидкостей и температур внутри зданий и сооружений.

При нанесении тепловой изоляции изменяются теплотехнические свойства стенки печи или другого оборудования - увеличивается сопротивление теплопередаче и, как следствие, снижается тепловой поток, что приводит к уменьшению конвективного и радиационного теплообмена с окружающей средой. Обеспечиваемое заявленным покрытием выявление мест дефекта создает возможность подвергнуть их оперативному ремонту с восстановлением участка покрытия. Данный многослойный «сэндвич» (заявленное покрытие) благодаря уменьшению радиационной и конвективной составляющих переноса энергии позволяет снизить суммарный поток тепловой энергии через слои покрытия на 70 - 80%. Шесть слоев является оптимальным для заявленного покрытия, при этом возможно увеличение количества слоев исходя из конкретных потребностей и экономических соображений с сохранением обеспечиваемого покрытием технического результата.