陶瓷隔热涂料在海上油气田的应用实践

陶瓷隔热涂料在海上油气田的应用实践

殷立云黎治季兆桂

中海石油（中国）有限公司湛江分公司广东省湛江市524057

摘要:某海上油田一级分离器长期处于海洋大气环境中，其岩棉隔热层部分老化失效；且隔热层内部潮湿，导致分离器外表面锈蚀和局部坑蚀。针对恶劣的海洋环境，选用抗风防潮、不易腐蚀、方便施工的新型陶瓷隔热涂料作为隔热材料，分离器保温效果提升有助于油、气、水三相分离，燃气产量增加230Nm3/d，原油产品能耗全年降低20750kW?h，增气节电全年折算标准煤109.41t，节能降耗效果明显。

关键词：陶瓷隔热涂料；分离器；涂装体系；节能降耗

某海上油田位于海南省文昌市以东136公里的海域，由两座井口平台、一艘FPSO（FloatingProductionStorageandOffloading，浮式生产储油卸油装置）“南海奋进号”组成，于2002年7月投入生产。井口平台生产的原油、伴生气及生产水经海底管线输送到FPSO进行处理、储存和外输。2014年，FPSO一级分离器罐体检测期间，拆除了分离器的岩棉隔热层，发现部分隔热材料老化失效，且隔热层内部潮湿，导致分离器外表面锈蚀和局部坑蚀。2016年，油田在FPSO一级分离器外表面喷涂陶瓷隔热涂料，将分离器外表面温度降至55℃以下，达到了《石油化工隔热工程施工工艺标准》的要求；同时陶瓷隔热涂层搭配涂装体系具有良好的防腐效果，满足了分离器外表面的防护需要。

一、陶瓷隔热涂料

1.1陶瓷隔热涂料的隔热机理

隔热材料是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。随着当今社会对环保和节能日益重视，隔热材料正朝着高效、节能、薄层、隔热、防水外护一体化方向发展。20世纪末，出现了将陶瓷隔热涂料涂覆在金属表面上的应用[1]。陶瓷隔热涂料是以隔热陶瓷骨料及无机复合矿物填料为主要成分，添加无机增强纤维，采用环氧树脂和无机耐高温胶作为胶粘剂合成。

陶瓷隔热涂料中的陶瓷微珠为空心结构，在保持足够的机械强度的同时，尽量减小了体积密度，减弱了热传导能力。涂料的气孔直径极小，气孔内的空气分子失去自由流动的能力，相对地附着在气孔壁上，这时材料处于近似于真空状态，将空气的对流减弱到极限。同时由于材料内部含有极多的发射界面与散射微粒，保证了陶瓷隔热涂料不论在高温、常温及低温下都具有良好的隔热效果。[2]

1.2陶瓷隔热涂料应用于海上的优势

油气田由于海洋环境的特殊性，要求油气处理和储存设备选用的隔热材料除了具备良好的隔热性能，还应该能够抵抗恶劣的海洋大气环境。在此方面，陶瓷隔热涂料较之于传统隔热材料具有明显优势。

传统的隔热材料是以提高气相空隙率，降低导热系数和传导系数为主。纤维类隔热材料在使用环境中要使对流传热和辐射传热升高，必须要有较厚的覆层；而型材类无机隔热材料要进行拼装施工，存在接缝多、有损美观、防水性差、使用寿命短等缺陷。两种传统隔热材料都需要在外面包覆一层铝皮或不锈钢钢皮，此类隔热层应用在潮湿度较高的海上环境，容易引起隔热层层下腐蚀；同时，铝皮或不锈钢皮存在被台风刮掉砸坏设施的安全隐患。此外，传统隔热层施工周期较长，需要的人力和物资量大，后期维护成本高，不利于在海上油气田开展。

陶瓷隔热涂料可喷涂在金属表面与罐身形成整体，不仅可以防水抗风，配合防腐涂料使用，更能对罐体外表面够起到良好的防护效果。陶瓷隔热涂料不存在冷凝积水现象，耐冲击和耐磨损的性能优于传统隔热材料，因此使用寿命受环境影响较小。陶瓷隔热涂料在喷涂过程，作业时间短，占用空间少；施工周期中大部分时间为等待涂层充分干燥，实际作业量少，因此不需要过多的作业人员，节约了人力成本，特别适合在海上油气田进行施工。

二、陶瓷隔热涂料的应用实践

2.1分离器工况简介

“南海奋进号”FPSO一级分离器尺寸：直径3.04m，罐体长16m（包括封头）；罐体使用外部环境为海洋大气环境，湿度较高，介质腐蚀性较大，全年平均温度约30℃，最高温度约35℃，最低温度13℃，此海域每年有不少于1次台风，最大风速（3秒阵风）：65.1m/s。[3]2014年，FPSO一级分离器罐体检测完成后仅在分离器表面进行普通防腐处理，分离器正常运行时外表平均温度高达63℃。此温度不符合《石油化工隔热工程施工工艺标准》的要求，存在对现场人员烫伤的安全隐患。同时分离器隔热效果不好，导致生产液热量散失，液体温度下降，影响了油、气、水三相的分离效果。为了把罐体表面温度降到55℃以下，减小热量耗散带来的不利影响，考虑到罐体防腐要求和施工条件限制，需要对罐体加一层隔热涂料。

2.2陶瓷隔热涂料说明

MC-HSC-1隔热涂料是一种水溶性、轻质的特殊陶瓷隔热涂料，不易燃，不含铅和铬酸盐安全环保无毒性。涂料采用特殊的陶瓷化合物，混合特殊的丙烯酸树脂/氨基甲酸脂混合物，涂布在中、高温的表面干燥后，能发挥隔热保温的效果，物理数据如下：

固体份：按重量54±1%，按体积81±1%

酸碱值：PH8.0~9.0

使用时表面温度范围：5℃~176℃

固化后的最高表面温度371℃

导热系数：0.048W/m?℃

2.3陶瓷隔热层厚度确定

隔热涂料实施后，要求表面温度不高于55℃，根据MC-HSC-1隔热涂料技术参数对所需涂层的理论厚度进行计算。

由于相对于分离器表面积而言陶瓷隔热涂层极薄，为了简化计算可以将罐体表面视作平面。陶瓷隔热涂层的导热系数比普通防腐涂层的导热系数小得多，在计算隔热涂层厚度时不考虑其它普通涂层的隔热效果。罐体表面向陶瓷隔热层进行热传导符合平壁稳态导热，热流密度满足公式2-1。

MC-HSC-1隔热涂料导热系数为0.048W/m?℃，空气对流散热系数一般为5~10W/m2?℃，由于海洋环境较潮湿≥6W/m2?℃，罐体温度为63℃，陶瓷涂层外表面温度为55℃，环境温度30℃，得到陶瓷隔热层厚度为2.56mm。环境温度取最大值35℃时，需要陶瓷隔热层厚度为3.2mm。

根据理论计算结果，进行性能实测，在分离器表面实验涂覆长、宽均为200mm，厚度分别为2mm，2.5mm，3mm，4mm的陶瓷隔热涂层，待涂层干燥稳定后测量涂层表面温度，环境温度32℃，相对湿度82%，实验结果见表2-1。

表2-1性能实测数据

三、陶瓷隔热涂料的应用效果

由于受喷涂工艺的限制，涂层厚度不可避免的存在差异，导致不同位置的隔热效果不同。分离器上部为气相，下部为液相，所以上部测量温度较下部测量温度普遍偏低。两个分离器完工时间不同，测量时的环境不同，所以测量结果呈现较大差异。总体而言，各点测量数据表明陶瓷涂层隔热效果明显，环境温度33℃，空气相对湿度为82%，分离器表面温度最高为53℃；环境温度为27℃，空气相对湿度为85%，分离器表面温度最高为48℃，符合《石油化工隔热工程施工工艺标准》的要求，有效避免了人员烫伤的隐患。

分离器喷涂陶瓷隔热涂层以后，罐体表面温度从63℃降至55℃以下，根据公式3-1计算不同表面温度分离器的热损耗情况。

每台分离器表面积为150m2，对流散热系数取7W/m2?℃，环境温度取30℃，通过计算，罐体表面温度为63℃时，两台热损耗为69.30kW，罐体表面温度为55℃时，热损耗为52.50kW，减少热量损耗16.80kW，全年降耗折算标准煤18.08t。分离器保温效果提升有助于油、气、水三相分离，燃气产量增加230Nm3/d，通过FPSO的LPG（LiquefiedPetroleumGas，液化石油气）回收生产系统可以将大部分燃气转化成液化石油气；下舱原油含水率典型值（排除其它生产因素的影响）从2.6%下降到1.8%，减少扫舱量8300m3，原油产品能耗全年降低20750kW?h，增气节电全年折算标准煤109.41t，[4]节能降耗效果明显。

四、结论

（1）陶瓷隔热涂料中的陶瓷微珠为空心结构，涂料的气孔直径极小,材料内部含有极多的发射界面与散射微粒,使得陶瓷隔热涂料具有良好的隔热能力。

（2）与传统隔热材料相比，陶瓷隔热涂料搭配涂装体系同时具有隔热与防腐的功能，可以在大风、潮湿环境中长期使用，施工难度小、工期短，特别适合在海上油气田使用。

（3）通过实践证明陶瓷隔热涂料应用在油气处理、储存设备上，可以起到良好的节能降耗作用。

参考文献：

[1]徐峰.建筑节能形势下外墙涂料的发展[J].现代涂料与涂装,2007,10(7):10-13.

[2]陆洪彬,陈建华.隔热涂料的隔热机理及其研究进展[J].材料导报.2005(04)

[3]韦海明.南海典型FPSO生产运营技术及实践[M].北京：石油工业出版社，2015,16-18.

[4]《综合能耗计算通则》[S]GB/T.2589-2008