Технологическое проектирование теплоизолирующих конструкций насосно-компрессорных труб из коротких базальтовых волокон на основе метода жидкостной фильтрации Баданина Юлия Владимировна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Обзор и критический анализ литературных источников и практических разработок высокопористых теплоизоляционных материалов и изделий из коротких базальтовых и кварцевых волокон 13

1.1. Обзор высокопористых теплоизоляционных материалов из базальтовых штапельных волокон, область применения и анализ их теплофизических характеристик 13

1.2. Анализ технологии изготовления и характеристики теплоизоляционных и теплозащитных материалов и покрытий насосно-компрессорных труб из коротких базальтовых и кварцевых волокон

1.3. Обзор практических разработок и анализ изготовления методом фильтрационного осаждения из коротких волокон теплоизолирующих изделий различного назначения 33

1.4. Результаты анализа эффективности применения теплоизолирующих изделий из коротких волокон. Выводы и постановка задач исследования диссертационной работы 38

ГЛАВА 2. Разработка и исследование двух стадийной технологии формования высокопористых теплоизолирующих конструкций из коротких базальтовых волокон и минеральной связки методом жидкостной фильтрации 42

2.1. Исследование процесса получения полуфабриката из коротких базальтовых волокон путем жидкостного измельчения штапельных волокон и удаления неволокнистых включений 42 Стр.

2.2. Разработка математической модели фильтрационного осаждения коротких волокон из пульпы при формообразовании теплоизоляционных плиток и цилиндрических колец 50

2.3. Исследование процесса введения в коротковолокнистую базальтовую теплоизоляцию свежеосажденную гидроокись алюминия с образованием минеральной связки из Al2O3 при термообработке изделия 57

2.4. Разработка технологии изготовления и математической модели фильтрационного осаждения коротких базальтовых волокон со связкой Al2O3

при формообразовании цилиндрических колец для определения теплофизических характеристик материала изделия 64

2.5. Выводы по главе 2 71

ГЛАВА 3. Экспериментально-теоретические исследования в области теплофизических свойств теплоизолирующих покрытий из коротких базальтовых волокон и минеральной связки из al2o3 на плоских и кольцевых образцах 72

3.1. Лабораторные исследования и аналитическое определение коэффициента теплопроводности высокопористой изоляции на кольцевых образцах из коротких базальтовых волокон с внутренним нагревом трубы от ТЭН 73

3.2. Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности лабораторных кольцевых образцов из коротких базальтовых волокон и минеральной связки из Al2O3 с внутренним нагревом трубы от тепловентилятора 79

3.3. Экспериментальные исследования теплофизических характеристик коротковолокнистой теплоизоляции из коротких базальтовых волокон на плоских образцах с нагревом от муфельной печи 81 Стр.

3.4. Исследование теплофизических свойств коротковолокнистой базальтовой теплоизоляции с учетом лучистого переноса тепла в межпоровом пространстве при стационарном режиме изменении емпературы 84

3.5. Математическая оценка параметров конструкции и условий испытаний теплоизолированных трубопроводов 87

3.6. Выводы по главе 3 92

ГЛАВА 4. Экспериментально-технологические исследования и разработка инженерной методики расчета параметров, прочностные и тепловые испытания теплоизолированных конструкций нкт из коротких базальтовых волокон и минеральной связки AL2O3 94

4.1. Разработка инженерной методики расчета эффективного коэффициента теплопроводности на основе правила суммирования кондуктивного и радиационного переноса тепла в высокопористой коротковолокнистой теплоизоляции 95

4.2. Исследование деформативных характеристик плоских образцов теплоизоляционного материала на основе коротких базальтовых волокон при сжатии перпендикулярно плоскости плиты 102

4.3. Разработка технологического процесса изготовления полуцилиндров (скорлуп) из коротких базальтовых волокон и связки из Al2O3 для теплоизолирующего покрытия опытной НКТ с защитно-силовой стеклопластиковой оболочкой 109

4.4. Разработка методики, проведение и анализ тепловых испытаний опытных (длиной 2,5 м) теплоизолированной НКТ нового поколения на тепловом стенде 118

4.5. Выводы по главе 4 125

заключение и общие выводы по работе 127 стр.

список сокращений 129

список литературы

• Анализ технологии изготовления и характеристики теплоизоляционных и теплозащитных материалов и покрытий насосно-компрессорных труб из коротких базальтовых и кварцевых волокон
• Разработка математической модели фильтрационного осаждения коротких волокон из пульпы при формообразовании теплоизоляционных плиток и цилиндрических колец
• Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности лабораторных кольцевых образцов из коротких базальтовых волокон и минеральной связки из Al2O3 с внутренним нагревом трубы от тепловентилятора
• Разработка технологического процесса изготовления полуцилиндров (скорлуп) из коротких базальтовых волокон и связки из Al2O3 для теплоизолирующего покрытия опытной НКТ с защитно-силовой стеклопластиковой оболочкой

Введение к работе

Актуальность работы. Одной из технически значимых и энергосберегающих задач развития машиностроения является создание теплоизолирующих конструкций из доступных, дешевых и экологически чистых базальтовых супертонких волокон (БСТВ), работоспособных длительное время при температурах от –260 С до 700…750 С. Область применения таких конструкций - внутренняя теплоизоляция элементов машин, медицинской техники, бытовых приборов, межтрубная теплоизоляция изделий, работающих при высоких температурах или связанных с транспортировкой криогенных топлив.

Основным недостатком рулонных теплоизоляционных материалов (ТИМ) из базальтовых штапельных волокон, изготовленных аэродинамическим методом и широко применяемых в строительстве, является высокий коэффициент кондуктивной теплопроводности, который в 1,75 раза выше, по сравнению с коэффициентом, полученным расчетным путем для БСТВ и спокойного воздуха. Другим важным недостатком указанных ТИМ является невозможность создания теплоизолирующих конструкций сложной пространственно-геометрической формы.

Из анализа литературных источников следует, что сложно профильные изделия из БСТВ могут быть получены только методом жидкостного осаждения в пресс-форму коротких базальтовых волокон из пульпы или гидромассы. Это показывает и практика изготовления из коротких кварцевых волокон теплозащитных плиток ВКС по программе «Буран» (ТЗМК-10, ФГУП НПП «Технология») или «Шаттл» (Li-900, фирма «Boeing»).

Перспективным направлением в настоящее время является создание многослойных насосно-компрессорных труб (НКТ), включающих межтрубную теплоизоляцию из коротких БСТВ и защитно-силовую стеклопластиковую оболочку. Такое конструктивно-технологическое решение обеспечивает снижение погонной массы композитных НКТ в 2…2,5 раза по сравнению со стальными вакуумно-теплоизолированными НКТ - «термокейсами» и доставку теплоносителя (перегретого пара) с высокими начальными параметрами (температура 420…450 С, давление 35 МПа) в нефтяные пласты с тяжелой высоковязкой нефтью, которые залегают на глубине 3000…3500 м (с возможностью увеличения до 4000…4500 м).

С другой стороны, по критерию «себестоимость-теплопроводность» теплоизоляция из коротких базальтовых волокон в несколько раз дешевле теплоизоляции из кварцевых волокон ТЗМК-10, используемой в «термокейсах» для защиты от теплового излучения в межтрубном пространстве НКТ.

Таким образом, проблема, связанная с созданием высокопористых сложно профильных изделий (втулок, манжет, колец, полуцилиндров или «скорлуп») из коротких базальтовых волокон с коэффициентом теплопроводности в 1,5 раза меньшим по сравнению с ТЗМК-10 является

актуальной, имеет важное научно-техническое и практическое значение, способствует снижению массы и себестоимости теплоизолирующих конструкций.

Цель работы. Повышение технико-экономических показателей теплоизолирующих конструкций из коротких базальтовых волокон на основе обеспечения минимального коэффициента теплопроводности и совершенствования фильтрационной технологии их изготовления.

Для решения поставленной цели были сформулированы задачи исследования.

1. Совершенствовать 2-х стадийную технологию изготовления из коротких базальтовых волокон и минеральной связки А1₂0₃ сложно профильных конструкций, включающую получение полуфабриката и формообразование из него методом жидкостной фильтрации высокопористых теплоизолирующих изделий.

2. Разработать математическую модель процесса формообразования теплоизолирующих конструкций методом фильтрационного осаждения коротких волокон из пульпы на основании закона А. Дарси.

3. Провести экспериментальные исследования по определению коэффициента теплопроводности на цилиндрических и плоских образцах и описать стационарный и нестационарный режимы изменения температуры в высокопористом материале на основе коротких базальтовых волокон с учетом лучистого переноса тепла в межпоровом пространстве.

4. Разработать методику расчета теплофизических характеристик, толщины теплоизоляционного покрытия в виде цилиндрических скорлуп, провести испытания опытных образцов НКТ нового поколения и оценить результаты экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна состоит:

- в разработке математической модели процесса формообразования
высокопористых теплоизолирующих конструкций из коротких базальтовых
волокон и связки Al₂O₃ на основе метода фильтрационного осаждения;

- в получение уравнений теплопроводности, описывающих
стационарный и нестационарный режимы изменения температуры в
высокопористом теплоизоляционном материале на основе коротких
базальтовых волокон с учетом лучистого переноса тепла в межпоровом
пространстве.

Практическая значимость работы заключается:

- в совершенствовании 2-х стадийной технологии, включающей:
измельчение и очистку волокон, подготовку полуфабриката; изготовление
пульпы из коротких базальтовых волокон и связки Al₂O₃, формообразование
высокопористых теплоизолирующих конструкций сложной формы методом
фильтрационного осаждения;

- разработке методического обеспечения, позволяющего производить
расчет коэффициента теплопроводности и толщины стенки теплоизоляции из
коротких базальтовых волокон, определяющего выход на стационарный

режим нагрева изделия и создающего основу для выбора технологических решений по созданию теплоизолирующих конструкций.

Практическая ценность работы доказана путем успешной промышленной апробации результатов работы при создании опытных образцов теплоизолирующего покрытия НКТ нового поколения диаметром 60 мм в виде цилиндрических скорлуп с толщиной стенки 25 мм и средним коэффициентом теплопроводности базальтовой теплоизоляции в диапазоне температур 63…420 С, равным 0,0413 Вт/(м К).

Методы исследования. Использовались основные положения технологии машиностроения, проектирования технологических процессов, теоретические основы фильтрации жидкости через пористые среды, основы кондуктивного и лучистого переноса тепла через высокопористые волокнистые материалы. Достоверность полученных результатов подтверждается применением известных и апробированных методов экспериментального исследования структурных, механических и теплофизических характеристик теплоизолирующих конструкций из коротких базальтовых волокон на аттестованном оборудовании и сертифицированных программно-математических пакетах.

На защиту выносится:

1. Математическая модель процесса фильтрационного осаждения коротких базальтовых волокон из пульпы со связкой из Al₂O₃, определяющая технологические, структурные и механические характеристики материала формуемых сложно профильных теплоизолирующих конструкций.

2. Научно обоснованный водородный показатель для приготовления пульпы из коротких базальтовых волокон pH = 6,5…8,5, обеспечивающий введение расчетного количества (5 % по массе) окиси алюминия в теплоизоляционный материал, при сохранении достаточно высокой скорости осаждения волокон из пульпы с вязкостью 510^-3 Пас.

3. Новые результаты теоретических и экспериментальных исследований, описывающие стационарный и нестационарный режимы изменения температуры в высокопористом ТИМ с учетом лучистого переноса тепла и направленные на определение теплофизических характеристик теплоизолирующих конструкций.

4. Методические рекомендации по определению коэффициента теплопроводности и выбору толщины стенки цилиндрических скорлуп из коротких базальтовых волокон и связки Al₂O₃ по требуемому перепаду температур на опытных образцах насосно-компрессорных труб нового поколения.

Апробация и внедрение результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2012, 2014 г.г.), на академических чтениях по космонавтике «Актуальные проблемы Российской космонавтики» (г. Москва, 2012-2014, 2016 г.г.), на 4-ой международной научной конференции «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и

прикладные проблемы», на XX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (г. Королев, РКК «Энергия», 2015 г.). Основные разделы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры «Технологии ракетно-космического машиностроения». Получены дипломы на Всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» за лучшую научную работу по направлению «Специальное машиностроение» (г. Москва, 2012 г.), диплом за «Успешный поиск новых решений» и диплом I степени в номинации «Лучшая работа в области энергетики» Всероссийской молодежной научно-инженерной выставки «Политехника» (г. Москва, 2014 г.), диплом 2 степени за «Лучший проект», представленный на конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов МГТУ им. Н.Э. Баумана с международным участием (г. Москва, 2014 г.).

Акты о внедрении получены от РКК «Энергия» им. С.П. Королёва и ЗАО «Компомаш ТЭК».

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 12 научных работах, из которых 5 статей - в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ. Общий объем публикаций 1,76 п.л. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и общих выводов, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 165 страницах, в том числе 139 страниц текста, 74 иллюстрации, 13 таблиц, список литературы из 100 наименований и приложения на 25 страницах.

Анализ технологии изготовления и характеристики теплоизоляционных и теплозащитных материалов и покрытий насосно-компрессорных труб из коротких базальтовых и кварцевых волокон

Анализ Рис. 1.6 и Рис. 1.7 показывает, что коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции из БСТВ почти в два раза ниже, чем теплоизоляции из БТВ. При увеличении плотности до 100 кг/м3 разница между коэффициентами теплопроводности уменьшается, а при увеличении температуры возрастает не зависимо от плотности материала теплоизоляции.

Уменьшить коэффициент теплопроводности изоляции из тонкого волокна возможно увеличением плотности до 150 кг/м3, но не более. Эта плотность является наиболее рациональной при температурах не выше 700 С. Но увеличение плотности отрицательно сказывается на себестоимости изделия.

Оптимальный объемный вес теплоизоляции из волокна БСТВ, при котором коэффициент теплопроводности имеет минимальное значение, составляет 80– 100 кг/м3. [27] В связи со сказанным для изготовления теплоизоляционного покрытия трубы НКТ в качестве исходного для дальнейшей переработки материала в теплоизолирующие конструкции было выбрано супертонкое базальтовое волокно – холст БСТВ «MINOL» с диаметром волокон dв=0,5-3,0 мкм. [30]

Выбор минимально возможного диаметра волокна для изготовления базальтового ТИМ обусловлен тем, что минимальной теплопроводностью обладают волокна (Рис. 1.3), имеющие диаметр менее 3 мкм. Кроме того, при малых диаметрах увеличивается тепловое сопротивление материала за счет возрастания удельной поверхности волокон. [29, 30].

Анализ технологии изготовления и характеристики теплоизоляционных и теплозащитных материалов и покрытий насосно-компрессорных труб из коротких базальтовых и кварцевых волокон

Из штапельных БСТВ длиной 50…60 мм воздушным способом изготовляют холсты и маты. Ковер из базальтовой ваты хорошо сохраняет свою форму благодаря относительно длинному элементарному волокну, что не характерно для коротких или непрерывных волокон, полученных другими способами. Длинное волокно создает в ковре структуру «упругой путанки», и для сохранения формы ему не нужно связующее. Базальтовые холсты из супертонкого волокна по внешнему виду напоминают вату (Рис. 1.8) и представляет собой массу перепутанных элементарных штапельных волокон диаметром до 3 мкм, скрепленных между собой силами естественного сцепления. [19].

Маты из штапельных БСТВ (Рис. 1.8, б) представляют собой рулоны, прошитые стеклянными или базальтовыми нитями с наружными обкладками или без них. При этом из БСТВ изготовляют также мягкие войлоки и жесткие пластины или картоны (толщиной 5-8 мм), мягкие и жесткие плиты (толщиной от 10 до 25 мм), из которых могут набираться теплоизоляционные пакеты любой толщины в зависимости от назначения. Теплофизические характеристики прошивных матов из базальтового супертонкого волокна по ТУ 5762-002-47897055-2003 представлены в Таблице 2.

На Рис. 1.9 показана схема нового энергосберегающего многослойного композиционного теплоизоляционного покрытия на нефтепромысловые паропроводы диаметром 57 мм для сокращения тепловых потерь при транспортировке высокотемпературного пара к нагнетательным и добывающим скважинам с высоковязкой и трудноизвлекаемой нефтью, разработанного ЗАО «Компомаш-ТЭК» под руководством д.т.н., профессора В.А. Моисеева. [31]

Температура прокачиваемого пара в трубопроводе диаметром 57 мм достигает 450 С, а на наружной поверхности паропровода на защитной полиэтиленовой трубе толщиной 4,4 мм – только 40 С. Однако суммарная толщина изоляционной стенки покрытия из стеклопластика, базальтового и муллитокремнеземистого войлока равна 57 мм. А внешний диаметр теплоизолированного паропровода по защитной полиэтиленовой трубе составляет 180 мм. Рис. Схема композиционного теплоизолирующего покрытия опытно-промышленного паропровода для транспортировки перегретого пара с температурой до 450 С

Очевидно, что такая излишне большая толщина стенки теплоизолирующего покрытия паропровода не приемлема для теплоизоляции насосно-компрессорных труб (НКТ), которые сами должны находиться в обсадной трубе нефтеносной скважины и иметь по возможности минимальный диаметр.

В настоящее время для закачки в пласт перегретого пара применяются трубы НКТ с вакуумной теплоизоляцией (Рис. 1.10 [3]), которые выполнены в виде труба в трубе с вакуумированием межтрубного пространства и с дополнительной установкой отражательных экранов или теплоизоляции ТЗМК-25 [32] вместо экранов. Однако вакуумно-теплоизолированные НКТ, которые называются также «термокейсами», не в полной мере удовлетворяют производственным потребностям нефтяников по уровню теплопотерь и надежности вакуумирования конструкции трубы. Главным же недостатком таких труб НКТ является излишне большая погонная масса конструкции и, как следствие, невозможность применения их для скважин глубиной более 1,5 км. LНКТ 10 м; Погонный метр: потери тепла по длине колонны = -трубы 89/40 мм = 19,6 кг/м;

Для снижения погонной массы многослойной композитной конструкции НКТ и самого теплоизоляционного покрытия нами рассматривается теплоизоляция, выполненная из коротких базальтовых волокон и минеральной связки [33-35] с внешней герметизирующей и защитной оболочкой из стеклопластика. Основные элементы предлагаемой композитной конструкции теплоизолированной труб НКТ нового поколения показаны на Рис. 1.11 и Рис. 1.12, а, б, в. Такое конструктивное решение обеспечивает устойчивую закачку перегретого пара с температурой 420 оС под давлением 35 МПа на глубину до 3 км в течение длительного времени (до 3-х месяцев и более).

Основные элементы конструкции НКТ: теплоизоляция регулярной части НКТ в виде цилиндрических скорлуп (а); теплоизоляция НКТ в виде профильной манжеты (б) и теплоизоляция НКТ в виде цилиндрического стакана (в) Очевидно, что меньшие показатели коэффициента теплопроводности, а, следовательно, и толщины покрытия достигаются путем измельчения минеральных волокон по длине и дальнейшей переработкой их в теплоизоляционный материал методом фильтрационного осаждения.

Созданием теплоизоляции, которая удовлетворяла бы высоким требованиям теплонагруженных конструкций с точки зрения экологии, пожарной безопасности, массовых характеристик, термостойкости и т.д., посвящено много работ. В работах В.Н. Грибкова, Ф.Б. Юревича, В.Г. Бабашова, Ю.В. Полежаева, Дж. Мартина, В.П. Тимошенко, Н.М. Иванова и др. подробно описано применение термостойких волокнистых материалов из коротких кварцевых волокон, в том числе и нитевидных кристаллов, получаемых методом жидкостной фильтрации. [36-38]

В их работах основное внимание уделяется материалам, применяемым в качестве теплозащитных плиток воздушно-космических самолетов (ВКС), температурный диапазон которых превышает 1000 оС (Рис. 1.1), технология получения и нанесения покрытий освещается только с точки зрения работоспособности защитного материала. Существующие исследования проводились и для создания из нитевидных кристаллов [37, 39] внешней теплоизоляции и теплозащите металлургического оборудования в виде гибких пластин и войлочных матов.

Наиболее известным примером теплозащиты с применением разнообразных плиток многократного применения являются сложные теплозащитные системы многоразовых космических кораблей «Спейс-Шаттл» (США) и «Буран» (СССР). В рамках программы «БУРАН» специалистами ФГУП «ВИАМ», ФГУП НПП «Технология» и НПО «Молния» разработаны и внедрены в производство волокнистые материалы ТЗМК-10 и ТЗМК-25 в виде плиток на основе сверхчистого аморфного кварцевого волокна (Таблица 3) и связки из оксида кремния, получаемых из гидромассы фильтрационной технологией.

Для защиты нижней поверхности и большей части боковой поверхности планера ВКС «Буран» в зонах с максимальными температурами аэродинамического нагрева равными 700…1250С - применяли керамические плитки (Рис. 1.13) из волокон двуокиси кремния (SiO2); в качестве щелевых уплотнений в конструкции «Бурана» был использован кварцевый холст; верхняя поверхность планера нагревается до температур 315…650С – здесь используется гибкая теплозащита из волокнистых органических материалов. [40-43]

Разработка математической модели фильтрационного осаждения коротких волокон из пульпы при формообразовании теплоизоляционных плиток и цилиндрических колец

По уравнениям фильтрации (2.5-2.7) рассчитывается производительность процесса формования изделия на проектируемом технологическом оборудовании, определяется объем пульпы и высота столба жидкости. Большее время фильтрации соответствует работе при меньших ст концентрациях пульпы и меньшем гидравлическом р = рпд hп + Ар давлении.

В уравнениях (2.4-2.7) коэффициент проницаемости кД представляет собой проводимость по отношению к жидкости через пористую среду под действием приложенного градиента давления и имеет размерность площади, а его величина имеет порядок квадрата характерного размера пор.

Коэффициент проницаемости по своей природе является структурной характеристикой, определяется, в основном, геометрией порового пространства. На основании решения гидродинамического течения жидкости через пористую среду в виде связки капиллярных трубок равной длины, И. Козени [65] установил, что коэффициент кД Дарси зависит только от удельного объема открытых пор п = Vn/VCJl в кубе, поделенного на квадрат удельной поверхности волокон Sy одинаковой длины и одинакового dB диаметра: cns en3 cdln3 Кп — —Т — 9 „ — : т , (2.8) д S S$ 0В 16 (1-n)2 где с - безразмерная величина - постоянная Козени, зависящая только от формы поперечного сечения трубок; с = 0,5 - для круглого сечения, 0,5619 - для квадратного и 0,5974 - для треугольного сечения.

Принимая, что здесь Vn - объем пор в слое осадка VCJl, м3; 50 - удельная поверхность волокон единичной длины, 50 = SJ VB = 4/dB, м2; dB - постоянный диаметр волокон, м; $в - объемное содержание волокон в слое осадка, $в = 1 — п. В формуле (2.8), записанной позднее Р.С. Карманом [66] само содержание волокон, то есть величина (1 — п) была взята во второй степени. Хотя в квадрате, на наш взгляд, должна быть только удельная поверхность волокон 50, но не их объемное содержание в пористом материале. Тогда формула (2.8) для коэффициента проницаемости Дарси может быть записана: с dl n3 АП — , , (2.9) д 16 (l-n) где постоянная Козени с при фильтрации жидкости поперек волокон одинакового диаметра (слой осадка) определяется экспериментальным путем. Так при большой пористости, например, при п = 0,9 значения Кд, подсчитанные по формуле Р.С. Кармана (2.8) и полученные рядом исследователей [63-68] экспериментальным путем, отличаются почти на порядок. Сам И. Козени и ряд других исследователей (Р. Коллинз, А.Э Шейдеггер, Н.Г. Пивовар, М. Маскет) отмечали не полное соответствие между коэффициентом проницаемости, подсчитанным по формуле (2.8) и полученным [66] по результатам экспериментальных проливок. Для пористости п = 0,30-0,35, характерной для конструкционных ПКМ, эти различия составляют не более 30 % и при некотором разбросе диаметров волокон в композитном материале становятся мало заметными при расчетах Кд.

Для оценки применимости формулы (2.9) были проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента проницаемости волокнистых плоских образцов с развесом ус л = 0,102-0,230-0,306- 0,612-0,816 0,91 г/см2 из кварцевых волокон диаметром 12 мкм для трех длин: 6,7-13,4 20,1 мм, которые проливались технической водой на специальной установке

На Рис. 2.10 представлены аналитическая зависимость коэффициента проницаемости от пористости волокнистого слоя осадка, рассчитанная по формуле Козени-Кармана (2.8) и экспериментальные значения пористости п, рассчитанные по формуле (2.10) и коэффициента Кд - по формуле (2.9). Из Рис. 2.10 следует, что зависимость Кд, рассчитанная по (2.9) сравнительно хорошо согласуется с результатами экспериментальных проливок образцов из кварцевых волокон одинакового диаметра для постоянной Козени с = 0,76. Таким образом, для дальнейших расчетов параметров процесса фильтрационного осаждения очищенных коротких базальтовых волокон из пульпы при формообразовании теплоизолирующих конструкций может быть использована формула (2.9) со значением постоянной Козени 9 = 0,76. представлены зависисимости времени процесса осаждения коротких базальтовых волокон из пульпы на основе технической воды при изготовлении полуфабриката (Рис. 2.5), подсчитанных по формуле (2.7) без вакуумирования камеры фильтрата (Рис. 2.11, кривая 1) и по формуле (2.6) с вакуумированием камеры – кривые 2-4. При расчетах было принято: толщина брикета (полуфабриката) hсл = 40 мм, плотность сухого осадка в слое rсл = 165 кг/м3, плотность пульпы rп = 103 кг/м3, вязкость жидкой пульпы без связки (воды) hж = 10-3 Па с, средний диаметр базальтового волокна БСТВ Aв= 2,0 мкм, пористость слоя волокон = 0,94, коэффициент Дарси Bд = 2,63 10-6 мм2.

Время получения осадка волокон заданной толщины и плотности под действием только столба жидкости в 5-10 раз больше (кривая 1), по сравнению с вакуумированием камеры фильтрата (кривые 2-4). При этом вакуумирование (Рис. 2.5) позволят также удалять до 60 % влаги из полуфабриката и обеспечивает съем плитки площадью 150х150 мм пуансоном с остатками жидкости как насосом из высокой камеры формования.

Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности лабораторных кольцевых образцов из коротких базальтовых волокон и минеральной связки из Al2O3 с внутренним нагревом трубы от тепловентилятора

С целью определения эффективности термобарьерных покрытий в условиях, приближенным к реальным, в качестве испытуемого лабораторного образца выбрали стальную трубу диаметром 60х5,0 мм и длиной 800 мм, на которую был намотан двойной слой алюминиевой фольги. На подготовленную трубу надевали высокопористые базальтовые кольцевые секции ТИМ (Рис. 3.1, а) с внешним диаметром 110 мм и высотой 120 мм. Сверху на кольца ТИМ наносили экранирующий слой алюминиевой фольги, на который в поперечном направлении наматывали слой стеклопластика толщиной 2,0 мм. После полимеризации эпоксидного связующего образец теплоизолированной трубы устанавливали в тепловой стенд (Рис. 3.4) для температурных испытаний.

Тепловым источником для проведения испытаний использовался тепловентилятор LEISTER, входящий в состав стенда СИМП 11.00.000 с температурой воздуха на выходе от температуры помещения до 600 С. Заданная температура тепловентилятора поддерживалась и контролировалась системой управления стенда автоматически (Рис. 3.4, б).

Расчет коэффициента теплопроводности произведен согласно ГОСТ 7076-99 [75]. При длительной прокачке горячего воздуха температурой 420 С установившаяся температура на внешней поверхности многослойного теплоизоляционного покрытия НКТ не превышала 62 С (Таблица 10).

Осредненные значения тепловых параметров по результатам эксперимента составили: - тепловой поток на поверхности стеклопластиковой трубы – 761 Вт/м2, что соответствует линейному тепловому потоку ql = 143,5 Вт/м; среднее значение ql по результатам двух экспериментов составило величину 151,1 Вт/м; - величина коэффициента теплопроводности во втором эксперименте 0,0409 Вт/мК. Эксперименты в условиях, имитирующих реальные, подтверждают расчетные значения коэффициента теплопроводности материала на основе коротких базальтовых волокон (БСТВ) и 5 % по массе минеральной связки Al2O3.

Испытания НКТ с комбинированным теплоизолирующим покрытием на основе базальтового волокна и минеральной связки из Al2O3 показало высокую эффективность теплоизоляции в регулярной части трубы: температура на поверхности трубы в регулярной части была в пределах 58 – 64 оС.

Экспериментальные исследования теплофизических характеристик коротковолокнистой теплоизоляции из коротких базальтовых волокон на плоских образцах с нагревом от муфельной печи

Всестороннее изучение свойств ТИМ и нахождение закономерностей их изменения позволяют создавать расчетные модели поведения и работоспособности такой теплоизоляции. Для исследования поведения разработанной коротковолокнистой базальтовой теплоизоляции при воздействии высоких температур методом фильтрационного осаждения были изготовлены плоские образцы 100х100 мм. Сущность методики проведения исследований заключается в одностороннем воздействии высоких температур на теплоизоляционный материал. На Рис. 3.5 приведена схема стенда одностороннего нагрева для проведения исследований. Она включает в себя муфельную печь СНОЛ, с температурой нагрева до 1350 С.

На теплоизолируемую дверцу печи устанавливается испытываемый образец материала 3 с закрепленными на нем термопарами 4 на горячей и на холодной стенке. Начальная температура образцов при испытании составляла (20 ± 5) С. Длительность теплового воздействия на образец составлял 60 мин. Результаты испытаний оценивались по 5 образцам. [2]

На Рис. 3.6 и Рис. 3.7 представлены результаты экспериментов. Температура нагрева горячей стенки образцов имела величину 930 оС. При этом температура холодной стенки составила 105 С, 93 С и 84 С в зависимости от плотности материала. Время роста температуры горячей стенки исследуемых образцов для всех плотностей составляет в среднем 30 минут, т.е. скорость нагрева горячей стенки образца была одинакова. Рис. 3.5.

Зависимость температуры стенок образцов от времени испытания и их плотности (hобр.=40 мм) Плотность материала образцов в незначительной мере оказывает влияние на температуру холодной стенки. Рост температуры холодной стенки в среднем составляет 40 мин. При дальнейшем увеличении времени высокотемпературного воздействия наступает равновесный температурный процесс, и температура холодной стенки не меняется. Анализ приведенных зависимостей показал, что скорость достижений равновесного температурного состояния зависит от толщины материала. Для толщины образца 13 мм постоянная температура на холодной стенке достигается в течение 25 мин, а для образцов толщиной 25 мм и 40 мм в течение 26 мин и 40 мин соответственно.

Изучение результатов экспериментов показывает, что после выхода температуры горячей стенки на стационарный режим с задержкой во времени стабилизируется температура холодной стенки образцов. Это говорит о существовании стационарного режима теплопередачи в ТИМ. При этом с ростом толщины образца увеличивается время задержки.

Таким образом, исследования образцов при одностороннем нагреве показали высокую термостойкость и тепловую эффективность ТИМ на основе базальтового волокна и неорганического связующего. Основываясь на проведенных экспериментах и полученных данных, становится возможным описать особенности функционирования теплоизолирующих конструкций.

Разработка технологического процесса изготовления полуцилиндров (скорлуп) из коротких базальтовых волокон и связки из Al2O3 для теплоизолирующего покрытия опытной НКТ с защитно-силовой стеклопластиковой оболочкой

На заключительном этапе были проведены испытания теплоизолированных НКТ нового поколения на кручение и на растяжение (Приложение П.2, Приложение П.3), а так же испытания с целью определения температуры внешней поверхности труб в зависимости от внутреннего нагрева трубы до температуры 420-450 С на тепловом стенде.

Конструктивно многослойная теплоизолированная НКТ общей длиной 11,5 м состоит из регулярной части с наружным диаметром 114 мм и четырех силовых элементов, предназначенных для сборки – разборки (свинчивании -развинчивании) отдельных труб между собой и удержания всей колонны НКТ при опускании ее в ствол скважины.

Регулярная часть НКТ включает в себя металлическую трубу диаметром 60 мм с толщиной стенки 5 мм из стали 20Х3МВФ, на которую устанавливается (собирается) теплоизоляция в виде цилиндрических скорлуп (см. Рис. 4.16), изготовленных из коротких базальтовых волокон и связки из А12O3 методом жидкостной фильтрации. Сверху на базальтовую теплоизоляцию наматывают один двойной слой алюминиевой фольги, выполняющий функцию отражательного экрана. Кроме того, слой фольги предохраняет попадание полимерного связующего в высокопористую теплоизоляцию. На фольгу под углом ± 30 к оси изделия наматывают защитно-силовую оболочку в четыре двойных слоя однонаправленного стеклопластика или базальтопластика толщиной 2 мм.

Однако, экспериментальную отработку конструктивно-технологических решений по определению теплофизических и механических характеристик многослойной теплоизолированной трубы НКТ было принято проводить на опытных образцах труб укороченной длины (Глава 1, п. 1.2 и Рис. 4.18, Приложение П.1) [100]. При этом все геометрические и конструктивно-технологические характеристики и параметры регулярной части многослойной теплоизолированной трубы НКТ и ее силовых элементов были сохранены. Длина опытного образца трубы НКТ составила 2463 мм, а ее регулярной части – 900 мм вместо проектных (натурных) 10 метров.

Конструктивная схема многослойной НКТ: теплоизоляция регулярной части НКТ в виде цилиндрических скорлуп; теплоизоляция соединений НКТ между собой в виде профильной манжеты и теплоизоляция резьбовой муфты НКТ в виде цилиндрического стакана (см. Глава 1, п. 1.2) Программа испытаний включала определение температуры поверхности в разных точках коротковолокнистой теплоизоляции, как на отдельных теплоизолированных НКТ, так и в составе двух соединенных между собой труб через теплоизоляционную манжету.

Методика проведения и анализ теплофизических испытаний изготовленных опытных образцов труб НКТ включает: - определение температуры наружной поверхности НКТ на стенде для тепловых испытаний разработки СибГАУ им. Решетнева тремя температурными датчиками, при этом положение датчиков на наружной поверхности НКТ варьировалось; - измерение температуры горячего воздуха на входе и выходе в стальную трубу, причем, вход и выход горячего воздуха в трубу менялся местами; - определение времени выхода температуры внешней поверхности трубы на стационарный режим; - анализ результатов тепловых испытаний с точки зрения достижения значений прогнозируемой температуры на поверхности НКТ.

Целью проведения испытаний явилось определение температуры на разных участках трубы НКТ и определение разницы температур на входе и на выходе трубы. Изменения во времени показаний температурных датчиков. Ниже приведены схемы установки датчиков, графики изменения температуры во времени на поверхности трубы и изменение температуры горячего воздуха при входе в НКТ и при его выходе из трубы.

В качестве объектов первой серии испытаний использовались отдельные образцы изготовленных труб с закрепленными на поверхности датчиками температуры № 1, 2 и 3 и датчиками на входе и выходе горячего воздуха из трубы, согласно Рис. 4.19 (Приложение П.4).

В Таблице 12 представлены результаты тепловых испытаний и продолжительность времени нагрева опытной теплоизолированной трубы НКТ №2.

На Рис. 4.20 представлены графики изменения температуры от времени для двух датчиков, установленных на теплоизоляции регулярной части трубы, и датчика, установленного на теплоизоляции силового элемента - спайдер ключа, выполненной из сферопластика и слоя стеклопластика, намотанного методом поперечной намотки.

На Рис. 4.21 представлены изменение температуры от времени для входного и выходного потоков горячего воздуха от тепловентилятора LEISTER, входящего в состав стенда СИМП 11.00.000 с температурой воздуха на выходе до 600 оС.

Из анализа результатов измерений тепловых характеристик, представленных в Таблице 12, графиков Рис. 4.20 и 4.21, а также приложения Г следует, что на внешней поверхности регулярной части трубы НКТ температура достигает максимально приемлемого значения в 63±3 С, а значит применяемая теплоизоляция, в состав которой входит теплоизоляция на основе БСТВ, связки из Al2O3 и стеклопластиковой оболочки, работает эффективно. При этом выход температуры поверхности НКТ на стационарный режим составляет 75… 90 мин.

Изменение во времени температуры воздуха на входе и выходе трубы НКТ Вторая серия тепловых испытаний проводилась на собранной конструкции из двух труб НКТ с закрепленными на поверхности датчиками температуры №1, 2 и 3 и датчиками на входе и выходе горячего воздуха в соответствии со схемой Рис. 4.22.

Целью проведения испытаний явилось определение температуры на регулярных участках обеих НКТ, определение температуры на стыке двух труб в области установки теплоизолирующей манжеты и определение разницы температуры горячего воздуха на входе и на выходе трубы.

Для проведения данного вида испытаний необходимо провести технологический процесс сборки конструкции из двух труб НКТ (Рис. 4.23).

Для соединения двух НКТ между собой были изготовлены образцы манжет из базальтовых волокон и связки Al2O3 согласно эскизу, приведенному на Рис. 4.24. Такие манжеты были получены путем фильтрационного осаждения базальтовых волокон в специально изготовленные пресс-формы.

Перед сборкой двух НКТ свинчиванием между ними устанавливалась манжета, которая закрывалась конической оболочкой, изготовленной из стеклопластика методом намотки на технологическую оправку. Схема установки температурного датчика в области манжеты показана на Рис. 4.25.