基于硅膠玻璃纖維和鋁箔玻璃纖維耐高溫對(duì)比研究

邢志彪(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

隨著石油資源的日益緊張，高效開發(fā)和有效利用石油、天然氣已成為解決國(guó)家能源需要的重要舉措。而石油天然氣的開采屬于高危行業(yè)，在生產(chǎn)過程中，雖然已事先進(jìn)行必要的地下情況預(yù)測(cè)、井控措施的制定，但由于地下儲(chǔ)層層間變化，仍然會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)井涌、井噴失控、爆炸、著火等突發(fā)事件，在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也給生態(tài)環(huán)境、人生安全和社會(huì)穩(wěn)定造成巨大影響。搶裝井口作業(yè)器為井控輔助設(shè)備，主要用于當(dāng)井噴發(fā)生并起火時(shí)，能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)新井口的安裝。隨著海洋石油大開發(fā)的不斷深入，海上平臺(tái)數(shù)量不斷增加，各類事故隱患也會(huì)越來越多，為解決井口發(fā)生井噴且防噴器失效，要進(jìn)行帶火搶裝新井口。海上自走式遙控?fù)屟b井口作業(yè)器工作環(huán)境惡劣，環(huán)境溫度不低于750 ℃，而常規(guī)碳素鋼、低合金鋼金屬材料在溫度超過400 ℃時(shí)強(qiáng)度會(huì)急劇下降，并出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。為保證鋼結(jié)構(gòu)件在此高溫、高熱輻射工作環(huán)境中保持足夠的穩(wěn)定性，大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件需采用高溫防護(hù)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)防護(hù)，并進(jìn)行對(duì)比分析開展防火耐溫材料的技術(shù)研究，對(duì)保障海洋石油安全開發(fā)具有指導(dǎo)意義[1]。

1 試驗(yàn)材料的選擇

選取了3種高溫耐火防護(hù)材料，分別為硅膠玻璃纖維防護(hù)管、鋁箔玻璃纖維防護(hù)布、高硅氧纖維防護(hù)布進(jìn)行耐高溫防護(hù)試驗(yàn)。材料性能如下：(1)硅膠玻璃纖維。該材料持續(xù)耐高溫300 ℃，1 060 ℃下耐高溫可持續(xù)5～10 min，1 650 ℃耐高溫可持續(xù)30 s；內(nèi)層白色玻璃纖維耐高溫610 ℃，外側(cè)紅色有機(jī)硅膠耐高溫350 ℃。該防護(hù)管主要用于對(duì)氣控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)中的硬管線及軟管線進(jìn)行防護(hù)。(2)鋁箔玻璃纖維防護(hù)布。耐溫范圍550 ℃，可以反輻96%的熱能量，主要特點(diǎn)是保溫、減少對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射的熱量損失、隔熱、防反射和防輻射熱等。(3)高硅氧纖維防護(hù)布。通過酸洗時(shí)SiO2含量達(dá)到96%，是完全不燃燒的耐高溫?zé)o機(jī)纖維。軟化點(diǎn)接近1 650 ℃，可長(zhǎng)期在900～1 000 ℃環(huán)境下使用，1 450 ℃條件下工作10 min，1 600 ℃條件下工作15 s。該材料主要用于對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行包裝防護(hù)。

2 耐高溫防護(hù)試驗(yàn)

2.1 硅膠玻璃纖維防護(hù)管對(duì)膠管的耐高溫防護(hù)試驗(yàn)

采用兩段硅膠耐高溫防護(hù)管，分別包裹在長(zhǎng)度2 m、直徑φ25 mm 高壓耐火軟管和25Ⅱ膠管外側(cè)，并用鐵絲捆軋牢固，其中一端用高硅氧纖維防火布包扎；兩根管子分別放置在工裝架上，兩端抬起，內(nèi)部灌滿水，將熱電偶探頭從高壓耐火軟管和25Ⅱ膠管另一端插入，插入深度約為管長(zhǎng)一半，并用高溫石棉封堵。開啟熱處理爐，爐溫850 ℃，將管子連同工裝一起放入熱處理爐中，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度計(jì)讀取管內(nèi)水溫，爐門半關(guān)。從管子放入爐內(nèi)開始計(jì)時(shí)，每30 s 讀取一次數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)間共9 min。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示，防火試驗(yàn)如圖2所示[1]。

由圖2可知，硅膠耐高溫防護(hù)管表面立即起火。試驗(yàn)后將試驗(yàn)材料全部取出，觀察硅膠耐高溫防護(hù)管情況。硅膠耐高溫防護(hù)管外層硅膠已基本燒損，內(nèi)部網(wǎng)狀保溫棉完好；高壓耐火軟管表面硅膠小面積燒損，內(nèi)部完好；25Ⅱ膠管表面燒損較嚴(yán)重[2]。

2.2 鋁箔防火布對(duì)金屬管的耐高溫防護(hù)試驗(yàn)

圖1 硅膠玻璃纖維防護(hù)管對(duì)膠管的防護(hù)

圖2 850 ℃耐高溫試驗(yàn)中的硅膠玻璃纖維防護(hù)管

切割一段2 m 耐高溫玻璃纖維鋁箔防火布，包裹在2 m 長(zhǎng)的φ83×10/20 無縫管外側(cè)，包裹層數(shù)為1 層，將一個(gè)熱電偶探頭包裹在無縫管外表面，另一個(gè)熱電偶探頭放置在無縫管內(nèi)部，熱電偶插入深度約為管子的一半，防護(hù)管用鐵絲捆扎牢靠，探頭固定可靠，并用高溫石棉封堵。防護(hù)好的無縫管放置在工裝架上。爐溫400 ℃時(shí)，將管子連同工裝一起放入熱處理爐中，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度顯示計(jì)，爐門半關(guān)。從管子放入爐內(nèi)開始計(jì)時(shí)，每30 s 讀取一次數(shù)據(jù)，熱處理爐同時(shí)按設(shè)計(jì)溫度繼續(xù)升溫。總試驗(yàn)時(shí)間50 min，最終爐溫800 ℃。因數(shù)據(jù)采集較多，以圖的形式顯示，如圖3所示。試驗(yàn)后將試驗(yàn)材料取出，觀察鋁箔防火布?？拷鼱t內(nèi)側(cè)的地方防火布外表面鋁箔局部燒損，未燒損的地方鋁箔層剝離[3]。

圖3 鋁箔防火布對(duì)金屬管的耐高溫防護(hù)試驗(yàn)

2.3 高硅氧纖維防護(hù)布耐高溫防護(hù)試驗(yàn)

切割一段2 m 硅膠耐高溫防護(hù)管，包裹在2 m 長(zhǎng)的φ83×10/20無縫管外側(cè)，將一個(gè)熱電偶探頭包裹在無縫管外表面，另一個(gè)熱電偶探頭放置在無縫管內(nèi)部，熱電偶插入深度約為管子的一半，然后防護(hù)管用鐵絲捆扎牢靠，探頭固定可靠，并用高溫石棉封堵。防護(hù)好的無縫管放置在工裝架上。爐溫400 ℃時(shí)，將管子連同工裝一起放入熱處理爐中，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度顯示計(jì)，爐門半關(guān)。從管子放入爐內(nèi)開始計(jì)時(shí)，每30 s 讀取一次數(shù)據(jù)，熱處理爐同時(shí)按設(shè)計(jì)溫度繼續(xù)升溫，如圖4所示。試驗(yàn)后將試驗(yàn)材料全部取出，觀察硅膠耐高溫防護(hù)管情況。硅膠外層已基本燒損，內(nèi)部網(wǎng)狀保溫棉完好[2]。

2.4 耐火試驗(yàn)

2.4.1 高壓耐火軟管耐火試驗(yàn)

圖4 高硅氧纖維防護(hù)布耐高溫防護(hù)試驗(yàn)

鍛造天然氣爐爐溫設(shè)定850℃，并升至850 ℃保溫，備用。將2 m 高壓耐火軟管放置在工裝架上，兩端抬起，內(nèi)部注滿水，一端內(nèi)部插入熱電偶探頭，插入深度為軟管一半，兩端用高溫棉封堵。將管子連同工裝一起放入爐中，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度顯示計(jì)。從管子放入爐內(nèi)開始計(jì)時(shí)，每30 s讀取一次數(shù)據(jù)，采集耐火軟管內(nèi)部水溫。如表1數(shù)據(jù)顯示，210 s之內(nèi)可以保持內(nèi)部80 ℃以下。試驗(yàn)后將試驗(yàn)材料取出，觀察高壓耐火軟管，外表面硅膠已經(jīng)完全燒損，內(nèi)部材質(zhì)基本完好。

表1 高壓耐火軟管耐火試驗(yàn)(實(shí)測(cè)內(nèi)部水溫)

2.4.2 鋁箔防火布耐火試驗(yàn)

切割一段2 m 耐高溫玻璃纖維鋁箔防火布，包裹在2 m 長(zhǎng)的φ83×10/20 無縫管外側(cè)，包裹層數(shù)為1 層，將一個(gè)熱電偶探頭包裹在無縫管外表面，另一個(gè)熱電偶探頭放置在無縫管內(nèi)部，防護(hù)管用鐵絲捆扎牢靠，探頭固定可靠，并用高溫石棉封堵。將包裹好的無縫管放入天然氣爐內(nèi)，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度顯示計(jì)。從管子放入爐內(nèi)開始計(jì)時(shí)，每30 s 讀取一次數(shù)據(jù)，如表2所示。試驗(yàn)后將試驗(yàn)材料取出，觀察鋁箔防火布，火焰噴射較大的地方防火布外表面鋁箔已完全燒損[3]。

表2 鋁箔防火布耐火性能測(cè)試

3 結(jié)語

通過對(duì)比試驗(yàn)可知：(1)硅膠玻璃纖維防護(hù)管、鋁箔玻璃纖維防兩種材料防護(hù)管內(nèi)溫度兩者差別很小，且升溫趨勢(shì)一致(2)管外溫度上高硅氧纖維防火布的防火性及絕熱性優(yōu)于鋁箔防火布。(3)試驗(yàn)后將試驗(yàn)材料取出，觀察高硅氧纖維防火布外形基本完整，但纖維存在脆化現(xiàn)象。