基于硅膠玻璃纖維和鋁箔玻璃纖維耐高溫對比研究

邢志彪(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引言

隨著石油資源的日益緊張，高效開發和有效利用石油、天然氣已成為解決國家能源需要的重要舉措。而石油天然氣的開采屬于高危行業，在生產過程中，雖然已事先進行必要的地下情況預測、井控措施的制定，但由于地下儲層層間變化，仍然會經常出現井涌、井噴失控、爆炸、著火等突發事件，在產生巨大經濟損失的同時，也給生態環境、人生安全和社會穩定造成巨大影響。搶裝井口作業器為井控輔助設備，主要用于當井噴發生并起火時，能在短時間內實現新井口的安裝。隨著海洋石油大開發的不斷深入，海上平臺數量不斷增加，各類事故隱患也會越來越多，為解決井口發生井噴且防噴器失效，要進行帶火搶裝新井口。海上自走式遙控搶裝井口作業器工作環境惡劣，環境溫度不低于750 ℃，而常規碳素鋼、低合金鋼金屬材料在溫度超過400 ℃時強度會急劇下降，并出現蠕變現象。為保證鋼結構件在此高溫、高熱輻射工作環境中保持足夠的穩定性，大型關鍵結構件需采用高溫防護材料進行結構防護，并進行對比分析開展防火耐溫材料的技術研究，對保障海洋石油安全開發具有指導意義[1]。

1 試驗材料的選擇

選取了3種高溫耐火防護材料，分別為硅膠玻璃纖維防護管、鋁箔玻璃纖維防護布、高硅氧纖維防護布進行耐高溫防護試驗。材料性能如下：(1)硅膠玻璃纖維。該材料持續耐高溫300 ℃，1 060 ℃下耐高溫可持續5～10 min，1 650 ℃耐高溫可持續30 s；內層白色玻璃纖維耐高溫610 ℃，外側紅色有機硅膠耐高溫350 ℃。該防護管主要用于對氣控系統、冷卻系統中的硬管線及軟管線進行防護。(2)鋁箔玻璃纖維防護布。耐溫范圍550 ℃，可以反輻96%的熱能量，主要特點是保溫、減少對流、傳導和輻射的熱量損失、隔熱、防反射和防輻射熱等。(3)高硅氧纖維防護布。通過酸洗時SiO2含量達到96%，是完全不燃燒的耐高溫無機纖維。軟化點接近1 650 ℃，可長期在900～1 000 ℃環境下使用，1 450 ℃條件下工作10 min，1 600 ℃條件下工作15 s。該材料主要用于對結構件進行包裝防護。

2 耐高溫防護試驗

2.1 硅膠玻璃纖維防護管對膠管的耐高溫防護試驗

采用兩段硅膠耐高溫防護管，分別包裹在長度2 m、直徑φ25 mm 高壓耐火軟管和25Ⅱ膠管外側，并用鐵絲捆軋牢固，其中一端用高硅氧纖維防火布包扎；兩根管子分別放置在工裝架上，兩端抬起，內部灌滿水，將熱電偶探頭從高壓耐火軟管和25Ⅱ膠管另一端插入，插入深度約為管長一半，并用高溫石棉封堵。開啟熱處理爐，爐溫850 ℃，將管子連同工裝一起放入熱處理爐中，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度計讀取管內水溫，爐門半關。從管子放入爐內開始計時，每30 s 讀取一次數據，測試時間共9 min。試驗數據如圖1所示，防火試驗如圖2所示[1]。

由圖2可知，硅膠耐高溫防護管表面立即起火。試驗后將試驗材料全部取出，觀察硅膠耐高溫防護管情況。硅膠耐高溫防護管外層硅膠已基本燒損，內部網狀保溫棉完好；高壓耐火軟管表面硅膠小面積燒損，內部完好；25Ⅱ膠管表面燒損較嚴重[2]。

2.2 鋁箔防火布對金屬管的耐高溫防護試驗

圖1 硅膠玻璃纖維防護管對膠管的防護

圖2 850 ℃耐高溫試驗中的硅膠玻璃纖維防護管

切割一段2 m 耐高溫玻璃纖維鋁箔防火布，包裹在2 m 長的φ83×10/20 無縫管外側，包裹層數為1 層，將一個熱電偶探頭包裹在無縫管外表面，另一個熱電偶探頭放置在無縫管內部，熱電偶插入深度約為管子的一半，防護管用鐵絲捆扎牢靠，探頭固定可靠，并用高溫石棉封堵。防護好的無縫管放置在工裝架上。爐溫400 ℃時，將管子連同工裝一起放入熱處理爐中，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度顯示計，爐門半關。從管子放入爐內開始計時，每30 s 讀取一次數據，熱處理爐同時按設計溫度繼續升溫。總試驗時間50 min，最終爐溫800 ℃。因數據采集較多，以圖的形式顯示，如圖3所示。試驗后將試驗材料取出，觀察鋁箔防火布。靠近爐內側的地方防火布外表面鋁箔局部燒損，未燒損的地方鋁箔層剝離[3]。

圖3 鋁箔防火布對金屬管的耐高溫防護試驗

2.3 高硅氧纖維防護布耐高溫防護試驗

切割一段2 m 硅膠耐高溫防護管，包裹在2 m 長的φ83×10/20無縫管外側，將一個熱電偶探頭包裹在無縫管外表面，另一個熱電偶探頭放置在無縫管內部，熱電偶插入深度約為管子的一半，然后防護管用鐵絲捆扎牢靠，探頭固定可靠，并用高溫石棉封堵。防護好的無縫管放置在工裝架上。爐溫400 ℃時，將管子連同工裝一起放入熱處理爐中，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度顯示計，爐門半關。從管子放入爐內開始計時，每30 s 讀取一次數據，熱處理爐同時按設計溫度繼續升溫，如圖4所示。試驗后將試驗材料全部取出，觀察硅膠耐高溫防護管情況。硅膠外層已基本燒損，內部網狀保溫棉完好[2]。

2.4 耐火試驗

2.4.1 高壓耐火軟管耐火試驗

圖4 高硅氧纖維防護布耐高溫防護試驗

鍛造天然氣爐爐溫設定850℃，并升至850 ℃保溫，備用。將2 m 高壓耐火軟管放置在工裝架上，兩端抬起，內部注滿水，一端內部插入熱電偶探頭，插入深度為軟管一半，兩端用高溫棉封堵。將管子連同工裝一起放入爐中，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度顯示計。從管子放入爐內開始計時，每30 s讀取一次數據，采集耐火軟管內部水溫。如表1數據顯示，210 s之內可以保持內部80 ℃以下。試驗后將試驗材料取出，觀察高壓耐火軟管，外表面硅膠已經完全燒損，內部材質基本完好。

表1 高壓耐火軟管耐火試驗(實測內部水溫)

2.4.2 鋁箔防火布耐火試驗

切割一段2 m 耐高溫玻璃纖維鋁箔防火布，包裹在2 m 長的φ83×10/20 無縫管外側，包裹層數為1 層，將一個熱電偶探頭包裹在無縫管外表面，另一個熱電偶探頭放置在無縫管內部，防護管用鐵絲捆扎牢靠，探頭固定可靠，并用高溫石棉封堵。將包裹好的無縫管放入天然氣爐內，熱電偶探頭另一端伸出爐門外用于連接電子溫度顯示計。從管子放入爐內開始計時，每30 s 讀取一次數據，如表2所示。試驗后將試驗材料取出，觀察鋁箔防火布，火焰噴射較大的地方防火布外表面鋁箔已完全燒損[3]。

表2 鋁箔防火布耐火性能測試

3 結語

通過對比試驗可知：(1)硅膠玻璃纖維防護管、鋁箔玻璃纖維防兩種材料防護管內溫度兩者差別很小，且升溫趨勢一致(2)管外溫度上高硅氧纖維防火布的防火性及絕熱性優于鋁箔防火布。(3)試驗后將試驗材料取出，觀察高硅氧纖維防火布外形基本完整，但纖維存在脆化現象。