Analysis of structural and thermal-physical characteristics of high-porosity basalt thermal insulation for tubing

Abstract

Ключевые слова: теплоизоляция конструкций, короткие базальтовые волокна, по-ристость теплоизоляционного материала, коэффициент теплопроводности, насос-но-компрессорные трубы, цилиндрические скорлупыВведение. Важным направлением развития машиностроения явля-ется повышение экономической эффективности теплоизоляционных материалов и конструкций, неразрывно связанное с разработкой новых технологий. Очень часто оригинальные разработки, выполненные для изделий ракетно-космической техники, в дальнейшем используются в других отраслях промышленности, и наоборот. Так, созданный из кварцевых волокон теплозащитный материал ТЗМК-10 [1] для изго-товления теплозащитных плиток воздушно-космического самолета «Буран» может применяться для других нужд при температуре до 1250 °С, однако стоимость производства этого материала достаточно высока.В связи с этим актуальной задачей является создание высокопо-ристой и экологически чистой теплоизоляции с низким коэффициен-том теплопроводности на основе коротких базальтовых волокон и минеральной связки. Такая теплоизоляция может быть использована как при проектировании новых систем космических летательных ап-паратов и орбитальных станций, так и при изготовлении насосно-компрессорных труб (НКТ) для добычи нефти, а также в других от-раслях хозяйства.Бîльшая часть запасов нефти на территории Российской Федера-ции (более 70 %) [2-5] -это тяжелая, трудно извлекаемая нефть по-Инженерный журнал: наука и инновации # 1·2017 вышенной вязкости и плотности, 80 % которой залегает на глубине 2…3 км. Для добычи такой нефти используют термические методы разогрева пластов перегретым паром с высокими начальными пара-метрами (температура 420…450 °С, давление 35 МПа и более [6][7][8]) и перехода к нефтеносному пласту при температуре пара 350…400 °C. Очевидно, что для подачи теплоносителя в пласт необходимо создать эффективную теплоизоляцию НКТ, такую, чтобы температура наруж-ной поверхности теплоизоляционного покрытия (ТИП) в регулярной части трубы не превышала 60…65 °С, а масса 1 м погонной длины теплоизолированной НКТ диаметром 60×5 мм составляла не более 10…12 кг. Применение в настоящее время двухслойных вакуумно-теплоизолированных НКТ («термокейсов») для закачки в пласт пере-гретого пара ограничено низким рабочим давлением, относительно невысокой температурой и значительной массой труб на 1 м погон-ной длины, что не позволяет применять их в скважинах глубиной бо-лее 1,5 км. В статьях [9-11] рассмотрены возможности использования высоко-пористой теплоизоляции НКТ на основе коротких базальтовых волокон [12-13] с минеральной связкой из оксида алюминия и внешней защит-но-силовой стеклопластиковой оболочкой. Снижение кондуктивного переноса теплоты в коротковолокнистой базальтовой теплоизоляции НКТ достигается благодаря ее высокой пористости (94…96 %). Требуе-мая пористость, плотность и прочность теплоизоляционного материала на сжатие обеспечиваются технологией фильтрационного осаждения [11, 14] коротких базальтовых волокон со связкой из глинозема на пер-форированную оснастку и последующего формирования из них ТИ...