陶瓷隔熱涂料在海上油氣田的應用實踐

殷立云，黎治，季兆桂

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東524057）

某海上油田位于海南省文昌市以東136km 的海域，由兩座井口平臺、一艘FPSO（浮式生產儲油卸油裝置）“南海奮進號”組成，于2002 年7 月投入生產。井口平臺生產的原油、伴生氣及生產水經海底管線輸送到FPSO 進行處理、儲存和外輸。2014 年，FPSO 一級分離器罐體檢測期間，拆除了分離器的巖棉隔熱層，發現部分隔熱材料老化失效，且隔熱層內部潮濕，導致分離器外表面銹蝕和局部坑蝕。2016 年，油田在FPSO 一級分離器外表面噴涂陶瓷隔熱涂料，將分離器外表面溫度降至55℃以下，達到了《石油化工隔熱工程施工工藝標準》的要求；同時陶瓷隔熱涂層搭配涂裝體系具有良好的防腐效果，滿足了分離器外表面的防護需要。

1 陶瓷隔熱涂料

1.1 陶瓷隔熱涂料的隔熱機理

隔熱材料是指對熱流具有顯著阻抗性的材料或材料復合體。隨著當今社會對環保和節能的日益重視，隔熱材料正朝著高效、節能、薄層、隔熱、防水外護一體化方向發展。20 世紀末，出現了將陶瓷隔熱涂料涂覆在金屬表面上的應用[1]。陶瓷隔熱涂料是以隔熱陶瓷骨料及無機復合礦物填料為主要成分，添加無機增強纖維，采用環氧樹脂和無機耐高溫膠作為膠粘劑合成。

陶瓷隔熱涂料中的陶瓷微珠為空心結構，在保持足夠的機械強度的同時，盡量減小了體積密度，減弱了熱傳導能力。涂料的氣孔直徑極小，氣孔內的空氣分子失去自由流動的能力，相對地附著在氣孔壁上，這時材料處于近似于真空狀態[2]，將空氣的對流減弱到極限。同時由于材料內部含有極多的發射界面與散射微粒，保證了陶瓷隔熱涂料不論在高溫、常溫及低溫下都具有良好的隔熱效果。

1.2 陶瓷隔熱涂料應用于海上的優勢

海上油氣田由于海洋環境的特殊性，要求油氣處理和儲存設備選用的隔熱材料除了具備良好的隔熱性能，還應該能夠抵抗惡劣的海洋大氣環境。在此方面，陶瓷隔熱涂料較之于傳統隔熱材料具有明顯優勢。

傳統的隔熱材料是以提高氣相空隙率，降低導熱系數和傳導系數為主。纖維類隔熱材料在使用環境中要使對流傳熱和輻射傳熱升高，必須要有較厚的覆層；而型材類無機隔熱材料要進行拼裝施工，存在接縫多、有損美觀、防水性差、使用壽命短等缺陷[3]。兩種傳統隔熱材料都需要在外面包覆一層鋁皮或不銹鋼鋼皮，此類隔熱層應用在潮濕度較高的海上環境，容易引起隔熱層層下腐蝕；同時，鋁皮或不銹鋼皮存在被臺風刮掉砸壞設施的安全隱患。此外，傳統隔熱層施工周期較長，需要的人力和物資量大，后期維護成本高，不利于在海上油氣田開展。

陶瓷隔熱涂料可噴涂在金屬表面與罐身形成整體，不僅可以防水抗風，配合防腐涂料使用，更能對罐體外表面夠起到良好的防護效果。陶瓷隔熱涂料不存在冷凝積水現象，耐沖擊和耐磨損的性能優于傳統隔熱材料，因此使用壽命受環境影響較小。陶瓷隔熱涂料在噴涂過程，作業時間短，占用空間少；施工周期中大部分時間為等待涂層充分干燥，實際作業量少，因此不需要過多的作業人員，節約了人力成本，特別適合在海上油氣田進行施工。

2 陶瓷隔熱涂料的應用實踐

2.1 分離器工況簡介

“南海奮進號”FPSO 一級分離器尺寸：d=3.04m，罐體長16m（包括封頭）；罐體使用外部環境為海洋大氣環境，濕度較高，介質腐蝕性較大，全年平均溫度約30℃，最高溫度約35℃，最低溫度13℃，此海域每年有不少于1 次臺風，最大風速（3s 陣風）：65.1m/s。2014 年，FPSO 一級分離器罐體檢測完成后僅在分離器表面進行普通防腐處理，分離器正常運行時外表平均溫度高達63℃。此溫度不符合《石油化工隔熱工程施工工藝標準》的要求，存在對現場人員燙傷的安全隱患。同時分離器隔熱效果不好，導致生產液熱量散失，液體溫度下降，影響了油、氣、水三相的分離效果。為了把罐體表面溫度降到55℃以下，減小熱量耗散帶來的不利影響，考慮到罐體防腐要求和施工條件限制，需要對罐體加一層隔熱涂料。

2.2 陶瓷隔熱涂料說明

MC-HSC-1 隔熱涂料是一種水溶性、輕質的特殊陶瓷隔熱涂料，不易燃，不含鉛和鉻酸鹽安全環保無毒性。涂料采用特殊的陶瓷化合物，混合特殊的丙烯酸樹脂/氨基甲酸脂混合物，涂布在中、高溫的表面干燥后，能發揮隔熱保溫的效果，物理數據如下：1)固體份：按重量54±1%，按體積81±1%；2）酸堿值：pH 8.0～9.0；3）使用時表面溫度范圍：5～176℃；4）固化后的最高表面溫度 371℃；5）導熱系數：0.048W/m·℃。

2.3 陶瓷隔熱層厚度確定

隔熱涂料實施后，要求表面溫度不高于55℃，根據MC-HSC-1 隔熱涂料技術參數對所需涂層的理論厚度進行計算。

由于相對于分離器表面積而言陶瓷隔熱涂層極薄，為了簡化計算可以將罐體表面視作平面。陶瓷隔熱涂層的導熱系數比普通防腐涂層的導熱系數小得多，在計算隔熱涂層厚度時不考慮其它普通涂層的隔熱效果。罐體表面向陶瓷隔熱層進行熱傳導符合平壁穩態導熱，熱流密度滿足公式2-1。

式中，q1——罐體表面向陶瓷隔熱層傳熱的熱流密度，W/℃；λ——陶瓷隔熱層導熱系數，W/m·℃；δ——陶瓷隔熱層厚度，m；t1——罐體表面溫度，℃；t2——陶瓷隔熱層外表面溫度，℃。

陶瓷隔熱層在空氣中散熱的熱流密度滿足牛頓冷卻定律（如公式2-2）。

式中，q2——散熱的熱流密度，W/℃；h——對流散熱系數，W/m2·℃；t2——陶瓷隔熱層外表面溫度，℃；t∞——環境溫度，℃；

理論計算時認為涂層極薄且均勻，則

整理2-1，2-2，2-3 式得到陶瓷隔熱層的理論厚度計算公式2-4：

MC-HSC-1 隔熱涂料導熱系數λ 為0.048W/m·℃，空氣對流散熱系數一般為 5～10W/m2·℃，由于海洋環境較潮濕≥6W/m2·℃，罐體溫度為63℃，陶瓷涂層外表面溫度為55℃，環境溫度30℃，得到陶瓷隔熱層厚度為2.56mm。環境溫度取最大值35℃時，需要陶瓷隔熱層厚度為3.2mm。

根據理論計算結果，進行性能實測，在分離器表面實驗涂覆長、寬均為200mm，厚度分別為2mm，2.5mm，3mm，4mm 的陶瓷隔熱涂層，待涂層干燥穩定后測量涂層表面溫度，環境溫度32℃，相對濕度82%，實驗結果見表1。

實驗證明陶瓷隔熱涂料厚度設計為2.5 ～3mm 可以滿足隔熱要求。

表1 性能實測數據

2.4 涂裝體系設計

分離器已經涂覆重防腐涂層，隔熱保溫涂料的主要功能是保溫隔熱，按照要求，需要在涂料最外層刷涂聚氨面漆RETAN600-KSC-825 起到防滲透、防腐和美觀的作用，為此，配套體系設計為：原重防腐為底漆+保溫隔熱涂料+聚氨面漆。配套體系具體詳見表2。

表2 涂裝體系

3 陶瓷隔熱涂料的應用效果

由于受噴涂工藝的限制，涂層厚度不可避免的存在差異，導致不同位置的隔熱效果不同。分離器上部為氣相，下部為液相，所以上部測量溫度較下部測量溫度普遍偏低。兩個分離器完工時間不同，測量時的環境不同，所以測量結果呈現較大差異。總體而言，各點測量數據表明陶瓷涂層隔熱效果明顯，環境溫度33℃，空氣相對濕度為82%，分離器表面溫度最高為53℃；環境溫度為27℃，空氣相對濕度為85%，分離器表面溫度最高為48℃，符合《石油化工隔熱工程施工工藝標準》的要求，有效避免了人員燙傷的隱患。

分離器噴涂陶瓷隔熱涂層以后，罐體表面溫度從63℃降至55℃以下，根據公式3-1 計算不同表面溫度分離器的熱損耗情況。

式中，Q——熱損失，W；h——對流散熱系數，W/m2·℃；F——表面積，m2；t——陶瓷隔熱層外表面溫度，℃；t∞——環境溫度，℃。

每臺分離器表面積為150m2，對流散熱系數取7 W/m2·℃，環境溫度取30℃，通過計算，罐體表面溫度為63℃時，兩臺熱損耗為69.30kW，罐體表面溫度為55℃時，熱損耗為52.50kW，減少熱量損耗16.80kW，全年降耗折算標準煤18.08t。分離器保溫效果提升有助于油、氣、水三相分離，燃氣產量增加 230Nm3/d，通過 FPSO 的 LPG（Liquefied Petro leum Gas，液化石油氣）回收生產系統可以將大部分燃氣轉化成液化石油氣；下艙原油含水率典型值（排除其它生產因素的影響） 從2.6%下降到1.8%，減少掃艙量8300m3，原油產品能耗全年降低 20750kW·h，增氣節電全年折算標準煤109.41t，節能降耗效果明顯[4]。

4 結論

4.1 陶瓷隔熱涂料中的陶瓷微珠為空心結構，涂料的氣孔直徑極小, 材料內部含有極多的發射界面與散射微粒, 使得陶瓷隔熱涂料具有良好的隔熱能力。

4.2 與傳統隔熱材料相比，陶瓷隔熱涂料搭配涂裝體系同時具有隔熱與防腐的功能，可以在大風、潮濕環境中長期使用，施工難度小、工期短，特別適合在海上油氣田使用。

4.3 通過實踐證明陶瓷隔熱涂料應用在油氣處理、儲存設備上，可以起到良好的節能降耗作用。