隔水導管硅烷-納米陶瓷涂層的隔熱效果

楊芮 胡志強 梁永恒 徐樹棟 李國強 李武生

1. 長江大學地球科學學院；2. 中國石化石油工程技術研究院；3. 中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司

近年來，稠油熱采技術在海上油氣田開發中得到廣泛的應用，其中在稠油井注熱流體吞吐開采過程中，隔水導管系統作為重要的蒸汽循環通道處在低溫海水環境下，系統內外溫差巨大，熱量損失嚴重，極大影響了熱采效果［1-4]。目前國內外通常采用隔熱油管技術來降低熱量損失，但其隔熱效果有限，尤其是隔水導管海水段對隔熱效果要求更高，導管接箍連接處通常無隔熱涂層保溫，因此需要對隔熱涂料進行改性處理，以滿足更高的性能要求［5-7]。硅烷-納米陶瓷復合材料是一種以耐溫性好、黏結強度高的硅烷偶聯劑為基料，導熱系數極低的納米級空心陶瓷微珠為隔熱骨料，同時添加一些無機纖維增強材料韌性的新型無機隔熱保溫涂層，不僅擁有優良的隔熱保溫功能，同時還具有防水耐溫、抗震環保、黏附力強、使用壽命長、易于安裝等特性［8-11]。目前對硅烷-納米陶瓷材料耐溫性能已有相關介紹，但應用于海洋鉆井隔熱管隔熱性能的研究較少［12-13]。通過紅外燈加熱實驗和自制的隔水導管加熱裝置對硅烷-納米陶瓷材料和其他隔水導管保溫材料進行了隔熱性能室內模擬實驗，探究了硅烷-納米陶瓷涂料涂層結構、厚度對隔水導管隔熱效果的影響，并且對隔水導管隔熱工藝進行了合理化優選，為海上油氣田開發提高采收率和熱能利用率提供依據。

1 隔熱原理

隔熱保溫材料中熱量的傳遞主要通過熱傳導、熱對流和熱輻射3 種途徑來實現。其中熱傳導主要發生在涂料固體顆粒之間；熱對流主要是指涂料中氣流分子間的熱量轉移；熱輻射不同于熱傳導和熱對流，它主要通過涂料中固相物質輻射生熱，然后利用介質傳播、吸收和反射來完成熱量的傳遞。硅烷-納米陶瓷復合材料屬于兼顧隔熱型和反射型的功能涂料［14]，由于納米陶瓷微珠內填充有N2、CO2等導熱系數極低的氣體，真空度高，減少了熱傳導和熱對流方式的散熱，同時微珠具有封閉的空隙結構，促使涂層內部發生二次反射和散射，使得熱量被阻隔于涂層外，達到隔熱保溫目的，隔熱原理見圖1。

圖 1 硅烷-納米陶瓷涂料隔熱原理Fig. 1 Heat insulation principle of silane-nano ceramics coating

2 實驗方案

2.1 實驗設備

實驗設備包括：TI32 紅外熱像儀、紅外燈、旋轉托盤、隔水導管短節、電阻絲、控溫裝置、LT02 型便攜式表面溫度計(0～500 ℃)等。

2.2 實驗材料

實驗材料包括：上海羽合新材料有限公司的803 普通陶瓷隔熱涂料(簡稱A 涂料)，天津戴樂普科技有限公司的硅烷-納米陶瓷耐高溫隔熱涂料(簡稱B 涂料)，安徽百特新材料科技有限公司的無機纖維真空保溫板(簡稱C 涂料)，上海亞羅弗橡塑科技有限公司的EPDM 絕熱橡膠(簡稱D 涂料)。材料主要性能參數見表1。

表 1 4 類隔熱材料的主要性能參數Table 1 Main property parameters of four types of heat insulation materials

2.3 實驗流程

實驗首先選取普通陶瓷隔熱涂料A 和硅烷-納米陶瓷復合涂料B 開展隔熱性能測試。試制相同厚度的A、B 涂層試樣(圖2)，采用紅外燈加熱，利用紅外成像儀拍攝涂層的溫度紅外圖像，對比分析2 種涂料的隔熱性能［15]。其次為了模擬實際工況中隔水導管的隔熱保溫效果，實驗加工設計了外徑為0.609 m、壁厚為0.025 4 m、內徑為0.558 m、長度為0.5 m 的隔水導管短節(圖3)，并采用導管內電阻絲加熱，用控溫設備保持導管內部溫度恒定(0～400 ℃)，導管兩端絕熱密封，實驗裝置如圖4 所示，同時采用等離子噴涂的方法制備測試用的隔熱涂層［16]。本套設備實驗內容分3 個部分：測試3 種隔水導管涂料(B 涂料、C 涂料、D 涂料)的隔熱性能，測試3 類涂層結構(內壁、外壁、內外壁)對隔熱效果的影響，測試不同涂層厚度(0～600 μm)對隔熱效果的影響。

圖 2 硅烷-納米陶瓷涂料Fig. 2 Silane-nano ceramics coating

圖 3 實驗隔水導管Fig. 3 Experimental riser

圖 4 隔水導管隔熱性能實驗裝置Fig. 4 Test device for the heat insulation performance of riser

3 結果分析

3.1 2 種陶瓷涂料的隔熱性能對比

普通陶瓷涂料利用低熱導率、高氣孔率的特性來獲得良好的隔熱效果。納米陶瓷涂料不僅具有普通陶瓷的特性，還具有很高的光譜選擇性，能對可見光與紅外光進行反射使得材料表面隔熱降溫，另外納米技術使得陶瓷涂料克服了本身固有的脆性特征，增強了材料超塑性、硬度、延展性和韌性［7]。本實驗利用2 只紅外燈對A 涂料和B 涂料正面進行加熱，測試試樣放置在旋轉轉盤上，使得正面受熱均勻。同時在不同的測試時間點，利用紅外成像儀拍攝A、B 涂料正、反面的紅外圖，并讀取溫度數據(表2)。

實驗結果表明，隨著測試時間的延長，A、B 涂層正反面溫度均上升，正面由于處于紅外燈照射，溫度升高明顯，背面由于涂層隔熱，導致升溫平緩。同時，A 涂層正面平均溫度高于B 涂層，而2 種涂層反面的平均溫度則相反。這是因為B 涂料中的三維硅烷網絡中間填充了導熱率更小的納米陶瓷粉體，同時經過改性處理后的涂料具有極小導熱率和特殊的電磁性能，不僅對紅外光線具有的反射作用，對紫外光線也很強的折射作用，從而對熱量的傳遞起到了雙重阻隔的作用，極大降低了涂層表面所吸收的熱量［17]。

表 2 A、B 涂料正、反面測試溫度Table 2 Test temperature of the front and back sides of coating A and B

3.2 3 類隔水導管保溫涂料隔熱性能對比

海上稠油熱采過程中，需要向地層注入高達350 ℃的干蒸汽，蒸汽在井筒中流動必然存在大量的熱損失。目前用于隔水導管隔熱保溫的材料主要有真空隔熱類材料［18]、有機絕熱橡膠［19]和硅烷復合陶瓷類材料。實驗選取B、C、D 這3 種代表性試樣進行測試，實驗用0.60 mm 的電阻絲纏繞在高鋁質瓷管上進行加熱，90 min 內升溫至350 ℃，每隔10 min 測量一次內部溫度和表面溫度，記錄結果如圖5 所示。

圖 5 3 類涂料外表面溫度隨測試時間的變化曲線Fig. 5 Temperature variation of the outer surface of three kinds of coatings over the test time

實驗結果顯示B、C、D 涂料外部溫度上升平緩，在90 min 后保持穩定,其表面溫度與隔水導管內部溫度差值依次為263.2 ℃、253.9 ℃、246.9 ℃。隔熱材料的保溫率是表征物體隔熱效果的一個重要指標［20]，其定義為

式中， Qp為 隔熱材料的保溫率，%； Qb為隔水導管無涂層時外表面溫度，℃； Q為隔水導管有涂層時外表面溫度，℃。

根據實驗數據和公式(1)計算出B、C、D 涂料的保溫率依次為75.1%、72.5%、70.5%。可以看出B 類涂料保溫效果最好，C 類涂料次之，D 類涂料降溫最快。同時硅烷-納米陶瓷具有無污染(無磷化)、適應溫度范圍廣(-40 ℃～400 ℃)、水汽滲透率低(濕阻因子約為10 000)、抗震性好、附著性強、超塑性高、力學性能優良等特征［21]，能滿足海洋隔水導管及接箍連接部位的特殊需求，同時硅烷-納米陶瓷材料在隔水導管等大型件中的應用便利性和后期保養維護都十分方便，易于施工操作。

3.3 涂層結構對隔熱效果的影響

隔水導管隔熱效果的好壞首先取決于保溫材料性能的優劣，其次是隔熱結構的合理性。而隔熱效果的關鍵是絕熱層的選擇和施工。因此，在確定好隔熱涂層材料屬性后，應開展研究涂料層結構對隔熱效果影響，對比分析隔水導管隔熱內壁隔熱、外壁隔熱、內外壁隔熱效果，以優化隔水導管隔熱工藝。實驗將涂料層結構分為3 組：隔水導管內壁涂刷2 層隔熱材料(1 層厚度約200 μm)；隔水導管內壁涂刷1 層、外壁涂刷1 層；隔水導管外壁涂刷2 層，在涂刷的過程中保證每種涂層的厚度一致。實驗方案同樣采取電阻絲加熱隔水導管，測試時長120 min，實驗結果如圖6 所示。

圖 6 涂層結構對隔熱效果的影響Fig. 6 Influence of coating structure on the heat insulation effect

實驗結果顯示，3 組涂層結果在加熱升溫初期(12 min)保溫率達到最大，然后下降并趨于平穩，這是由于初期傳熱效率低，隔熱層吸收熱量較少，導致涂層外表面溫度變化量較小。實驗過程中，外壁涂層結構始終保持較高的保溫率，而內壁保溫率相對較低，這說明采用在隔水導管外壁噴涂的隔熱方式能取得最好的保溫效果。

3.4 涂層厚度對隔熱效果的影響

根據涂層隔熱原理可以預測，隨著涂層厚度的增加，隔熱效果增大［22]。但由于隔水導管隔熱涂層厚度選取受限于施工條件以及后期使用維護等方面因素影響，因此需要對涂層厚度進行合理化設計，以期達到最佳的保溫效果。實驗方案同樣采取電阻絲加熱隔水導管，選取6 組實驗厚度(100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm)進行測試，實驗結果如圖7 所示。

圖 7 涂層厚度對隔熱效果的影響Fig. 7 Influence of coating thickness on theheat insulation effect

實驗結果顯示涂層材料厚度對隔熱效果影響顯著，隨著硅烷-納米陶瓷隔熱涂層厚度的增加，隔熱保溫效果也越好。在涂層厚度達到500 μm 以上時，保溫率超過80%，能充分降低海上稠油熱采過程中隔水導管的熱量損失，最大限度的提高蒸汽熱能利用率，滿足實際作業工況的需求。

4 結論與建議

(1)通過紅外燈加熱實驗發現，硅烷-納米陶瓷比普通陶瓷材料隔熱性能更好，改性處理后的納米陶瓷材料不僅具有極小的導熱率，同時具有較高的反射率和折射率，雙重阻隔熱量在涂層中的傳遞。

(2)通過自制的隔水導管加熱設備對比分析了硅烷-納米陶瓷、真空隔熱材料和絕熱橡膠材料的隔熱性能，發現硅烷-納米陶瓷涂料不僅具備更高的保溫率，同時擁有優良的力學特性，能滿足海洋隔水導管特殊工作環境下的施工要求。

(3)通過對硅烷-納米陶瓷涂層結構、涂層隔熱效果的實驗分析，推薦隔水導管隔熱工藝采用外壁噴涂的隔熱方式，同時涂層厚度達到500 μm 以上，能使得涂層保溫率達80%，最大化降低熱量損失，提高熱采效果。