Учебное пособие 800525

УДК 536.24

Т.И. Занина, аспирант; Д.А. Коновалов, к.т.н.

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Аннотация: в настоящей работе рассмотрены основные преимущества применения высокопористых ячеистых материалов в системах охлаждения энергоустановок

Ключевые слова: тепловая защита, теплоотдача, пористое охлаждение, высокопористые ячеистые материалы

Необходимость в использовании тепловой защиты в энергоустановках появляется вследствие увеличения их мощностей и, соответственно, увеличения теплонапряженности поверхностей. В условиях взаимодействия материалов с высокотемпературными потоками возникает потребность отвода теплоты при помощи систем охлаждения, которые осуществляют интенсивный теплообмен между охлаждаемой поверхностью и охладителем. На практике обычно в качестве охладителей используются жидкости: вода, спирт и т.д. Водород также может использоваться в системах охлаждения, однако его применение ограничено, поскольку этот газ является взрывоопасным. При высоких температурах в качестве охладителей могут применяться расплавленные металлы (натрий, литий) [1].

Так вопросам применения и усовершенствования теплозащитных систем в современных исследованиях уделяется особое внимание.

Одним из эффективных и перспективных способов тепловой защиты энергоустановок является пористое транспирационное охлаждение. Оно реализуется при прохождении теплоносителя через пористую матрицу материала, нанесённого на охлаждаемую поверхность. В данном случае значительно изменяется характер теплообмена: тепло от стенки посредством теплопроводности передаётся при помощи каркаса пор охладителю за счёт интенсивного внутрипорового теплообмена. Пористая структура имеет развитую внутреннюю поверхность, что обеспечивает высокую интенсивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим через неё теплоносителем [2]. Такая система охлаждения может приме-

41

няться, к примеру, в качестве тепловой защиты теплонапряженных участков лопаток газовых турбин, элементов статора и ротора турбины.

Величина, характеризующая проницаемость пористого материала, называется пористостью. Пористость показывает отношение объёма пустот к полному объёму тела, обозначается символом П. Для использования в теплозащитных системах, пористый материал должен обладать максимальной и достаточно равномерной проницаемостью для охладителя, а также быть достаточно прочным. Обычно пористые материалы, применяемые в теплозащитных системах, получают прессованием или спеканием порошков из чистых металлов (нержавеющая сталь, вольфрам, никель) со сферическими частицами суммарной пористостью около 30–40 %. При создании пористой структуры с использованием керамики, карбидов можно получить пористость до 60 %. Причём теплопроводность каркаса пор малой и средней пористости значительно влияет на коэффициент внутрипортового теплообмена V , характеризующий интенсивность теплооб-

мена между каркасом матрицы и охладителем [3].

Однако применению пористых материалов малой и средней пористости всегда характерно увеличение потерь давления охладителя при его течении через матрицу вдоль охлаждаемой стенки. Как следствие, для преодоления возникающего гидравлического сопротивления необходимо увеличивать расход охладителя, что сопровождается ростом перепада давления и дополнительными потерями энергии. Возникает задача создания пористой системы охлаждения с приемлемыми гидравлическими потерями.

Одним из видов пористых материалов, которые сочетают проницаемость и прочность, являются высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ). Пористость высокопористых материалов составляет около 85–95 %. Такие структуры можно получить из различных металлов с размерами ячеек от 0,5 до 5,0 мм. Один из множества способов получения ВПЯМ заключается в нанесении на матрицу из пенополиуритана металлического слоя и последующей термической обработке [4]. Структура высокопористого ячеистого материала и единичной ячейки показаны на рисунке 1. Доля твёрдого каркаса в таких материалах может составлять от 15 до 2–3 %.

Высокопористые структуры обладают низкой теплопроводностью каркаса, поскольку процентное содержание металла по отношению к пустотам мало. По этой причине ослабляется роль коэффи-

42

циента внутрипорового теплообмена и для оценки интенсивности теплообмена в ВПЯМ применяется эффективный поверхностный коэффициент теплоотдачи, определяемый на границе «пористый слой – непроницаемая стенка» (рис.).

Рис. Структура ВПЯМ

Вданном случае теплосъём жидкостью производится со стенки охлаждаемой поверхности в пристенных порах, а определяющей является конвективная составляющая. Тепло передаётся вглубь высокопористого слоя жидкостью за счёт эффективной теплопроводности жидкости, а не за счёт теплопроводности каркаса. ВПЯМ играют роль турбулизатора, интенсификация теплообмена происходит посредством интенсивного перемешивания жидкости в порах.

Вработе [3] показано, что интенсификация теплообмена падает

сувеличением пористости материала. Однако применение ВПЯМ в теплозащитных системах позволяет интенсифицировать теплоотдачу в 3–30 раз по сравнению с гладкой стенкой при незначительных гидравлических потерях в сравнении с пористыми материалами малой и средней пористости.

Определить потери давления при фильтрации жидкости через пористый материал можно по формуле:

где и – вязкостный и инерционный коэффициенты.

Эти коэффициенты определяются экспериментально [5].

Для высокопористых материалов вязкостный и инерционный коэффициенты имеют зависимость от диаметра пор. Обобщённые результаты коэффициентов и для ВПЯМ со значением П, рав-

ным 0,8…0,93 имеют в соответствии с [6] следующий вид:

43

где dп – диаметр пор.

Нетрудно заметить, что для ВПЯМ с размерами пор от 0,5 до 5,0 мм коэффициенты, характеризующие потери давления при фильтрации жидкости, ниже на несколько порядков, в отличии от структур малой и средней пористости.

Таким образом, высокопористые ячеистые материалы являются перспективными в их использовании в теплозащитных системах энергоустановок, поскольку обеспечивают интенсивный теплосъём с поверхности в условиях незначительных потерь давления при фильтрации охладителя в сравнении с пористыми структурами малой и средней пористости.

Литература 1. Полежаев, Ю.В. Тепловая защита / Ю.В. Полежаев, Ф.Б. Юре-

вич. – Москва: Энергия, 1976. – 392 с.

2. Белов, С.В. Пористые проницаемые материалы: справочное издание / С.В. Белов, П.А. Витязь, В.К. Шелег и др.; под ред. С.В. Белова. – Москва: Металлургия, 1987. – 335 с.

3.Попов, И.А. Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах. Интенсификация теплообмена: монография / И.А. Попов; под ред. Ю.Ф. Гортышова. – Казань: Центр инновационных технологий, 2007. – 240 с.

4.Анциферов, В.Н. Высокопористые проницаемые материалы / В.Н. Анциферов, В.Д. Храмцов, В.А. Васин // Конструкции из композиционных материалов. – 2003. – №1. – С. 4–14.

5.Поляев, В.М. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов / В.М. Поляев, В.А. Майоров, Л.Л. Васильев. – Москва: Машиностроение, 1988. – 168 с.

6.Майоров, В.А. Пористые теплообменные элементы – классификация, конструкция, применение / В.А. Майоров, Л.Л. Васильев, В.М. Поляев // Инженерно–физический журнал. – 1984. – Т. 47. –

№3. – С. 499−513.

Воронежский государственный технический университет

44

УДК 693.554.2

Р.С. Дударев, студент; Д.А. Базыкин, студент

ПРИМЕНЕНИЕ АРМАТУРНЫХ БЛОКОВ ПОДАЧИ ИНГИБИТОРА НА ГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ СЕРОВОДОРОДА

Аннотация: в статье рассматривается способ подачи ингибитора коррозии в устье газовых скважин с высоким содержанием сероводорода, а также принцип действия и конструкция устройства, предназначенного для осуществления данного технологического процесса

Ключевые слова: ингибитор, коррозия, арматурный блок, фильтр, клапан

Применение ингибиторов – один из самых эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах. Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от латинского «inhibere», что означает сдерживать, останавливать. Ещё по данным 1980 года, число известных науке ингибиторов составило более пяти тысяч. Ингибиторы дают народному хозяйству немалую экономию [1].

Ингибирующее воздействие на металлы, прежде всего на сталь, оказывает целый ряд неорганических и органических веществ, которые часто добавляются в среду, вызывающую коррозию. Ингибиторы имеют свойство создавать на поверхности металла очень тонкую пленку, защищающую металл от коррозии.

Ингибиторы в соответствии с Х. Фишером можно сгруппировать следующим образом.

1)экранирующие, то есть покрывающие поверхность металла тонкой пленкой. Пленка образуется в результате поверхностной адсорбции. При воздействии физических ингибиторов химических реакций не происходит;

2)окислители (пассиваторы) типа хроматов, вызывающие образование на поверхности металла плотно прилегающего защитного слоя окисей, которые замедляют протекание анодного процесса. Эти слои не очень стойки и при определенных условиях могут подвергаться восстановлению. Эффективность пассиваторов зависит от толщины образующегося защитного слоя и его проводимости;

45

3) катодные – повышающие перенапряжение катодного процесса. Они замедляют коррозию в растворах неокисляющих кислот. К таким ингибиторам относятся соли или окислы мышьяка и висмута.

Эффективность действия ингибиторов зависит в основном от условий среды, поэтому универсальных ингибиторов нет. Для их выбора требуется проведение исследований и испытаний.

Наиболее часто применяются следующие ингибиторы: нитрит натрия, добавляемый, например, к холодильным соляным растворам, фосфаты и силикаты натрия, бихромат натрия, различные органические амины, сульфоокись бензила, крахмал, танин и т. п [2]. Поскольку ингибиторы со временем расходуются, они должны добавляться в агрессивную среду периодически. Количество ингибитора, добавляемого в агрессивные среды, невелико. Например, нитрита натрия добавляют в воду в количестве 0,01–0,05 %.

Ингибиторы подбираются в зависимости от кислого или щелочного характера среды. Например, часто применяемый в качестве ингибитора нитрит натрия может использоваться в основном в щелочной среде и перестает быть эффективным даже в слабокислых сре-

дах [3].

Блок арматурный подачи ингибитора (далее – блок) предназначен для дозирования ингибитора коррозии при его непрерывной подаче в устье газовой скважины.

Блок размещается на наружной площадке устья скважины в непосредственной близости от фонтанной арматуры.

Блок применяется для эксплуатации на сероводородсодержащих скважинах газоконденсатных месторождений.

Общий вид блока показан на рис. 1. Блок состоит из:

–рамы;

–агрегата дозировочного герметичного (далее – насоса) с электродвигателем, с системой отвода утечек, с датчиками контроля вибрации и температуры обмоток электродвигателя;

–фильтра;

–основной емкости 2 м3;

–клапана дыхательного;

–обвязочного трубопровода и арматуры;

–расходомера ингибитора;

–преобразователя давления, сигнализаторов уровня во взрывозащищенном исполнении и показывающего манометра;

–предохранительного клапана;

46

–ответного фланца, крепежа, прокладки к присоединяемому трубопроводу;

–шкафов электрооборудования, один из которых имеет программируемый логический контроллер.

Блок поставляется в полной заводской готовности и обеспечивает:

–легкость и быстроту монтажа и ремонта;

–удобство подключения трубопроводов;

–удобство обслуживания.

Блок и его составные части ремонтопригодны.

Рис. 1. Общий вид арматурного блока подачи ингибитора

47

Восновании блок имеет раму для крепления его на фундамент,

сотверстиями под фундаментные болты. На раме установлены элементы для захвата её грузоподъемными механизмами. Слева от насоса на раме смонтирован бак для сбора утечек, возможных при прорыве сильфона, находящегося в головке насоса. На рис. 2 представлена гидравлическая схема арматурного блока подачи ингибитора.

Рис. 2. Гидравлическая схема арматурного блока подачи ингибитора: АК1 – демпфер; Б1 – бак; Б2 – бак утечек; БРС1, БРС2 – быстроразъемные соединения; ВН1, ВН2, ВН3, ВН4, ВН5 – клапан запорный игольчатый; ВН6 – задвижка клиновая; ВР1 – датчик давления; КД1 – клапан дыхательный; КП1 – клапан предохранительный; КШ1, КШ2, КШ3, КШ4, КШ5 – клапан шаровой; МН1 – манометр; Н1 – насос с частотным преобразователем; Н2 – насос ручной; Р1 – расходомер; ПМ1 – плотномер; УУ1, УУ2, УУ3, УУ4 – указатель уровня; Ф1, Ф2 – фильтр

48

На раме блока, в его верхней части установлены шкафы электрооборудования.

Для предотвращения аварий от превышения давления нагнетания, установлен предохранительный клапан КП1 до запорной арматуры.

Для исключения пульсации потока жидкости и поддержания постоянного давления установлен мембранный пневмогидроаккумулятор АК1.

На входном трубопроводе установлен фильтр Ф1 с тонкостью очистки 80 мкм, т.к. величина зерна твердой неабразивной фазы не должна превышать 90 мкм в соответствии с паспортными данными указанного выше плунжерного насоса.

Рама, изготовлена из швеллера углеродистой стали, общей высотой не менее 300 мм, и покрыта лакокрасочным покрытием. Покрытие термоизносостойкое и антикоррозионное.

Для автоматического управления насосом, в блоке установлен датчик давления BP 1, обеспечивающий включение и отключение насоса при заданных уставках давления.

Основная емкость заполняется рабочей жидкостью до отметки «МАХ». Контроль уровня жидкости осуществляется при помощи уровнемера (УУ1), передающего сигнал на пульт АСУ ТП.

По сформированной команде с панели шкафа управления блока или пульта оператора АСУ ТП, команда поступает в шкаф управления насосом, который изменяет частоту вращения вала электродвигателя насоса. Поток жидкости, протекающий через трубопровод блока, проходит через датчик расхода Р1. Выходные сигналы с датчика поступают в контроллер шкафа управления блока, где происходит их обработка и архивация, а также передача данных в АСУ ТП о параметрах давления, текущего и суммарного расхода ингибитора, наличия его в емкости. В случае несоответствия фактического расхода ингибитора заданным значениям, контроллер выдает команды на исполнительные устройства блока для изменения текущего значения расхода.

При работе насоса на малых значениях расхода контроллер блока производит уменьшение хода плунжера насоса по алгоритму, рекомендованному изготовителем насоса, в автоматическом режиме.

Давление ингибитора в линии нагнетания блока визуально контролируется по манометру МН1.

49

Задвижка клиновая ВН4 с ручным приводом при работе блока всегда находится в полностью открытом положении.

Режимы работы блока:

–местный, ручной с панели управления контроллера (ПУ);

–с пульта оператора (ПО) АСУ ТП.

Активация местного ручного режима управления выполняется при выборе пуско–наладочного режима работы с помощью кнопок панели управления [4].

При работе в ручном режиме, управление блоком с пульта оператора АСУ ТП заблокировано. Сигнал режима работы будет отображаться на пульте оператора АСУ ТП.

Литература

1.Глазов, Н.П. Повышение эффективности противокоррозионной защиты стальных трубопроводов / Н.П. Глазков // Защита металлов. – 2001. – Т. 37. – № 5. – С. 464–470.

2.Цыганкова, JI.E. Ингибиторы коррозии металлов / Л.Е. Цыганков – Тамбов: Изд–во ТГУ, 2001. – 188 С.

3Мельников, В.Г. Современное состояние, научные и практические аспекты разработки ингибиторов коррозии для газопроводов, коммуникаций заводов и месторождений с высоким содержанием сероводорода. / В.Г. Мельников. – М.: ОАО «Газпром», 1999. – 68 С.

4Хазанджиев, С.М. Теоретические исследования коррозии в условиях влажного природного газа, содержащего сероводород и углекислый газ / С.М. Хазанджиев. – М.: ОАО «Газпром», 2000. – 83 С.

Воронежский государственный технический университет

50