RU2535800C2

RU2535800C2 - Конструктивные элементы для применений при разведке нефти, газа, переработке нефти и в нефтехимии

Info

Publication number: RU2535800C2
Application number: RU2011146336/05A
Authority: RU
Inventors: Эдвин Г. НИККОЛС; Эндрю О'КОННОР; Гжегож Ян КУСИНСКИЙ
Original assignee: ШЕВРОН Ю. Эс. Эй. ИНК.
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2014-12-20
Also published as: AU2010236259A2; CN102448720A; WO2010121143A3; US9016324B2; EP2419271A4; AU2010236259A1; CN102448720B; AU2010236259B2; KR20120007052A; RU2011146336A; US20100263195A1; US20100263761A1; CA2758971A1; US20100266788A1; WO2010121143A2; EP2419271A2; US9284227B2

Abstract

Заявленное изобретение относится к конструктивным элементам для использования при разведке нефти, газа, при переработке нефти и в нефтехимии. Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение коррозионной и теплостойкости конструктивных элементов из композиционных материалов. Технический результат достигается в конструктивном элементе для размещения коррозионных нефтепродуктов, который содержит конструктивный слой, содержащий композиционный материал, коррозионно-стойкий слой для контакта с коррозионными нефтепродуктами и огнестойкий слой. Причем коррозионно-стойкий слой содержит материал, выбранный из группы аморфных металлов, керамических материалов и термопластичных материалов. А огнестойкий слой, имеет теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C. При этом конструктивный элемент имеет время прогорания более 5 минут. 5 н. и 19 з.п. ф-лы, 13 ил., 2 пр.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в общем относится к использованию материалов с улучшенными свойствами, например, композиционных материалов, металлокерамических покрытий, аморфных металлов, коррозионно-стойких материалов, термостойких покрытий и т.д. при разведке нефти и газа, и в применениях при переработке нефти и в нефтехимии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно, что нефтепродукты, например, газообразные и жидкие углеводородные продукты, содержат или имеют связанные с ними коррозионные вещества, такие как двуокись углерода, сероводород, хлориды и т.д. Водосодержащие жидкости, такие как используемые при бурении и вскрытии пласта, могут выделять соли, амины, кислоты или другие загрязняющие вещества, что вызывает появление у жидкостей коррозионных свойств. Сырые нефтепродукты с высоким содержанием органической кислоты, такие как сырые нефтепродукты, содержащие нафтеновые кислоты, являются коррозионными для оборудования, используемого для добычи, транспортировки и переработки нефти. Газы, такие как хлористый водород, двуокись углерода и сероводород, в условиях присутствия воды образуют среды с высокой кислотностью, воздействию которых подвергаются металлические поверхности. Кроме того, образующиеся естественным путем и синтетические газы часто очищаются за счет обработки поглощающими кислотными газами, например, двуокисью углерода и сероводородом. Распад поглотителя и кислотных составляющих наряду с генерированием побочных продуктов, приводит к коррозии металлических поверхностей.

Кроме возникновения коррозии при работе с нефтепродуктами существует риск утечки и связанные с ним вопросы пожарной защиты и огнестойкости. Потеря герметизации в любой части трубопроводной системы может привести к возникновению высокой температуры, сильного теплового потока, пламени с высокой скоростью распространения, часто называемого «струйным горением». При появлении струйного горения могут иметь место, в зависимости от природы горения, экстремальные плотности теплового потока совместно с высокими температурами. В случае горения, включающего возгорание твердых видов топлива (что маловероятно в большинстве операций переработки углеводородов) температура пламени постоянно возрастает и может составлять около 900°C через 60 минут, приблизительно 1050°C через 120 минут и до 1150°C через 240 минут. Плотность теплового потока может достигать до 100 кВт/м². Для сравнения при пожарах разлития углеводородов рост температуры может быть более быстрым, а температура в 1150°C может достигаться уже через 20 минут при плотности теплового потока в 225 кВт/м². При струйном горении, когда природный газ и различные конденсаты горят при высоком давлении, температура может за секунды возрастать до 1300-1400°C при плотности теплового потока, достигающей до 500 кВт/м².

Для защиты от коррозии в нефтегазовой промышленности могут использоваться различные методики, включая периодический текущий контроль и плановую замену оборудования, ингибиторы коррозии и улучшение качества материалов оборудования. Нефтедобывающие компании выбирают соответствующую методику или комбинацию подходов, в зависимости от происхождения, сложности и предсказуемости коррозии, вероятности и последствий отказа оборудования и возможности осуществления текущего контроля и замедления коррозии. Каждая из методик имеет свои риски и недостатки. Часто невозможно с высокой степенью достоверности осуществлять текущий контроль и планировать график замены для оборудования. Использование ингибиторов может иметь непредусмотренные побочные эффекты, такие как распространение коррозии на другие участки технологического процесса или возможное возникновение определенных проблем в отношении окружающей среды. Если причина коррозии в точности неизвестна или коррозия имеет несколько причин, или же коррозия изменяется вместе с изменениями технологического процесса, то выбор антикоррозионного материала затруднен и почти всегда является очень дорогостоящим.

В нефтегазовой промышленности используются дорогостоящие стали и сплавы, например, нержавеющая сталь, высоколегированные сплавы на основе никеля и другие материалы. Как известно, циклическое температурное воздействие или тепловое смещение в высокотемпературных нефтегазовых применениях влияет на конструктивные элементы, включающие в себя металлы. Коррозионно-стойкие фторполимерные пластики, такие как тефлон, могут использоваться в качестве защитного внутреннего покрытия в металлической трубопроводной системе. Однако металлические трубопроводные системы с покрытием могут разрушаться за счет различия в физических свойствах покрытия и металлической трубы (например, различия в вязкоупругих свойствах за счет циклического температурного воздействия). Тефлоновый фторполимерный пластик имеет коэффициент теплового расширения, который в широком диапазоне температур в десять раз больше, чем для углеродистой стали, но при температуре 21°С он больше в 75 раз. Тефлоновый фторполимерный пластик имеет модуль упругости от 58 до 80 MПa по сравнению с углеродистой сталью с модулем упругости равным 190000 MПa - 210000 MПa.

Поскольку композиционные неметаллические материалы обеспечивают улучшенную коррозионную стойкость и сниженные требования по техническому обслуживанию, они используются в качестве замены для дорогостоящих сталей и сплавов. Однако, если конструктивные элементы, включающие в себя неметаллические композиционные материалы, нагреваются до их воспламенения или до температур поддержания горения за счет теплопередачи от близкого пламени, то материалы воспламеняются и/или поддерживают горение, теряют конструктивную целостность и выделяют при горении большие количества дыма. Кроме того, неметаллические материалы должны выдерживать не только температуры и давления, встречающиеся в применениях для нефтегазовой промышленности, но также должны выдерживать растворяющие, вызывающие хрупкость и прочие потенциально разрушающие свойства углеводородов и загрязняющих веществ, содержащихся в технологических потоках.

Существует постоянная потребность в усовершенствованных конструктивных элементах с коррозионно-стойкими и огнестойкими свойствами для использования при переработке нефтепродуктов. Изобретение относится к конструктивному элементу, например, трубопроводной системе, сочетающей в себе комбинированные свойства композиционных материалов, коррозионно-стойких материалов и теплозащитных покрытий для использования в применениях для нефтегазовой промышленности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним из аспектов изобретения создан конструктивный элемент для размещения коррозионных нефтепродуктов. Конструктивный элемент содержит конструктивный слой, содержащий композиционный материал, коррозионно-стойкий слой для контакта с коррозионными нефтепродуктами, содержащий аморфный металл, и огнестойкий слой, имеющий теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C, причем конструктивный элемент имеет время прогорания больше 5 минут. В одном из вариантов изобретения сплав аморфного металла представляет собой аморфный сплав с объемным затвердеванием. В другом варианте изобретения аморфный металл выбирается из группы аморфных окислов металла, аморфных карбидов металла, аморфных карбидов-нитридов металла, аморфных нитридов кремния и их сочетания. В еще одном варианте изобретения конструктивный элемент удовлетворяет уровню II стандарта по пределу огнестойкости в соответствии с протоколом испытаний на огнестойкость IMO A 18/Res.753.

В соответствии с одним из аспектов изобретения предлагается конструктивный элемент для размещения коррозионных нефтепродуктов. Конструктивный элемент включает в себя конструктивный слой, содержащий композиционный материал, коррозионно-стойкий слой для контактирования с коррозионными нефтепродуктами, содержащий керамический материал, огнестойкий слой, имеющий теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C, причем конструктивный элемент имеет время прогорания больше 5 минут. В одном из вариантов изобретения слой композиционного материала имеет модуль изгиба менее 9000000 фунт/кв. дюйм (62,010 ГПа). В другом варианте изобретения конструктивный элемент имеет время прогорания больше 15 минут.

В соответствии с одним из аспектов изобретения создан способ обеспечения коррозионной и огнестойкой защиты для конструктивного элемента. Конструктивный элемент предназначен для размещения коррозионных нефтепродуктов и содержит конструктивный слой, имеющий противоположную первую поверхность и вторую поверхность. Способ включает в себя следующие стадии: нанесение на первую поверхность материала, выбранного из группы, состоящей из керамики, аморфных металлов и их сочетания, образование коррозионно-стойкого слоя в контакте с коррозионными нефтепродуктами, и нанесение на вторую поверхность достаточного количества огнестойкого материала, имеющего теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C, для покрытия огнестойким слоем с достаточной толщиной конструктивного элемента, позволяющей удовлетворить требования уровня II стандарта по пределу огнестойкости в соответствии с протоколом испытаний на огнестойкость IMO A 18/Res.753. В другом варианте изобретения конструктивный элемент имеет на 30% более длительную защиту в испытательной процедуре струйного горения OTI 95634 датированной 1996 г., чем конструктивный элемент без покрытия огнестойким слоем.

В соответствии с одним из аспектов изобретения создана трубопроводная система для размещения коррозионных нефтепродуктов. Система состоит из, по меньшей мере, двух трубопроводных секций, причем каждая трубопроводная секция включает в себя конструктивный слой, содержащий композиционный материал, коррозионно-стойкий слой для контактирования с коррозионными нефтепродуктами и содержащий термопластичный материал, и огнестойкий слой, имеющий теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C, причем, по меньшей мере, две трубопроводные секции соединены друг с другом способом сплавления, образуя трубопроводную систему. В одном варианте изобретения трубопроводная система удовлетворяет требованиям уровня II стандарта по пределу огнестойкости в соответствии с протоколом испытаний на огнестойкость IMO A 18/Res.753.

В соответствии с другим аспектом изобретения создана трубопроводная система для размещения коррозионных нефтепродуктов, содержащая, по меньшей мере, две трубопроводные секции, которые соединены друг с другом способом плавления, причем каждая секция содержит конструктивный слой, имеющий теплопроводность менее 0,24 БТЕ-футов/час-футов²-°F (0,357 ккал/(час×м×°С), коррозионностойкий слой для контактирования с коррозионными нефтепродуктами, содержащий термопластичный материал, и огнестойкий слой, имеющий теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C.

В соответствии с одним из аспектов изобретение относится к способу для соединения трубопроводных секций в трубопроводной системе для размещения коррозионных нефтепродуктов, включающий в себя следующие стадии: размещение двух отдельных трубопроводных секций смежно друг с другом, причем каждая трубопроводная секция содержит конструктивный слой, содержащий композиционный материал и коррозионно-стойкий слой для контактирования с коррозионными нефтепродуктами, и огнестойкий слой; приложение энергии для соединения коррозионно-стойких слоев первой и второй трубопроводных секций вместе с образованием соединения, размещение внешней оболочки вокруг соединения первой и второй трубопроводных секций и прикрепление внешней оболочки к данному соединению и конструктивным слоям композиционного материала с помощью, по меньшей мере, одного из химического отверждения и тепловой обработки.

В соответствии с другим аспектом изобретение относится к еще одному способу для соединения трубопроводных секций в трубопроводной системе для размещения коррозионных нефтепродуктов. Способ включает в себя следующие стадии: приложение энергии к краю коррозионно-стойких слоев двух отдельных секций труб в месте их соединения, размещение внешней оболочки вокруг указанного соединения; прикрепление внешней оболочки к соединению и конструктивным слоям композиционного материала с помощью, по меньшей мере, одного из химического отверждения и тепловой обработки и нанесение на внешнюю оболочку и конструктивные слои трубопроводов для трубопроводной системы достаточного количества огнестойкого материала, позволяющего обеспечить соответствие трубопроводной системы уровню II стандарта по пределу огнестойкости в соответствии с протоколом испытаний на огнестойкость IMO A 18/Res.753.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении варианта осуществления конструктивного элемента, содержащего слой композиционного материала и вспенивающийся наружный слой покрытия.

Фиг.2 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении второго варианта осуществления конструктивного элемента, имеющего несколько слоев: слой композиционного материала, промежуточный керамический слой и вспенивающийся наружный слой.

Фиг.3 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении третьего варианта осуществления конструктивного элемента, имеющего несколько слоев: внутренний керамический слой и/или слой аморфного металла, промежуточный слой композиционного материала и наружное вспенивающееся покрытие.

Фиг.4 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении четвертого варианта осуществления конструктивного элемента, имеющего несколько слоев: слой композиционного материала, промежуточный металлический слой и наружное вспенивающееся покрытие.

Фиг.5 представляет собой вид сбоку вертикальной проекции варианта осуществления конструктивного элемента, где перед нанесением вспенивающегося слоя используется слой армирующей сетки.

Фиг.6 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении пятого варианта осуществления конструктивного элемента, имеющего несколько слоев, включая керамический слой и/или слой аморфного металла, слой композиционного материала, металлический слой и вспенивающийся слой (наложенный на слой армирующей сетки, который не показан).

Фиг.7 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении шестого варианта осуществления конструктивного элемента, имеющего несколько слоев, включая корозионно-стойкий слой термопластичного материала, слой композиционного материала и огнестойкий изолирующий слой.

Фиг.8 представляет собой вид сбоку в поперечном сечении седьмого варианта осуществления конструктивного элемента с наложением вспенивающегося слоя на конструктивный элемент на фиг.7 в качестве дополнительного огнестойкого слоя.

Фиг.9 представляет собой вид сбоку в разрезе горизонтальной проекции варианта осуществления соединения между двумя секциями трубопроводных сегментов, с соединением коррозионно-стойких слоев отдельных сегментов способом плавления.

Фиг.10 представляет собой схематическое поперечное сечение наружной части соединения на фиг.9 с соединением слоев двух композиционных материалов трубопроводных секций с помощью наружной оболочки из волокна.

Фиг.11 представляет собой графическое построение изменения в температуре внутренней части трубопровода как функции времени при воздействии принудительной температуры на наружном диаметре.

Фиг.12 представляет собой график, показывающий изменение температуры еще одного трубопровода после воздействия принудительной температуры на наружном диаметре как функции радиуса (от внутреннего диаметра до наружного диаметра).

Фиг.13 представляет собой график, показывающий изменение температуры внутренней части трубопровода на фиг.12 как функции времени.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Если иное не оговорено, в подробном описании будут использоваться перечисленные ниже термины.

Термин «нефтепродукты» относится к природному газу, природным и синтетическим жидким углеводородным продуктам, включая, но не ограничиваясь перечисленным, биодеградированные виды нефти, сырые виды нефти, продукты нефтепереработки, включая бензин, другие виды топлива и растворители, а также полутвердые/твердые углеводородные продукты, включая, но не ограничиваясь перечисленным, битуминозный песок, битум и т.д.

Термин «конструктивные элементы» относится к трубопроводам, трубам, камерам, реакторам, технологическому оборудованию, включая, но не ограничиваясь перечисленным, ректификационные колонны, теплообменники и т.п. для использования в нефтегазовой и нефтехимической промышленности. В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент позволяет вмещать нефтепродукты.

Термин «конструктивный слой» относится к слою, который создает или обеспечивает конструктивную опору для конструктивного элемента.

Термин «коррозионно-стойкий слой» относится к слою конструктивного элемента, находящемуся в контакте с нефтепродуктами. Коррозионно-стойкий слой служит для уменьшения и/или подавления общей коррозии и эрозионной коррозии за счет содержащихся внутри нефтепродуктов.

Термин «огнестойкий слой» относится к слою, который защищает конструктивный элемент в течение указанного периода времени в случае пожара.

Термин «размещать» (или содержащий или содержание) означает использование в обстановке, где используются нефтепродукты, или в контакте с нефтепродуктами, что включает в себя транспортировку, переработку, погрузку-разгрузку, хранение, доставку и удержание нефтепродуктов на постоянной, случайной или прерывистой основе.

Термин «толщина» относится к усредненной толщине слоя материала параллельно поверхности основы, на которую наносится материал.

Термин «керамический» относится к материалу, который содержит керамический материал или имеет свойства керамического материала, например, алюминид, со свойствами как керамики, так и металла.

Термин «композиционный» материал относится к разработанному материалу, изготовленному из двух или большего количества образующих его материалов с различными физическими и химическими свойствами, и который остается отдельным и различимым на макроскопическом уровне в пределах законченной конструкции. В одном из вариантов изобретения слой композиционного материала содержит волоконный материал в матрице, например, армированный волокном керамический матричный композиционный материал или металлический матричный композиционный материал с армированием волокном в металлической матрице или стекловолоконный материал в стеклокерамическом композиционном материале и т.д.

Термин «аморфный металл» относится к материалу из металла с неупорядоченной структурой на атомном уровне. Этот термин может иногда использоваться попеременно с терминами «металлическое стекло» или «стеклянный металл» или «объемное металлическое стекло» для аморфных металлов, имеющих аморфную структуру в толстых слоях свыше 1 мм.

Термин «вспенивающийся» относится к материалам, которые подвергаются тепловому разрушению при воздействии повышенных температур и образуют при этом теплоустойчивый вспененный многоячеистый остаток, называемый «вспененный уголь».

Термин «сварка плавлением» или «соединение плавлением» относится к способу соединения вместе отдельных секций конструктивного элемента, таких как секции трубопровода без необходимости соединять их (на известном уровне техники), скажем, путем соединения вместе фланцевых секций.

Термин «коррозионные нефтепродукты» относится к применениям в коррозионных условиях окружающей среды или в условиях окружающей среды разрушающей материал в нефтегазовой промышленности или к содержанию коррозионных материалов, включая, но не ограничиваясь перечисленным: углеводороды, содержащие серу, сернокислые, сероводородные, серные, фтористоводородные или хлористоводородные или органические (такие как уксусные, муравьинокислые или органические с высоким молекулярным весом) испарения и конденсаты двуокиси углерода, карбонаты и бикарбонаты, аммиак, амины, имидазолы, их соли и производные, а также хлористые и фтористые соли и кислоты; растворы с высокой кислотностью и высокой щелочностью в нефтяной и газовой среде; водосодержащие виды таких веществ как в кислотном, так и в щелочном диапазоне и в различных формах, таких как H₂S (кислая вода) в нефтяной и газовой среде; углеводороды, включая сырые виды нефти как с низкой, так и с высокой плотностью в градусах АНИ (Американского нефтяного института); переработанные или светлые нефтепродукты, такие как керосин, газойль, мазут и транспортные виды топлива (такие как бензин, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей).

В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент имеет многослойную структуру с самым внутренним слоем, содержащим материал, обеспечивающий коррозионную, абразивную и/или эрозионную защиту, и самым наружным слоем, содержащим огнестойкий материал, например, вспенивающийся материал, за счет его способности выдерживать горение углеводорода в течение ограниченного промежутка времени. Коррозионно-стойкий слой содержит, по меньшей мере, материал, выбранный из группы термопластичных материалов, керамических материалов, керметов, аморфных металлов и объемного металлического стекла/металлических композиционных материалов. Конструктивный слой содержит композиционный материал. Огнестойкий слой содержит, по меньшей мере, один вспенивающийся слой покрытия, изоляционный слой или их сочетание.

Конструктивный слой

В одном из вариантов изобретения, конструктивный слой содержит композиционный материал. Слой композиционного материала используется в качестве основы или опорного слоя для других дополнительных слоев, включая огнестойкий слой и/или коррозионно-стойкий слой.

Толщина слоя композиционного материала изменяется в зависимости от нескольких факторов, включая, но не ограничиваясь перечисленным, следующие факторы: a) тип применения, например, трубопровод для переработки/транспортировки, камеры, системы теплообменников, внутренние узлы камер, такие как тарелки ректификационной колонны и т.д.; б) размер конструктивного элемента: номинальный диаметр трубы равный 0,3048 м или 1,22 м, диаметр резервуара равный 2,438 м и т.д.; в) условия эксплуатации, например, внутреннее давление разрыва и т.д.; и г) местоположение на конструктивном элементе, например, соединение может быть толще, чем стенка. Например, слой композиционного материала может иметь толщину 7 мм для номинального диаметра трубы 25 см по сравнению с толщиной 0,0762-0,127 м для трубы диаметром 1,22 м.

Слой композиционного материала может быть сформирован из одного или нескольких слоев, причем каждый слой, такой как полимер, смола, керамический материал или термопластик, имеет одно или большее число волокон, расположенных в пределах матрицы. Слой композиционного материала может быть образован из одного или нескольких слоев композиционных материалов, где слои могут состоять из одного и того же или из различных композиционных материалов.

В одном из вариантов изобретения материал матрицы слоя композиционного материала представляет собой смолистый материал, выбранный из группы фенольных смол и эпоксидных смол. В другом варианте изобретения материал матрицы представляет собой химический продукт тонкого органического синтеза с превосходными огнестойкими характеристиками, выбранный из группы цианатного эфира, фенольной/полиэфирной смеси, силикона и фталонитрила. В третьем варианте изобретения смоляная матрица представляет собой материал, выбранный из силоксан-модифицированных фенольных смол, фурановых смол и их смесей. В четвертом варианте изобретения смоляной материал представляет собой виниловый эфир.

В одном из вариантов изобретения к смоляному материалу для слоя композиционного материала может быть добавлена сажа, чтобы получить удельное сопротивление порядка 10⁸ Ом/см. Добавка сажи помогает обеспечить статический разряд, который может успешно предотвратить возгорание легковоспламеняющихся нефтепродуктов, содержащихся внутри конструктивного элемента. В другом варианте изобретения для улучшения огнестойких свойств слоя композиционного материала могут использоваться добавки, повышающие огнестойкость, например, гидрат окиси алюминия, имеющиеся на рынке небромированные добавки, повышающие огнестойкость, такие как TSWB компании Avtec.

С целью обеспечения желаемых механических характеристик для конструктивного элемента могут быть выбраны волоконный материал и ориентация в слое (или в слоях) композиционного материала. В одном из вариантов изобретения конструктивный слой композиционного материала содержит приблизительно от 55 до 85 масс.% армирующего волокна исходя из общего веса композиционного материала. Материалы, подходящие для использования в качестве армирующего волокна, конструктивного элемента включают в себя, не ограничиваясь перечисленным, стекло, углерод, керамический материал, полимерные материалы, металлы и сплавы металлов. Примеры включают в себя, не ограничиваясь перечисленным, углерод, стекло, полиамид, полиэфир, бериллий, карбид бериллия, оксид бериллия, сталь, кварц, тантал, титан, оксид алюминия, кремнистый алюминий, алюминий, вольфрам, карбид вольфрама и т.д.

В одном из вариантов изобретения композиционный материал представляет собой металлический композиционный материал армированный волокнами в металлической матрице, причем волокно состоит из аустенитной или дисперсионно-твердеющей стали, или из сплава на основе никеля. Аналогичным образом может использоваться сплав металла, имеющий большую прочность, чем у композиционного материала, который не имеет постоянных повреждений вследствие термомеханической обработки при температурах до 600°C. Волокна могут, например, представлять собой проволоку из Ti, TiAl, FeAl, NiAl или Co. Этот армированный металлическими волокнами композиционный материал содержит слои металла (в виде матрицы) и армирующие слои металла, расположенные попеременно в многослойной структуре. Металлические волокна располагаются в виде рыхлой структуры между слоями металла, а многослойная структура прикрепляется за счет термомеханической обработки.

В одном из вариантов изобретения армирующие волокна содержат структурные волокна и/или гибкие нити. Структурные волокна могут быть образованы из углерода, нейлона, полиэфира, арамида, термопластичного материала, стекла, кевларовых волокон или из других подходящих волоконных материалов. В одном из вариантов изобретения армирующие волокна содержат гибкую нить (плетеные волокна), образованную из нейлона, полиэфира, арамида, термопласта, стекла или других подходящих волоконных материалов. В одном из вариантов изобретения композиционный материал - это виниловый эфир, армированный намоткой стеклянной нити.

В одном из вариантов изобретения композиционный материал содержит в качестве армирующих волокон керамический материал. В одном из вариантов изобретения керамическое волокно содержит материал, выбранный из группы в составе аморфного бора, карбида бора, нитрида бора, аморфного углерода, алмазоподобного углерода, боридов, карбидов, нитридов, оксидов, тугоплавких металлов, силицидов, карбида кремния, сульфидов, вольфрама и карбида вольфрама и их смесей. В одном из вариантов изобретения, композиционный материал содержит в матрице титанового сплава кремний, бор и волокна карбида кремния.

В одном из вариантов изобретения композиционный материал представляет собой керамический композиционный материал, армированный непрерывным волокном с имеющимся на рынке керамическим волокном, таким как волокно Nicalon™ и/или Nextel™ в керамической матрице. В другом варианте изобретения, композиционный материал содержит керамическое волокно, например, литиево-алюмосиликатный композиционный материал в стекло-керамической матрице. В еще одном варианте изобретения композиционный материал содержит керамическое волокно в эпоксидной матрице, например, нити высокомодульного керамического волокна окиси алюминия в эпоксидной смоле.

В одном из вариантов изобретения армирующие волокна в слое композиционного материала могут быть тканевыми, плетеными, вязаными, строчеными, с круговой или спиралевидной намоткой. В одном из вариантов изобретения волокна могут иметь двумерное или объемное плетение. Слой композиционного материала может быть сформирован посредством процессов получения одноосно ориентированного волокнистого пластика (пултрузией), процессов плетения или процессов формирования непрерывной нити намоткой. В еще одном варианте изобретения волокно может быть внедрено в матрицу, образующую композиционный материал любым из следующих способов: пропиткой, пултрузией, формирования нити намоткой и литьевым прессованием.

В одном из вариантов изобретения, где слой композиционного материала содержит термореактивную матрицу, матрица имеет температуру стеклования не менее 180°F (82°C). В случае, если используется термопластичная матрица, то матрица имеет температуру плавления не менее 250°F (121°C).

В одном из вариантов изобретения, композиционный материал также содержит, по меньшей мере, огнестойкую добавку, позволяющую композиционному материалу иметь эффективную степень огнестойкости. В одном из вариантов изобретения композиционный материал имеет воспламеняемость в соответствии с документом E-1345 Американского общества по испытанию материалов более 150 секунд, если он подвергается воздействию источника лучистой теплоты около 50 кВт/м².

В одном из вариантов изобретения композиционный материал имеет межслойный предел прочности на сдвиг в диапазоне 50-90 МПа и прочность на изгиб в диапазоне от 750 до 1500 МПа в одном из вариантов изобретения и от 800 до 1300 MПа в другом варианте изобретения. В одном из вариантов изобретения слой композиционного материала имеет осевой модуль упругости, превышающий 100000 фунтов/кв. дюйм (689 MПа) для применений, в которых элемент может подвергаться высокому внутреннему давлению. В одном из вариантов изобретения слой композиционного материала имеет модуль упругости на растяжение не менее 100000 фунтов/кв. дюйм (689 MПа). В другом варианте изобретения слой имеет модуль упругости на растяжение не менее 250000 фунтов/кв. дюйм (1724 MПa).

В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент, содержащий виниловый эфир, армирован намоткой стеклянной нити под углом +/- 55 градусов; слой композиционного материала характеризуется осевыми модулями изгиба и упругости на растяжение, равными около 1,14×10^-6 фунт/кв. дюйм (7,85 ГПа), кольцевыми модулями изгиба и упругости на растяжение, равными 1,89×10^-6 фунтов/кв. дюйм (13,03 ГПа), модулем сдвига, равным 1,16×10^-6 фунтов/кв. дюйм (7,99 ГПа), и осевым коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР), равным 19,94×10^-6 дюймов/дюйм/°F (137,39 ГПа). Соединения в замок характеризуются осевым модулем изгиба и модулем упругости на растяжение, равными 1,5×10^-6 фунт/кв. дюйм (10,34 ГПа), модулем изгиба и модулем упругости на растяжение, равными 1,5×10^-6 фунт/кв. дюйм (10,34 ГПа), и КЛТР, равным 12×10^-6 дюймов/дюйм/°F (21,36×10^-6 м/м°С). Соизмеримые модуль изгиба и модуль упругости на растяжение для смолы сложных виниловых эфиров без какого-либо армирования стекловолокном составляет 5,1×10^-5 фунт/кв. дюйм (3,51 ГПа).

Коррозионно-стойкий слой

Конструктивный элемент содержит, по меньшей мере, коррозионно-стойкий слой в контакте с содержащимся в нем нефтепродуктом. Коррозионно-стойкий слой содержит, по меньшей мере, один из термопластичных материалов, аморфных металлов, керамических материалов, или их сочетание. В одном из вариантов изобретения, коррозионно-стойкий слой наносится непосредственно на конструктивный слой композиционного материала.

В одном из вариантов изобретения между коррозионно-стойким слоем и конструктивным слоем композиционного материала предусмотрено множество вентиляционных отверстий, помогающих сбросить любое давление, которое может возникнуть между слоями. В другом варианте изобретения для сброса создаваемого давления в конструктивном слое предусмотрено множество вентиляционных отверстий.

Толщина коррозионно-стойкого слоя изменяется в зависимости от используемого материала. При использовании в качестве коррозионно-стойкого слоя термопластичного материала слой имеет толщину в диапазоне от 0,5 до 25 мм в одном из вариантов изобретения; от 1 до 15 мм - во втором варианте изобретения; и от 2 до 10 мм - в третьем варианте изобретения. При использовании в качестве коррозионно-стойкого слоя керамического материала слой имеет толщину в диапазоне от 0,01 до 10 мм в одном из вариантов изобретения; от 0,015 до 5 мм - во втором варианте изобретения; от 0,75 до 3 мм - в третьем варианте изобретения; и от 0,1 до 2 мм - в четвертом варианте изобретения. Если используется аморфный металл, то коррозионно-стойкий слой имеет толщину в диапазоне от 0,010 до 5 мм в одном из вариантов изобретения; от 0,015 до 3 мм - во втором варианте изобретения; от 0,75 до 2 мм - в третьем варианте изобретения; и от 0,5 до 1 мм - в четвертом варианте изобретения.

Слой из термопластичного материала в качестве коррозионно-стойкого слоя

В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент содержит, по меньшей мере, прослойку (слой) из термопластичного материала в качестве внутреннего слоя покрытия в контакте с нефтепродуктом для защиты от коррозии/эрозии за счет содержащегося внутри нефтепродукта. В одном из вариантов изобретения слой из термопластичного материала прикрепляется непосредственно к слою композиционного материала. Слой из термопластичного материала может быть выполнен из любого подходящего термопластичного материала, включая, но не ограничиваясь перечисленным, следующие примеры: поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен высокой плотности, поливинилиденфторид (кайнар (торговая марка)), этилен-хлоротрифтор - этилен (Halar (торговая марка)), политетрафторэтилен (тефлон (торговая марка)), полифениленсульфид (PPS или Ryton (торговая марка)), перфторалкоксил фторуглерод, иономерные и терииономерные композиции (Surlyn (торговая марка)) и термопластичную эластомерную резину. В одном из вариантов изобретения слой из термопластичного материала может включать подкладку из стеклянного войлока. В другом варианте изобретения он может быть химически обработан или протравлен для улучшения адгезии к конструктивному слою. В одном из вариантов изобретения термопластичный материал - это тефлон. В другом варианте изобретения этот материал - полифениленсульфид.

В одном из вариантов изобретения коррозионно-стойкий слой содержит несколько слоев из термопластичного материала, причем слои выполнены из одного и того же или из различных материалов. В одном из вариантов изобретения перед нанесением наружного конструктивного слоя композиционного материала на несколько коррозионно-стойких слоев может быть нанесено связующее вещество и/или связующее вещество может быть нанесено на конструктивный слой композиционного материала после его нанесения на коррозионно-стойкий слой. В другом варианте изобретения наружная поверхность коррозионно-стойкого слоя может быть нагрета для улучшения адгезии и/или погружения слоя в конструктивный слой композиционного материала.

В одном из вариантов изобретения для коррозионно-стойкого слоя содержащего полифениленсульфид, слой характеризуется модулем упругости на растяжение, равным 500000 фунт/кв. дюйм (3,45 ГПа), модулем изгиба, равным 575000 фунт/кв. дюйм (3,96 ГПа) и КЛТР равным 28×10^-6дюйма/дюйм/°F при температуре 185°F (49,84 ×10^-6 м/м°С при температуре ниже 85°С), и равным 113,92×10^-6 м/м°С при 85°С (64×10^-6 дюйма/дюйм/°F при температуре выше 185°С). Для сопоставимого коррозионностойкого слоя, содержащего перфторалкоксил фторуглерод, модуль упругости на растяжение находится в диапазоне от 39000 до 51000 фунт/кв. дюйм (от 268,7 до 351,4 МПа); модуль изгиба находится в диапазоне от 90000 до 97000 фунт/кв. дюйм (от 620,1 до 668,33 МПа), а КЛТР равен приблизительно 77,8×10^-6 дюйма/дюйм/°F (138,48×10^-6 м/м°С).

Керамический слой как коррозионно-стойкий слой

В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент содержит, по меньшей мере, керамический слой в качестве коррозионно-стойкого слоя. В одном из вариантов изобретения керамический слой - это коррозионно-стойкий слой в контакте с содержащимся внутри коррозионным материалом. В другом варианте изобретения, керамический слой нанесен между слоем композиционного материала и слоем металлической фольги, которая находится в непосредственном контакте с коррозионным материалом.

В одном из вариантов изобретения применение в условиях коррозии, а также эрозии, например, в установке крекинга с флюидизированным катализатором (УКсФК) керамический слой используется как слой покрытия в контакте с нефтепродуктом. В условиях работы УКсФК конструктивный элемент подвергается воздействию агрессивных жидкостей на нефтяной основе, а также твердых частиц, таких как частицы катализатора. В одном из вариантов изобретения, где конструктивный элемент используется в агрессивных условиях применения при разведке нефти и газа, где конструктивный элемент также подвергается воздействию абразивных материалов, таких как песок, керамический слой используется как коррозионно-стойкий слой покрытия в контакте с углеводородными продуктами.

В одном из вариантов изобретения керамический слой содержит, по меньшей мере, окись металла, например, титана (TiO₂), циркония (ZrO₂), тантала (Ta₂O₅), окись алюминия (Al₂O₃), окись гафния (HFO₂), двуокись церия(CeO₂), фазостабилизированные диоксиды циркония, такие как диоксиды циркония, стабилизированные оксидом иттрия, диоксиды циркония, стабилизированные оксидом кальция, диоксиды циркония, стабилизированные оксидом скандия, диоксиды циркония, стабилизированные оксидом магния, диоксиды циркония, стабилизированные оксидом редкоземельного элемента или подобные им оксиды, или их сочетание, такое как смесь оксида иттрия с оксидом циркония. В одном из вариантов изобретения керамический слой вначале наносится как слой металла, т.е. Ti, Zr, Ta, Al, Hf, Ce и т.д. с последующим окислением. В еще одном варианте изобретения керамический слой содержит, по меньшей мере, один карбид металла, такой как карбид кремния, карбид алюминия, карбид бора и карбид циркония; нитрид металла, такой как нитрид кремния, нитрид бора и нитрид алюминия; силикат металла, такой как силикат алюминия, кордиерит, циркон и стеатит; и борид металла, такой как тетраборид кремния, борид вольфрама и диборид циркония.

В одном из вариантов изобретения керамический слой содержит кермет, т.е. композиционный материал керамики и металла с керамической фазой и фазой металла-связки. Керметы, в общем случае, более стойки к эрозии, чем огнеупорные материалы при известном уровне техники. Керамическая фаза в одном из вариантов изобретения представляет собой карбидную, боридную, карбонитридную, оксидную, нитридную керамику или смесь этих видов керамики. Фаза металла в одном из вариантов изобретения - это металл, выбранный из группы, состоящей из кобальта, никеля, железа, молибдена, титана, циркония, алюминия и их смесей. В одном из вариантов изобретения керамический слой содержит нитрид хрома или нанокристаллический карбид металла/аморфный композит углеводорода (карбид металла/аморфный углеводород). В другом варианте изобретения, керамический слой содержит TiC/аморфный нанокомпозит углеводорода. В еще одном варианте изобретения керамический слой содержит покрытие из карбида хрома или оксида хрома - хромоникеля.

В одном из вариантов изобретения керамический слой включает в себя примерно от 30 до 95% объема керамической фазы и фазы металла-связки. В одном из вариантов изобретения фаза металла-связки содержит, по меньшей мере, 30 масс.% металла, выбранного из группы, состоящей из Fe, Ni, Co, Mn и их смесей и, по меньшей мере, элемент, выбранный из группы, состоящей из Cr, Al, Si и Y.

В одном из вариантов изобретения керамический слой содержит, по меньшей мере, один никелеалюминидовый сплав, железоалюминидовый сплав, танталовоалюминидовый сплав, титановоалюминидовый сплав, такой как гамма Тi-алюминид, или их смеси. В еще одном варианте изобретения слой содержит железоалюминидо-керамический композиционный материал с отличной стойкостью к окислению и сульфидации. В другом варианте изобретения слой содержит кремний-модифицированный диффузионный слой алюминида с концентрацией кремния на поверхности в пределах приблизительно от 1 до 10 весовых процентов. В еще одном варианте изобретения слой содержит кремний-модифицированный алюминид или иттрий-модифицированный алюминид, нанесенный как тонкий слой покрытия толщиной от 10 до 100 мкм. И в еще одном варианте изобретения керамический слой представляет собой платино-модифицированное алюминидное покрытие с отличной стойкостью к высокотемпературной коррозии при температуре до 900°C.

В одном из вариантов изобретения керамический материал также содержит огнеупорные наполнители в виде частиц или волокон, или тех и других вместе. Наполнители в одном из вариантов изобретения содержат какие-либо из стеклянных, графитовых или керамических волокон и частиц. В другом варианте изобретения керамический слой представляет собой огнеупорный материал, содержащий 10-25 масс.% силиката натрия, 15-30 масс.% воды, 12-25 масс.% глины и от 15 до 35 масс.% слюды.

В одном из вариантов изобретения и в качестве дополнения к керамическому покрытию используется дополнительная металлическая фольга для обеспечения слоя композиционного материала с двойным или двухкомпонентным покрытием, чтобы также обеспечить конструктивный элемент как износостойкими, так и коррозионно-стойкими свойствами. В одном из вариантов изобретения дополнительное покрытие представляет собой тонкий (например, менее 3 мкм) слой металла или металлического сплава, например, слой Ni или сплава Ni, который наносится поверх слоя керамического покрытия, например, слоя нитрида хрома или карбида металла/аморфного углеводорода. В одном из вариантов изобретения поверхность слоя композиционного материала обрабатывается с помощью технологических процессов при известном уровне техники, например, ионного легирования, такими способами как ионное легирование плазменным азотированием, плазменной иммерсией или классическим ионным легированием и т.д. для обеспечения слоя композиционного материала дополнительным слоем покрытия.

В одном из вариантов изобретения керамический слой наносится непосредственно на слой композиционного материала как слой покрытия. В другом варианте изобретения керамический слой располагается между слоем композиционного материала и другим слоем, например, слоем из термопластичного материала для защиты от коррозии, слоем защитного покрытия из металла или вспенивающимся слоем покрытия. В варианте изобретения с термопластичным материалом в качестве коррозионно-стойкого слоя в контакте с нефтепродуктом керамический слой служит в качестве изоляционного слоя покрытия, позволяя расположенному ниже слою композиционного материала выдерживать повышенные температуры и/или выдерживать более длительный период времени до разрушения при воздействии огня и/или тепла.

В одном из вариантов изобретения керамический слой также служит как слой инфильтрации, действующий для предотвращения/ослабления проникновения жидкости во внутренние слои конструктивного элемента. В одном из вариантов изобретения, керамический слой имеет проницаемость менее 0,01 см³/cм в сек-см²-бар.

В одном из вариантов изобретения керамический слой имеет толщину в пределах от 0,1 микрона до величины меньше, чем 10 мм. Во втором варианте изобретения керамический слой имеет толщину в пределах от 1 до 200 миль (от приблизительно 1 до приблизительно 5 мм). В другом варианте изобретения защитный керамический слой представляет собой оксидный слой с толщиной в пределах от 0,1 до 5 микрон. В третьем варианте изобретения керамический слой имеет толщину в пределах от 0,5 мм до величины меньше, чем 5 мм. В четвертом варианте изобретения керамический слой составляет величину меньше, чем 2,5 мм. Толщина керамического слоя зависит от нескольких факторов, включая, не ограничиваясь перечисленным, применяемый технологический процесс покрытия, нефтепродукты, содержащиеся внутри, и используется или не используется керамический слой в качестве промежуточного слоя или слоя покрытия.

В одном из вариантов изобретения керамический слой характеризуется как имеющий отличные свойства эрозионной стойкости и трещиностойкости. В одном из вариантов изобретения керамический слой имеет коэффициент стойкости к тепловой эрозии равный, по меньшей мере, 5,0 при испытании в соответствии со способом испытаний на износ от тепловой эрозии, который является мерой характеристики материала при воздействии нагретого и абразивного материала в виде частиц в соответствии с описанием в публикации патента США № US2008/0003125. Чем выше коэффициент стойкости к тепловой эрозии, тем выше характеристика материала в отношении эрозионной стойкости. В этом испытании коэффициент определяется путем измерения объема тестируемого материала, теряемого за данный промежуток времени. Диапазон скоростей тестового имитатора составляет от 3,05 до 91,4 м/сек, что покрывает диапазон скоростей в установке крекинга с флюидизированным катализатором (УКсФК). Температура при испытаниях изменяется и может достигать 788°C. Угол столкновения при испытаниях составляет от 1 до 90 градусов. Массовая скорость может составлять от 0,45 до 1,81 кг/минуту.

В одном из вариантов изобретения керамический слой наносится на слой композиционного материала (или на соседний слой, например, на металлическую фольгу или слой термопласта) за счет использования химического осаждения из паровой фазы (ХОПВ) нанесения покрытия напылением металла при высокой температуре за счет плазмы, высокоскоростного газопламенного напыления (ВСГПН) или высокоскоростного воздушно-пламенного напыления (ВСВПН), дуговой сварки проволочным электродом, физическое осаждение из паровой фазы (ФОПФ), РЧ (радиочастотным) напылением и электроосаждением, распылением краски, покрытием распылением, погружением, нанесением кистью или валиком, порошковым покрытием, осаждением из паровой фазы или сочетанием перечисленного выше.

Слой аморфного металла в качестве коррозионно-стойкого слоя

В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент содержит, по меньшей мере, слой аморфного металла в качестве внутреннего слоя покрытия в контакте с нефтепродуктом для защиты от коррозии/эрозии за счет содержащегося внутри нефтепродукта. В одном из вариантов изобретения аморфный металл наносится непосредственно на слой композиционного материала как слой покрытия. В другом варианте изобретения аморфный металл наносится на металлический защитный слой, нанесенный на слой композиционного материала. В третьем варианте изобретения аморфный металл наносится сверху на керамический слой, который нанесен вслед за слоем композиционного материала.

Следует учесть, что аморфный слой покрытия может включать в себя конструктивные соединения или элементы, которые могут быть произвольно упакованы в пределах матрицы сплава, например, частицы или наночастицы, имеющие размеры в пределах от 10 до 100 ангстрем; от 10 до 150 нм; и от 15 до 1000 нм. Примеры включают в себя нанокристаллы с диаметром в пределах от 1 до 100 нм.

В одном из вариантов изобретения толщина слоя аморфного металла находится в диапазоне от 0,1 до 500 мкм. Во втором варианте изобретения - от 5 до 2500 мкм. В третьем варианте изобретения толщина находится в диапазоне от 10 до 100 мкм. В четвертом варианте изобретения - менее чем 50 мкм. В пятом варианте изобретения - от 20 до 100 мкм. В шестом варианте изобретения аморфный слой имеет толщину в пределах от приблизительно 0,5 до 100 миль (0,00127 см до приблизительно 0,254 см).

В одном из вариантов изобретения аморфный металл представляет собой имеющиеся на рынке сплавы на основе железа, например, торговой марки Superhard Steel Alloys™. В другом варианте изобретения аморфный металл представляет собой имеющийся на рынке материал, продаваемый под торговой маркой VITROLOY (на основе Ti, Zr, B, Ni).

В одном из вариантов изобретения аморфный металл содержит, по меньшей мере, 50% железа, необязательно хром, один или большее число элементов, выбранных из группы, состоящей из бора и фосфора, один или оба из группы молибдена и вольфрама; и, по меньшей мере, один из членов группы, включающей в себя Ga, Ge, Au, Zr, Hf, Nb, Ta, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, N, S и O. В третьем варианте изобретения металлическое стекло содержит (Fe_0,8Cr_0,2)₇₉B₁₇W₂C₂.

В другом варианте изобретения слой аморфного металла содержит аморфные оксиды металла (a-Me_1-xC_x), аморфные карбиды металла (a-Me_1-yC_y)), аморфные карбид-нитриды металла (a-Me(C, N))) или аморфные нитриды кремния (a-Si_1-zN_z), где x находится в пределах от 0,3 до 0,7, y находится в пределах от 0,25 до 0,9, z находится в пределах от 0,3 до 0,8, и Me (металл) представляет собой, преимущественно, один из переходных металлов, таких как Cr, Al, Ti, Zr или других химических элементов, таких как кремний (Si).

В еще одном варианте изобретения, слой аморфного металла содержит a объемно твердеющий аморфный сплав (BMG), имеющий улучшенные свойства по стойкости к коррозии в соответствии с публикацией патента США № US2009/0014096, где он полностью включен по ссылке в описание изобретения. В одном из вариантов изобретения слой содержит BMG на основе Zr-Ti, соответствующий CoCrMo по свойствам и имеющий молекулярную формулу: (Zr_aTi_b).sub.1-z(Be_cX_d)_z, где X представляет собой материал добавки, выбранный из группы, состоящей из Y, Co, Fe, Cr, Mo, Mg, Al, Hf, Ta, Nb и V; z составляет 20-50%; сумма c и d равна z, причем c, по меньшей мере, составляет приблизительно 25%; а элементы, имеющие электроотрицательность больше 1,9, присутствуют только в ничтожных количествах.

В одном из вариантов изобретения слой аморфного металла наносится на смежный слой посредством способа термического осаждения или покрытия распылением. Примеры способа покрытия распылением включают в себя пламенное распыление, холодное распыление, плазменное распыление, дуговую сварку проволочным электродом, распыление детонационной пушкой и высокоскоростное газопламенное напыление (ВСГПН). В одном из вариантов изобретения газотермическое покрытие наносится с распылением расплавленного или полурасплавленного металла на опорный слой конструктивного элемента. В другом варианте изобретения матричная система покрытия из твердых частиц наносится на слой основы конструктивного элемента, например, керамический слой или слой композиционного материала.

После нанесения слоя аморфного металла в качестве слоя покрытия, покрытие в одном из вариантов изобретения, по меньшей мере, частично, расстекловывается за счет процесса термической обработки. Расстекловывание может привести к формированию кристаллических гранул, имеющих нанометровые или близкие к нанометровым размеры.

В одном из вариантов изобретения слой аморфного металла образуется путем формирования последовательного нанесения нескольких слоев стекла. В другом варианте изобретения слой аморфного металла формируется с помощью различных циклов нагревания/охлаждения слоев металлического стекла при заранее определенных температурах и контролируемых скоростях для создания разных микроструктур и обеспечения оптимальных свойств по коррозионной стойкости. В еще одном варианте изобретения слой аморфного металла формируется как ступенчатый слой покрытия, причем ступенчатое покрытие сопровождается переходом от одного аморфного металлического порошка к другому аморфному металлическому порошку в ходе операций холодного или термического распыления. В четвертом варианте изобретения ступенчатый слой может меняться в диапазоне от металлического (или керамического) материала, образующего слой смежный со слоем аморфного металла, и до первого аморфного металла, затем до второго другого аморфного металла с большим числом легирующих элементов и т.д. Плавно меняющееся присоединение приводит к сплавной поверхности раздела, при которой существует, по меньшей мере, частичное металлическое соединение между металлическим материалом и основой.

В одном из вариантов изобретения слой аморфного металла имеет твердость равную, по меньшей мере, приблизительно 5 ГПa. В другом варианте изобретения, аморфный слой покрытия, содержащий Superhard Steel Alloys™, имеет твердость равную, по меньшей мере, около 9,2 ГПа. В третьем варианте изобретения твердость равна по меньшей мере, приблизительно 16 ГПa. В одном из вариантов изобретения слой аморфного металла соединен со смежным слоем, например, с металлическим слоем, керамическим слоем или с конструктивным слоем композиционного материала с прочностью присоединения равной, по меньшей мере, 34,45 МПа. В одном из вариантов изобретения слой аморфного металла имеет скорость коррозии порядка мкм/год в 6,5-нормальном растворе HCl при температуре около 90°C. В одном из вариантов изобретения коррозия не была обнаружена даже при контакте аморфного слоя с 12-молярным раствором HCl в течение недели. В еще одном варианте изобретения аморфный слой не продемонстрировал потери массы (ниже предела обнаружения прибора ICP-M) в 0,6-молярном растворе NaCl (в течение 1/3 месяца).

Необязательный несминаемый слой

В одном из вариантов изобретения конструктивный слой из композиционного материала снаружи покрыт несминаемым слоем, который содержит материал, увеличивающий прочность слоя композиционного материала. В одном из вариантов изобретения слой обеспечивает несминаемость или прочность на смятие для композиционного материала. В одном из вариантов изобретения слой может быть присоединен или не присоединен к внутреннему слою из композиционного материала. Несминаемый слой может содержать слой или слои термопласта, термореактивного материала или металлического материала.

В одном из вариантов изобретения несминаемый слой представляет собой слой металла (фольги). В одном из вариантов изобретения металл выбирается из группы в составе: алюминий, алюминиевые сплавы, сталь, углеродистая сталь, нержавеющая сталь или их сочетания. В одном из вариантов изобретения тонколистовой материал имеет клейкий соединяющий слой, расположенный на наружной поверхности в контакте с композиционным материалом.

В одном из вариантов изобретения металлическая фольга наматывается вокруг слоя композиционного материала в процессе производства слоя композиционного материала или формируется совместно в процессе производства. В качестве альтернативы, металлическая фольга может быть нанесена на слой композиционного материала с использованием технологических процессов покрытия, таких как напыление; покрытие напылением при высокой температуре за счет плазмы или высокоскоростное газопламенное напыление (ВСГПН), высокоскоростное воздухопламенное напыление (ВСВПН) или дуговой сваркой проволочным электродом, конденсация из паровой фазы, РЧ (радиочастотное) напыление, электроосаждение, порошковое покрытие и их сочетания. В еще одном варианте изобретения металлическая фольга содержит легкоплавкий металл, имеющий низкую температуру плавления, что позволяет наносить металл на слой композиционного материала (или на керамический слой, или на другой промежуточный слой) в жидком или полужидком состоянии.

Необязательный слой, поглощающий энергию

В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент также содержит слой, поглощающий энергию, нанесенный на поверхность слоя композиционного материала (на поверхность, удаленную от поверхности, находящейся в контакте с нефтепродуктом). В одном из вариантов изобретения слой, поглощающий энергию, имеет толщину в пределах приблизительно от 0,6 до 3 миллиметров. Слой, поглощающий энергию, содержит материалы способные поглощать энергию за счет фазового превращения при температуре ниже температуры разрушения конструктивной стенки, например, для производства газа при температуре ниже температуры разрушения слоя композиционного материала. Газ, образованный за счет такого фазового превращения, создает внутри конструкции из композиционного материала воздушный карман с тепловой изоляцией.

В одном из вариантов изобретения, слой, поглощающий энергию, содержит материалы, выбранные из полиэтилена, гидратированного сульфата кальция (гипса), гидроокиси алюминия и из других гидратированных или содержащих гидроокись компаундов способных испарять или вырабатывать газ при температуре около 300°C. В одном из вариантов изобретения, где полиэтилен используется как поглощающий энергию материал, он может быть нанесен на слой композиционного материала в форме листа, образуя требуемое количество слоев или толщину слоя. Если поглощающий энергию материал - это не полиэтилен, то он может быть нанесен в форме листа, в форме распыления или в виде твердых полулистов в конфигурации для размещения поверх слоя композиционного материала.

Огнестойкий слой

Конструктивный элемент также содержит огнестойкий слой для использования в качестве пассивной огнезащиты в качестве самого внешнего слоя или внутреннего защитного покрытия. Огнестойкий слой характеризуется низкой теплопроводностью для защиты оборудования и его содержимого в случае пожара. Одним из преимуществ огнестойкого слоя является его способность поглощать часть тепловой энергии, генерируемой в случае события с выделением тепла, например, пожара, в зоне, смежной с конструктивным элементом, что предотвращает или задерживает воздействие на внутренние слои неуправляемого нагрева, который может вызвать отказ оборудования. Отказ оборудования может привести к катастрофическим последствиям с утечкой углеводородов, а также топлива в зону пожара.

В одном из вариантов изобретения огнестойкий слой имеет теплопроводность в пределах от 0,03 до 0,20 Вт/м°С (при 70°C). Во втором варианте изобретения слой имеет теплопроводность в пределах от 0,04 до 0,08 ВТ/м°С (при 70°C). В третьем варианте изобретения с огнестойким слоем, содержащим вспенивающийся материал, расширяющийся при повышенной температуре, огнестойкий слой имеет теплопроводность в пределах от 0,1 до 0,4 Вт/м°C в диапазоне температур от 200 до 800°C. В четвертом варианте изобретения с огнестойким слоем, содержащим вспенивающийся материал, величина теплопроводности слоя находится в пределах от 0,005 до 0,4 Вт/м°C в диапазоне температур от комнатной температуры до 800°C (в тепловой модели с различными условиями пожара).

В одном из вариантов изобретения огнестойкий слой снабжается несколькими вентиляционными отверстиями. В нормальных условиях работы вентиляционные отверстия помогают отвести излишнее тепло, которое может накопиться в оборудовании. В одном из вариантов изобретения для активной вентиляционной циркуляции к вентиляционным отверстиям присоединяется вентилятор.

Вспенивающееся покрытие в качестве огнестойкого слоя

В одном из вариантов изобретения огнестойкий слой содержит вспенивающийся слой. В одном из вариантов изобретения вспенивающийся слой расширяется в объеме приблизительно от 15 до 30 раз, если достигается температура активации материала (например, при воздействии огня). В случае неуправляемого нагрева (например, пожара), вспенивающийся слой поглощает излишнее тепло за счет эндотермической реакции. При достижении температуры активации (или «температуры запуска расширения» или начальной температуры расширения), слой начинает разбухать или расширяться. При разбухании вспенивающийся слой обеспечивает изолирующий барьер между огнем и конструктивным элементом. После расширения материал генерирует слой обуглившегося вещества или золоподобный слой. В одном из вариантов изобретения негорючий слой обуглившегося вещества предотвращает или, по меньшей мере, затрудняет прохождение тепла на расположенный ниже материал основы слоя из композиционного материала.

В одном из вариантов изобретения на конструктивную систему перед нанесением вспенивающегося слоя наносится армирующая сетка, например, на слой композиционного материала или на промежуточный слой, такой как лист металла. Сетка помогает вспенивающемуся материалу сохранять свой изолирующий слой или слой обуглившегося вещества при воздействии повышенных температур или огня. В одном из вариантов изобретения сетка представляет собой редкотканый материал, который вначале можно пропитать веществом вспенивающегося слоя или же не пропитывать, а затем обернуть вокруг конструктивного элемента. Альтернативный вариант - вначале можно обернуть сетку вокруг конструктивного элемента, а затем на сетку нанести вспенивающийся материал.

В одном из вариантов изобретения вспенивающийся слой содержит огнезащитные компаунды, вставленные между слоями решетки отслаивающегося и/или расширяющегося неорганического материала, выбранного из группы расширяющегося графита и расширяющейся слюды. В одном из вариантов изобретения расширяющийся неорганический материал присутствует в количестве, составляющем от 5 до 50 масс.% вспенивающегося слоя.

В одном из вариантов изобретения вспенивающийся слой содержит прослойки компаунда из расширяющегося графита, которые получают путем диспергирования частиц графита в растворе, содержащем окислитель и компаунд, который впоследствии должен быть внедрен в виде прослоек. В одном из вариантов изобретения окислитель выбирается из группы, состоящей из азотной кислоты, бертолетовой соли, хромовой кислоты, марганцовокислого калия, перекиси водорода, фосфорной кислоты, полифосфорной кислоты и т.д.

В одном из вариантов изобретения, как показано в публикации патента США № US2004/0054035, вспенивающийся слой представляет собой гибкий слой пригодный для домонтажного или послемонтажного присоединения к конструктивному элементу и содержащий водную дисперсию пленкообразующего полимера составляющую от 20 до 70 масс.% состава огнестойкой композиции, от 1 до 10 масс.% стеклянного или керамического материала, имеющего средний размер частиц от 40 до 150 микрон, от 5 до 30 масс.% расширяющегося пластинчатого графита, и, необязательно, от 1 до 10 масс.% огнезащитного состава на основе фосфора, где сумма масс.% составляет 100.

В различные виды систем покрытия могут быть внедрены вспенивающиеся химикалии, включая эпоксидную смолу, мочевино-формальдегидный пластик, новолак, поливинилидендихлорид, поливинилхлорид, полиакрилонитрил, полимочевину, полисиликон, ненасыщенный полиэфир и их сополимеры, полиуретан, латекс, водорастворимые и органорастворимые. В одном из вариантов изобретения вспенивающееся покрытие содержит расширяющийся графит в материале-носителе, выбранном из акрилонитрилбутадиенстирола, полифталамида, кристаллического полимера, полистирола, силиконового каучука, каучуковых латексов, полиакрила или его сополимера, полиметаллоцена, полиэтилена, полипропилена, сополимера полиэтилена-полипропилена, полиакрилата, поликарбоната и их смесей. В одном из вариантов изобретения вспенивающееся покрытие содержит от 5 до 50 масс.% расширяющегося графита.

В одном из вариантов изобретения вспенивающееся покрытие представляет собой, имеющийся на рынке продукт для покрытия, например, смолу на водной, эпоксидной, полиуретановой, мочевино-формальдегидной основе. Примеры имеющихся на рынке вспенивающихся материалов для покрытия включают в себя среди прочих: материал FX-100^TM , выпускаемый Flame Seal Products, Inc. of Houston, Tex.; материал CKC-F-268^TM, выпускаемый Hy-Tech Thermal Solutions, Inc. of Melbourne, Fla.; материал Pycotex^TM by Interex International, Ltd. of Lancashire, United Kingdom; материал Pyroflex^TM, выпускаемый MM Systems Corporation of Pendergrass, GA; материал Firesteel^TM, выпускаемый Firetherm Intumescent and Insulation Supplies, Ltd. of Kent, United Kingdom; материал Firetex^TM, выпускаемый Altex Coatings, Ltd. of Bay of Plenty, New Zealand; материал A/D Firefilm^TM, выпускаемый AD Fire Protection Systems, Ltd. of Ontario, Canada; материал Taikalitt^TM, выпускаемый Nippon Paint Company of Osaka, Japan; материал Thermo-lag^TM, выпускаемый Carboline of St. Louis, MO; материал CHARTEK^TM от the International Paint of Akzo Nobel; и продукты Safecoat^TM, выпускаемые Eagle Specialized Coatings and Protected Environments, подразделением DW Pearce Enterprises, Ltd. of British Columbia, Canada и другими производителями.

В одном из вариантов изобретения вспенивающийся слой также содержит керамические (или стеклянные) полые микросферы в количестве от 1 до 20 масс.%. В одном из вариантов изобретения микросферы имеют средний размер частиц равный от 40 до 150 микрон. В одном из вариантов изобретения микросферы имеют белый цвет. При внедрении в связующее вещество из эпоксидной смолы (или подобного ей полимера) для образования покрытия керамические микросферы увеличивают способность покрытия отражать инфракрасное излучение, т.е. в покрытии поглощается намного меньше тепла, и покрытие может выдерживать более высокие температуры до начала разрушения или разбухания. Микросферы также существенно увеличивают термоизолирующие свойства вспенивающегося материала.

В одном из вариантов изобретения вспенивающийся слой также содержит проводящие материалы для предотвращения накопления электрического заряда. В одном из вариантов изобретения проводящий материал содержит более крупные проводящие частицы, такие как короткие волокна, имеющие диаметр, составляющий от 0,08 см до 1,27 см, и длину, составляющую от 0,08 см до 2,54 см. В другом варианте изобретения проводящие частицы имеют форму волокон, чешуек, сфер и т.д. с диаметром от 0,64 см до 1,27 см и длиной от 2,54 см до 10,16 см.

В одном из вариантов изобретения вспенивающийся слой содержит материал с начальной температурой расширения (НТР) в пределах от 150 до 200°C. НТР - это температура, при которой вспенивающийся слой начинает соответствующим образом расширяться, например, за счет пожара в зоне смежной с конструктивным элементом. В другом варианте изобретения слой содержит материал, имеющий НТР, равную, по меньшей мере, 200°C. В третьем варианте изобретения - по меньшей мере 250°C. В четвертом варианте изобретения - по меньшей мере около 300°C.

В одном из вариантов изобретения резистивный слой, содержащий вспенивающийся материал, при достижении НТР расширяется меньше чем на 25%. В другом варианте изобретения расширение составляет меньше 50%. В третьем варианте изобретения расширение составляет меньше 100%.

В одном из вариантов изобретения огнестойкий слой содержит, по меньшей мере, два различных слоя с различными характеристиками материала, причем наружный слой, имеет более высокую теплоемкость, чем внутренний слой. В случае пожара снаружи от конструктивного элемента наружный слой быстро поглощает излишнюю тепловую энергию и помогает предотвратить образования на оборудовании мест перегрева. Наружный слой, имеющий более высокую НТР, задерживает тепловую энергию, передаваемую на внутренний слой, обеспечивая стойкость к распространению теплового перегрева на внутренний вспенивающийся слой и/или резистивный слой, содержащий другой материал, например, силикат кальция.

Вспенивающийся слой может быть нанесен на конструктивный элемент с использованием средств, существующих при современном уровне техники, которые генерируют желаемую толщину покрытия в одном или большем числе применений, включая, но не ограничиваясь перечисленным, плазменное напыление, распыление краски, покрытие распылением, погружением, нанесением кистью или валиком, порошковое покрытие, осаждение из паровой фазы, нанесение покрытий лезвием ножа или ножевым устройством, или сочетание перечисленного выше, с последующей сушкой при комнатной температуре или повышенной температуре, что определяется конкретным вспенивающимся материалом, для образования надежно скрепленного и прочного покрытия. Неплоские поверхности могут быть покрыты с помощью экструзии, а также распылением, кистью, погружением и т.д., с соответствующей сушкой. В одном из вариантов изобретения вспенивающийся слой имеет форму «оболочки», которая может быть обернута вокруг основы конструктивного элемента (или намотана на него) до покрытия основы, по меньшей мере, вспенивающимся слоем.

В одном из вариантов изобретения при использовании вспенивающегося слоя в качестве огнестойкого слоя толщина сухого вспенивающегося слоя находится в диапазоне от 100 микрон до 100 мм, в зависимости от требуемого уровня защиты. Во втором варианте изобретения вспенивающийся слой имеет толщину от 0,5 до 5 мм. В третьем варианте изобретения вспенивающийся слой имеет толщину от 3 до 10 мм. В четвертом варианте изобретения эта толщина, по меньшей мере, составляет 15 мм. В пятом варианте изобретения, слой имеет толщину, по меньшей мере, 50 мм. В шестом варианте изобретения толщина слоя составляет меньше 20 мм. Вспенивающееся покрытие может быть нанесено как одиночный слой или как несколько слоев. При использовании вспенивающихся продуктов на основе растворителя или на водной основе могут быть получены большие величины толщины сухой пленки за счет нанесения нескольких слоев покрытия. При использовании его в качестве огнестойкого слоя, теплопроводность вспенивающегося покрытия изменяется при повышенной температуре. В одном исследовании было показано, что на начальной стадии нагрева эффективная теплопроводность вспенивающегося материала уменьшается, пока поверхностный и внутренний слои, например, слой композиционного материала, приблизительно постоянны, а затем теплопроводность переходит к постоянному значению.

Изоляционный материал в качестве огнестойкого слоя

В одном из вариантов изобретения вместо вспенивающегося покрытия или в дополнение к нему конструктивный элемент содержит изоляционный материал в качестве огнестойкого слоя. В одном из вариантов изобретения изоляционный слой представляет собой внутренний огнестойкий слой, также защищенный или покрытый вспенивающимся слоем в качестве самого внешнего наружного слоя. В другом варианте изобретения изоляционный материал служит только в качестве огнестойкого слоя. В еще одном варианте изобретения изоляционный слой представляет собой нанесенную снаружи систему тепловой изоляции или самый внешний огнестойкий слой.

В одном из вариантов изобретения огнестойкий слой содержит изоляционный слой, имеющий толщину в диапазоне от 2,54 см до 25,4 см, сетку, обернутую вокруг изоляции для удержания изоляции на месте, и наружный кожух (или погодный барьер для сохранения сухости изоляции. В другом варианте изобретения изоляционный слой имеет толщину от 5,08 до 10,16 см.

В одном из вариантов изобретения огнестойкий слой содержит изоляционный материал, выбранный из следующей группы: силикат кальция (C 533 тип I или тип II Американского общества по испытанию материалов), пеностекло (C 552 тип I Американского общества по испытанию материалов), вспученный перлит (C 610 Американского общества по испытанию материалов), минеральная вата (C 547 Американского общества по испытанию материалов класс 3 или C 612 тип 4B категория 2 Американского общества по испытанию материалов), или их смеси, внедренные в слой сетки. В одном из вариантов изобретения, слой сетки содержит сетку из проволоки. В другом варианте изобретения слой сетки содержит вязальную проволоку 18 калибра (диаметром 0,12 см) или 16 калибра (диаметром 0,16 см) из нержавеющей стали 304.

В одном из вариантов изобретения огнестойкий слой представляет собой изоляционный материал типа I с максимальной температурой использования равной 1200°F (649°С) и максимальной плотностью 14 фунт/фут (224 кг/м³) или 22 фунт/фут (352 кг/м³). В другом варианте изобретения, это материал типа II с максимальной температурой использования равной 1700°F (927°С) и максимальной плотностью 22 фунт/фут (352 кг/м³). В одном из вариантов изобретения огнестойкий слой - это силикат кальция с максимальным линейным сжатием равным 2% после воздействия максимальной используемой температуры и теплопроводностью составляющей от 0,040 до 0,075 Вт/м°С.

Необязательная промежуточная несущая конструкция

В одном из вариантов изобретения, конструктивный элемент также содержит вторичную несущую конструкцию, прикрепленную к наружной поверхности слоя композиционного материала. В одном из вариантов изобретения несущая конструкция содержит многослойный материал, покрывающий поверхность слоя композиционного материала, причем многослойный материал содержит первый слой, прикрепленный к наружной поверхности слоя композиционного материала, и, по меньшей мере, второй слой, содержащий покрытие из отвержденной смолы. В одном из вариантов изобретения отвержденная смола характеризуется как стойкая к индуцированной химическим веществом коррозии, ударной нагрузке и истиранию.

Необязательная наружная оболочка

В одном из вариантов изобретения огнестойкий слой также армирован наружной оболочкой из нержавеющей стали типа 304 или 316 в соответствии с A 240 Американского общества по испытанию материалов толщиной от 0,0254 см до 0,318 см. В одном из вариантов изобретения наружная оболочка также ламинирована полиэтиленовым гидроизолирующим слоем толщиной 0,00254 см. В другом варианте изобретения теплоизолированный гидроизолирующий слой представляет собой совместную экструзию материала Surlyn™ и полиэтилена толщиной 3 мили (0,00762 см). В одном из вариантов изобретения все фитинги, такие как бандажи, заклепки, винты, тройники, заглушки и т.д. для дальнейшей защиты изоляции от влаги выполнены из нержавеющей стали.

Необязательный склеивающий слой

В одном из вариантов изобретения, по меньшей мере, используется необязательный склеивающий слой, нанесенный между различными слоями, например, между слоем композиционного материала и огнестойким слоем, между слоем композиционного материала и несминаемым слоем, например, металлической фольгой, или между металлической фольгой и огнестойким слоем, или между металлической фольгой и керамическим слоем и т.д. Материалы для склеивающего слоя могут включать в себя любые полимеры или другие материалы, пригодные для соединения, химического, механического и/или иным способом. Пригодные материалы могут включать в себя, например, связывающие вещества контактного типа или связывающие вещества типа жидкой смолы, полимеры с металлическим покрытием, наполненные полимеры, термопластичные эластомеры, термоотверждающиеся пластики или их сочетание.

Склеивающий слой является необязательным. В определенных вариантах изобретения склеивающий слой может не быть необходимым или желательным. Например, в одном из вариантов изобретения с использованием сетки для применения вспенивающегося покрытия как огнестойкого слоя, склеивающий слой для соединения вспенивающегося покрытия может не потребоваться.

Фигуры, иллюстрирующие варианты изобретения

Для дальнейшего иллюстрирования вариантов изобретения будут сделаны ссылки на фигуры. Фигуры иллюстрируют изобретение на конкретном примере, но без ограничения, например, без ограничения конструктивного элемента как трубопровода с зоной поперечного сечения, как показано на фигуре. Конструктивный элемент может иметь другие конфигурации, например, резервуаров, и т.д. Конструктивный элемент также может иметь различные многослойные конфигурации, не показанные на фигурах, например, содержать слой композиционного материала с нанесенным покрытием от эрозии/коррозии и вспенивающийся слой с внешним изоляционным слоем.

Как показано на Фиг.1, конструктивный элемент 10 состоит из двух слоев (причем самый внутренний коррозионно-стойкий слой не показан), слоя 11 композиционного материала для конструктивной опоры и наружного вспенивающегося слоя покрытия 12 для обеспечения огнестойких свойств. На Фиг.2 конструктивный элемент 10 также содержит коррозионно-стойкий слой, например, слой аморфного металла, слой термопластичного материала или керамический слой 13 в дополнение к слою 11 композиционного материала, и огнестойкий слой 12. В одном из вариантов изобретения (не показано) конструктивный элемент также содержит слой, поглощающий энергию.

На Фиг.3 самый внутренний слой (в контакте с коррозионным продуктом) конструктивного элемента представляет собой керамический слой 13, который наносится на слой 11 композиционного материала. Огнестойкий слой содержит вспенивающееся покрытие 12. В одном из вариантов изобретения (не показано) самый внутренний слой содержит аморфный металл вместо керамического слоя или в дополнение к нему для коррозионной защиты/защиты от истирания. На Фиг.4 многослойная структура конструктивного элемента 10 содержит слой 11 композиционного материала, покрытый слоем термопластичного материала (не показан) в качестве слоя, контактирующего с коррозионным продуктом, промежуточный слой 14 металла и наружное вспенивающееся покрытие 12. Фиг.5 представляет собой вид сбоку вертикальной проекции варианта изобретения конструктивного элемента 10, где армирующий слой 15 сетки наносится на слой 11 композиционного материала перед окончательным покрытием вспенивающимся слоем 12.

На Фиг.6 конструктивный элемент 10 содержит несколько слоев: керамический (или из аморфного металла) коррозионно-стойкий слой 13, слой 11 композиционного материала, слой 14 металла и вспенивающийся слой 12, который наносится непосредственно на слой 14 металла. В одном из вариантов изобретения между слоем 14 металла и слоем 11 композиционного материала, или между слоем 14 металла и вспенивающимся слоем 12 имеется армирующий слой сетки (не показан).

Фиг.7 показывает поперечное сечение другого варианта изобретения конструктивного элемента, например, трубопроводной секции. Труба содержит несколько слоев, включая коррозионно-стойкий слой 16 термопластичного материала в контакте с содержащимся внутри нефтепродуктом, конструктивный слой 11, содержащий композиционный материал и огнестойкий слой 17, содержащий изоляционный материал. В одном из вариантов изобретения (не показано) трубопроводная секция также может содержать слой покрытия металлом, например, фольгой из нержавеющей стали в качестве несущей огнестойкого слоя 17.

Фиг.8 представляет модификацию варианта изобретения, показанного на Фиг.7, в котором трубопроводная секция также снабжена еще одним отличающимся огнестойким слоем, например, вспенивающимся слоем 12 покрытия для улучшения противопожарной защиты.

Применения

Многослойная конфигурация пригодна для применения в качестве конструктивных элементов, содержащих коррозионные нефтепродукты в применениях при производстве, транспортировке и переработки нефти и газа. Примеры конструктивных элементов включают в себя, не ограничиваясь перечисленным, нефтехимическое технологическое оборудование и трубопроводы, технологические камеры, транспортные линии и трубопроводную обвязку нефтеперерабатывающего завода, теплообменники, циклоны и ректификационные колонны. Конструктивные элементы с многослойной конфигурацией характеризуются как имеющие отличную стойкость к коррозии/износу и огнестойкие свойства, легкие и прочные с применением композиционного материала для обеспечения конструктивной опоры.

Вышеописанные применения для добычи, транспортировки и переработки нефти включают в себя, не ограничиваясь перечисленным, следующее: процессы разведки нефти и газа, процессы добычи, включая извлечение углеводородов и сепарацию нефти/воды/соленой воды/газа, подачу по трубопроводу, морские перевозки, перевозки автотранспортом сырых или переработанных углеводородных продуктов, процессы производства и очистки газа, включая использование амина, углерода или других процессов для удаления двуокиси углерода и/или сероводорода или других газов, установки для перегонки сырой нефти, установки флюид-каталитического крекинга, установки каталитического реформинга, установки термического крекинга, гидрогенизационные установки, установки сернокислотного или фтористоводородного алкилирования, установки изомеризации, установки переработки кислых стоков и вспомогательные обслуживающие установки, такие как установки для очистки холодной воды, горячей воды и установки для очистки сточных вод.

В одном из вариантов изобретения многослойный конструктивный элемент пригоден для использования, позволяющего вмещать коррозионные нефтепродукты, имеющие уровень содержания серы (включая свободную серу) от нескольких частей на миллион до высокого процентного уровня концентрации H₂S. В одном из вариантов изобретения H₂S имеет низкую концентрацию в пределах от 50 до 100 частей на миллион. В другом варианте применений изобретения, включающих, например, газ, не подвергавшийся сероочистке, концентрация H₂S находится в диапазоне 20000-50000 частей на миллион или больше (от 2 до 5%).

В одном из вариантов изобретения элемент предназначается для использования с коррозионными нефтепродуктами, имеющими общее кислотное число (ОКЧ) в диапазоне, по меньшей мере, 0,01 мг KOH/г. В одном из вариантов изобретения нефтепродукт имеет ОКЧ равный, по меньшей мере, 0,50 мг KOH/г. В другом варианте изобретения нефтепродукт имеет ОКЧ в диапазоне от 0,50 до 10 мг KOH/г нефти. В типовом случае ОКЧ измеряется способом D-664-01 Американского общества по испытанию материалов и выражается в единицах миллиграммов KOH/грамм нефти. Виды нефти со значениями ОКЧ ниже 0,5, в общем случае, рассматриваются как некоррозионные, в пределах от 0,5 до 1,0 - как умеренно коррозионные, а свыше 3,0 - как коррозионные. В одном из вариантов изобретения конструктивные элементы предназначены для того, чтобы вмещать сырую нефть с высоким ОКЧ или сырую нефть с высоким содержанием кислоты - с высоким содержанием нафтеновой кислоты, т.е. с ОКЧ, по меньшей мере, выше 3.

В одном из вариантов изобретения элемент предназначается для использования с коррозионными нефтепродуктами, имеющими уровень содержания соли, по меньшей мере, 3 барреля (8,56 кг/м³) сырой нефти. В одном из вариантов изобретения соли - это соли хлористоводородной кислоты, такие как хлорид магния, хлорид натрия и хлорид кальция в количествах от приблизительно 3 до 200 баррелей (от 8,56 до 570,6 кг/м³) сырой нефти. В одном из вариантов изобретения, конструктивный элемент предназначен для того, чтобы вмещать или транспортировать нефтепродукты, такие как каталитически реформированный бензин, каталитически реформированный газ или подобный им продукт с высоким содержанием хлоридов.

В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент представлен в виде технологического/транспортного трубопровода с внутренним диаметром в пределах от 12 до 18 дюймов (от 30,48 см до 45,72 см) для использования в условиях постоянной рабочей температуры, составляющей, по меньшей мере, 300°F (149°С), и внутреннего давления, равного по меньшей мере, 200 фунт/кв. дюйм (1,38 МПа). В другом варианте изобретения конструктивный элемент представлен в виде технологического/транспортного трубопровода, имеющего диаметр до 48 дюймов (121,92 см). В одном из вариантов изобретения многослойный конструктивный элемент также содержит изоляционный слой с толщиной от 2 до 10 дюймов (от 5,08 см до 25,4 см) или с толщиной, требуемой для высокотемпературного окружения (свыше 500°F (260°С) и, в частности, в диапазоне 800°F (427°С) или выше).

Необходимо отметить, что конструктивный элемент не ограничивается функциями, позволяющими перемещать и/или вмещать коррозионные нефтепродукты. В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент используется в качестве коррозионно-стойкой и огнестойкой трубопроводной системы пригодной для спринклерных и подобных им систем на морских нефтяных платформах, на нефтеналивных судах и т.д., позволяющей вмещать большой объем морской воды в условиях пожарной опасности, связанных с нефтехимическим окружением.

В одном из вариантов изобретения, где поверхность конструктивного элемента, находящаяся в контакте с нефтепродуктом, покрыта керамическим слоем, конструктивный элемент, в частности, пригоден для использования в зонах установок для конверсии с флюидизированным катализатором, установок коксования в псевдоожиженном слое и блоков флексикокинга нефтеперегонных и нефтехимических установок.

Технологический процесс формирования слоев

Различные слои для многослойной конструкции могут быть нанесены посредством предварительного монтажа или на месте эксплуатации.

В одном из вариантов изобретения технологический процесс формирования с предварительным монтажом и термопластичными материалами в качестве коррозионно-стойкого слоя, слой вначале наносится экструзией в виде желательной формы или профиля. Затем профиль контактирует с армирующим волокном и смолой для образования конструктивного слоя. Последующие слои, например, огнестойкий слой или слои могут в дальнейшем формироваться или наноситься в виде покрытия на конструктивный слой с использованием известных способов.

В одном из вариантов изобретения с послемонтажным присоединением, любой указанный выше способ, с помощью которого выполняется покрытие, также может использоваться поверх домонтажных покрытий, как для увеличения толщины покрытия, так и для ремонта участков, поврежденных при монтаже.

В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент будет создаваться из уже существующего устройства или из уже сконструированного оборудования, например, из оборудования, сконструированного из композиционных материалов уже имеющих определенные коррозионно/эрозионно-стойкие свойства. Защитные/огнестойкие вспенивающиеся слои покрытия могут быть нанесены на поверхности существующего оборудования для обеспечения необходимых огнестойких свойств. В еще одном варианте изобретения защитные покрытия могут быть нанесены на внутренние поверхности (в контакте с нефтепродуктом) конструктивного элемента, так, чтобы заполнить пустоты и поры и обеспечить коррозионную и/или эрозионную защиту для поверхности, находящейся в контакте с нефтепродуктом.

Покрытие, такое как керамический слой, аморфный слой покрытия, вспенивающийся слой или слой металлической фольги, может быть нанесено на существующее оборудование с использованием известных способов, включая нанесение кистью, нанесение покрытия распылением металла при высокой температуре, напыление краски, погружение, нанесение кистью или валиком, или их сочетание, обеспечивая таким образом соответствующую обработку поверхности конструктивного элемента.

В вариантах изобретения с использованием, по меньшей мере, слоя металлической фольги, проволочной сетки или слоя аморфного покрытия конструктивный элемент имеет достаточную проводимость. В других вариантах изобретения, например, с многослойным конструктивным элементом с керамическим слоем покрытия, слоем композиционного материала в качестве базовой основы и вспенивающимся слоем покрытия, конструктивный элемент может не иметь достаточной электрической проводимости, что приводит к накоплению электростатического заряда (ЭСЗ). В одном из вариантов изобретения для уменьшения накопления заряда покрытие или слой электростатически рассеивающей краски может быть нанесен на вспенивающийся слой, причем краска обеспечивает достаточно высокую электрическую проводимость, сохраняя желаемые огнестойкие свойства. Высокая электрическая проводимость рассеивает электрический заряд при его накоплении и, в итоге, передает заряд на землю.

В одном из вариантов изобретения технологического/передающего трубопровода с использованием композиционного материала как конструктивного слоя, а также использования пластического материала, такого как политетрафторэтилен, для коррозионно-стойкого слоя, технологические трубопроводные секции могут быть сплавлены или соединены вместе («сваркой плавлением»).

В одном из вариантов изобретения слой из термопластичного материала для защиты от коррозии вначале традиционным способом сплавляется или соединяется (или сваривается) с использованием известных процессов с приложением энергии, включая, но не ограничиваясь перечисленным, лазерную сварку, сварку с инфракрасным нагревом, микроволновую сварку, сварку плавлением, ультразвуковую сварку, сварку трением и т.п.

Фиг.9 представляет собой вид сбоку в разрезе горизонтальной проекции варианта изобретения для соединения двух секций сегментов трубопровода с коррозионно-стойкими слоями 16 двух трубопроводных секций 101 и 201, соединенных плавлением. Каждый из участков трубопровода содержит самый внутренний коррозионно-стойкий слой 16, конструктивный слой 11 композиционного материала, огнестойкий слой 17, и самый наружный слой металлической фольги 12. В одном из вариантов изобретения передние концы двух труб 101 и 201 оставлены без покрытия (с удаленным слоем композиционного материала) перед выравниванием и сплавлением вместе по линии соединения 160. После соединения коррозионно-стойких слоев отдельных трубопроводных секций по линии соединения 160, затем соединяются конструктивные слои 11 отдельных секций.

В одном из вариантов изобретения после соединения плавлением концов слоя из термопластичного материала для защиты от коррозии по линии соединения 160, участок, оставленный без покрытия, грунтуется и оборачивается по окружности лентой для герметизации швов, обмоткой из ткани или волокна. В одном из вариантов изобретения участок, оставленный без покрытия (открывающий коррозионно-стойкие слои), перед обертыванием лентой для герметизации швов, вначале нагревается. В другом варианте изобретения лента для герметизации швов перед обертыванием участка соединения может протягиваться через ванну со смолой. В одном из вариантов изобретения лента для герметизации швов наращивается в толщину до величины, составляющей от 1,10 до 2 толщин композиционного материала конструктивного слоя.

В одном из вариантов изобретения предварительно пропитанный смолами материал может быть намотан для покрытия участка линии соединения 160, а затем химически отвержден. В одном из вариантов изобретения волокно в виде рукава или слоев для обертывания используется для покрытия участка соединения, а затем волокно и смола соединяются вместе химическим способом. В другом варианте изобретения для химического прикрепления волокна к соединяемым секциям используется склеивающее вещество. В еще одном варианте изобретения также происходит тепловое воздействие для ускорения и/или улучшения химического соединения между рукавом из волокна и трубопроводными секциями с композиционным материалом.

Фиг.10 представляет собой схематическое поперечное сечение соединения 160, показанного на Фиг.9, с наружной оболочкой 110 из стекловолокна, соединяющей слои композиционного материала двух трубопроводных секций. В одном из вариантов изобретения оболочка 110 содержит несколько обмоток, пропитанных термореактивной смолой и намотанных по окружности относительно труб, с постепенным сужением обмотки на концах в продольном направлении трубопроводных секций 101 и 201. Трубопроводная система, хотя и не показана, может быть также построена путем первоначального соединения плавлением секций труб с композиционным материалом, имеющих коррозионно-стойкие слои, и последующего нанесения слоя огнестойкого материала (и других слоев или материалов) на соединение и оставшуюся часть трубопроводных сегментов для защиты системы в случае пожара.

В одном из вариантов изобретения при использовании термопластичного материала в качестве матрицы для слоя композиционного материала, при необходимости последующего доступа к внутренней части трубы рукав из волокна может быть удален расплавлением. Воздействие тепла в одном из вариантов изобретения также помогает улучшить склеивание в конструктивном слое коррозионно-стойкого слоя термопласта со стекловолокном.

Свойства конструктивных элементов

В одном из вариантов изобретения конструктивный элемент, содержащий несколько слоев: по меньшей мере, слой композиционного материала и вспенивающийся слой, имеющий достаточную толщину, позволяющую конструктивному элементу обеспечивать, по меньшей мере, на 30% более длительную защиту в испытательной процедуре OTI 95634 с факельным струйным горением, чем защиту, обеспечиваемую за счет элемента, содержащего только слой композиционного материала. В другом варианте изобретения конструктивный элемент обеспечивает на 50% более длительную защиту, а третьем варианте изобретения - на 100% более длительную защиту. В испытательной процедуре с факельным струйным горением ОТI 95634 от 1996 г., пары пропана, в количестве 0,3 кг/с со звуковой скоростью попадали на мишень размером 1,5 м² на расстоянии 1 метра при температуре около 1100°C и тепловом потоке около 300 КВт/м². Достаточная толщина зависит от нескольких факторов, включая размеры конструктивного элемента (например, диаметр, габариты и т.д.), толщину слоя композиционного материала, материал конструкции слоя композиционного материала (например, стекло, керамика, термореактивная матрица и т.д.), тип содержащегося внутри нефтепродукта и т.д. В одном из вариантов изобретения достаточная толщина составляет, по меньшей мере, 10 мм. В другом варианте изобретения - по меньшей мере 15 мм. В третьем варианте изобретения - по меньшей мере 30 мм.

В одном из вариантов изобретения многослойный конструктивный элемент, имеющий, по меньшей мере, слой композиционного материала и вспенивающийся слой демонстрирует отличные свойства по переносимости огня и огнестойкости, т.е., по меньшей мере, 5 минут в испытании на прогорание. Во втором варианте изобретения конструктивный элемент имеет время прогорания больше 15 минут. В третьем варианте изобретения время прогорания больше 30 минут. В четвертом варианте изобретения - по меньшей мере, 45 минут. В одном из вариантов изобретения многослойный конструктивный элемент содержащий, по меньшей мере, слой композиционного материала и вспенивающийся слой с толщиной в пределах от 0,5 до 2 см, имеет огнестойкость, по меньшей мере, 15 минут в испытании на прогорание.

В одном из вариантов изобретения многослойный конструктивный элемент имеющий, по меньшей мере, слой композиционного материала и вспенивающийся слой демонстрирует огнестойкость к прогоранию эквивалентную огнестойкости углеродистой стали, имеющей толщину, по меньшей мере, 0,07 дюйма (0,18 см). В другом варианте изобретения многослойный конструктивный элемент демонстрирует огнестойкость к прогоранию эквивалентную огнестойкости углеродистой стали, имеющей толщину, по меньшей мере, 0,10 дюйма (0,254 см). В третьем варианте изобретения - огнестойкость к прогоранию эквивалентную огнестойкости углеродистой стали толщиной 0,15 дюйма (0,38 см).

В испытании на прогорание (основываясь на испытаниях ВМС США MIL-STD-2031) образец для испытаний размещается перед факелом пропана 500000 БТЕ/час (744000 ккал/(час×м×°С)/час). На поверхности образца достигались температуры в 1100°C (2000°F) за счет открытого пламени, например, как при горении углеводорода. Образец представляет собой секцию размером 24 на 24 дюйма (61 на 61 см) и толщиной 0,25 дюйма (0,64 см). При этом производится мониторинг неэкспонированной стороны основы в отношении огнестойкости и измерение времени прогорания материала.

В одном из вариантов изобретения многослойный конструктивный элемент в виде трубопроводной системы характеризуется как удовлетворяющий уровню II стандарта по пределу огнестойкости в соответствии со способом испытаний, указанным в Международной ассоциации морских лоцманов (IMO A753, принятый 4 ноября 1993 г.), т.е. труба может выдерживать полностью развитый пожар в течение длительного времени без потери целостности в сухих условиях. Длительность, удовлетворяющая уровню II стандарта, составляет, минимум, тридцать минут при принудительной температуре на наружном диаметре около 1100°C, в соответствии со способом испытаний, указанным в Международной ассоциации морских лоцманов (IMO A753, принятый 4 ноября 1993 г.). Длительность, удовлетворяющая уровню I стандарта больше по величине, при минимуме равном 1 часу.

В одном из вариантов изобретения необходимо, по меньшей мере, 45 минут, прежде чем температура внутреннего диаметра трубы (внутренней поверхности трубы) достигает 190°C в условиях испытания IMO A753. В другом варианте изобретения необходим, по меньшей мере, 1 час, прежде чем температура внутреннего диаметра трубы достигает 190°C. В еще одном варианте изобретения, необходимо, по меньшей мере, 1 ½ часа, прежде чем температура внутреннего диаметра трубы достигает 190°C.

В одном из вариантов изобретения многослойный конструктивный элемент содержащий, по меньшей мере, слой композиционного материала и вспенивающийся слой, демонстрирует отличную прочность на изгиб - даже после воздействия радиального теплового потока. Предполагается, что через 20 минут после воздействия радиального теплового потока равного 25 КВт/м² (в соответствии с D-790 Американского общества по испытанию материалов) многослойный конструктивный элемент, содержащий, по меньшей мере, слой композиционного материала и огнестойкий слой, имеет остаточную прочность на изгиб, по меньшей мере, в 2 раза выше, чем прочность на изгиб конструктивного элемента на известном уровне техники, содержащего слой композиционного материала. Во втором варианте изобретения многослойный конструктивный элемент имеет остаточную прочность на изгиб после воздействия радиального потока тепла, по меньшей мере, в 3 раза выше прочности на изгиб элемента из композиционного материала на известном уровне техники (без огнестойкого слоя).

В одном из вариантов изобретения, где конструктивный элемент представляет собой технологический/передающий трубопровод, конструктивный элемент имеет номинальный диаметр в пределах от 203 мм до 1016 мм (8-40 дюймов) с рабочим давлением до 10000 фунтов/кв. дюйм (68,9 МПа) и давлением разрыва, превышающим рабочее давление в 2,5 раза. В одном из вариантов изобретения давление разрыва находится в диапазоне от 827 до 1034 бар (12000-15000 фунтов/кв. дюйм). В одном из вариантов изобретения трубопровод имеет линейный изгиб под давлением в диапазоне от 2 до 5%. В другом варианте изобретения конструктивный элемент в виде технологического трубопровода имеет максимальный линейный изгиб под давлением равный 3%.

В одном из вариантов изобретения (при использовании для размещения нефтепродуктов) трубопроводная система, содержащая слой из термопластичного материала для защиты от коррозии, требует, по меньшей мере, на 20% меньше технического обслуживания, чем аналогичная трубопроводная система, использующая углеродистую сталь на известном уровне техники с фланцевыми соединениями на болтах. Это обусловлено тем, что для соединения секций требуется минимум, если это имеет место, фланцевых соединений на болтах. Композиционный материал является более совместимым материалом для слоя термопластичного материала, в частности, при эксплуатации при высокой температуре и/или в условиях частого циклического температурного воздействия. Композиционные материалы, т.е. армированный волокном пластик или стеклопластик, имеют значительно меньший модуль изгиба по сравнению с углеродистой сталью. В зависимости от содержания углерода, углеродистая сталь в одном из вариантов изобретения имеет модуль изгиба в пределах 189-210 ГПа или 27000000 до 30000000 фунт/кв. дюйм. Композиционные материалы имеют модуль изгиба, составляющий от 1/10^й до 1/30^й этой величины для металлических материалов, в типичном случае находится в пределах от 1000000 до 2000000 фунт/кв. дюйм (689 МПа до 1,378 ГПа). В одном из вариантов изобретения модуль изгиба находится в диапазоне от 75000 до 2000000 фунт/кв. дюйм (от 516,7 МПа до 13,78 ГПа). В третьем варианте изобретения модуль изгиба находится в диапазоне от 500000 до 1500000 фунт/кв. дюйм (от 3,445 ГПа до 10,34 ГПа). В четвертом варианте изобретения с композиционным материалом, содержащим эпоксикарбон и/или эпоксибор, модуль изгиба может быть значительно выше, но все еще значительно меньше, чем у углеродистой стали c модулем изгиба менее 9000000 фунт/кв. дюйм (62,010 ГПа). В одном из вариантов изобретения при использовании эпоксикарбона, композиционный материал имеет модуль изгиба около 54 ГПa (7800000 фунт/кв. дюйм).

В одном из вариантов изобретения, в зависимости от выбранного термопластичного материала, коррозионно-стойкий слой имеет модуль изгиба в пределах от 75000 до 1000000 фунт/кв. дюйм (от 516,75 МПа до 6,89 ГПа) (при соотношении модулей изгиба композиционный материал/термопласт составляющем от 1:1 до 26:1). В другом варианте изобретения модуль изгиба коррозионно-стойкого слоя находится в диапазоне от 90000 до 750000 фунт/кв. дюйм (от 620,1 МПа до 5,168 ГПа). В третьем варианте изобретения модуль изгиба слоя для защиты от коррозии находится в диапазоне от 100000 до 600000 фунт/кв. дюйм (от 689 МПа до 4,134 ГПа). В случае меньшего модуля изгиба при ударном воздействии возможно восстановление деформации для конструктивного элемента в отличие от конструктивных элементов на известном уровне техники, использующих углеродистую сталь, которые могут получить постоянную деформацию.

Кроме совместимости по модулю изгиба, композиционные материалы также являются более подходящими с точки зрения теплового расширения для термопластичных материалов, используемых в качестве коррозионно-стойкого слоя в контакте с нефтепродуктами. Коэффициент теплового расширения для композиционных материалов выше, чем для углеродистых сталей. Величина теплового расширения в слое композиционного материала зависит от количества волокна в слое и ориентации волокна. В одном из вариантов изобретения слой композиционного материала имеет КЛТР (коэффициент линейного теплового расширения) в пределах от 0,9 до 2×10^-5 дюйм/дюйм/°F (от 1,6 до 3,56×10^-5 м/м°С) по сравнению с углеродистой сталью с КЛТР, равным от 0,6 до 0,65×10^-5 дюйм/дюйм/°F (от 1,07 до 1,16×10^-5 м/м°С). Тефлон, который является обычно используемым материалом для коррозионн0-стойкого слоя, имеет КЛТР, равный 7,5×10^-6 дюйм/дюйм/°F (13,35×10^-6 м/м°С).

В одном из вариантов изобретения при использовании для конструктивного слоя композиционных материалов, конструктивный элемент характеризуется расширением под давлением, которое, по меньшей мере, в 10 раз больше, чем у углеродистых сталей в одном из вариантов изобретения, в 20 раз больше - во втором варианте изобретения, и до 25 раз больше, чем у конструктивного элемента, использующего углеродистую сталь.

В отношении теплопроводности конструктивный элемент, использующий композиционные материалы в качестве конструктивного слоя, характеризуется в целом меньшей теплопроводностью, что особенно применимо в ситуациях с неуправляемым нагревом или локальным перегревом. Это обусловлено значительно уменьшенной теплопроводностью слоя композиционного материала. В одном из вариантов изобретения теплопроводность слоя композиционного материала в 100-300 раз меньше, чем теплопроводность углеродистой стали. Теплопроводность слоя композиционного материала в одном из вариантов изобретения находится в диапазоне от 0,1 до 0,24 британской тепловой единицы, выражаемой в футов/час-фут²-°F (от 0,1488 до 0,357 ккал/(час×м×°С)), по сравнению с теплопроводностью углеродистых сталей, равной 25-50 БТЕ-футов/час-фут²-°F (от 37,2 до 74,4 ккал/(час×м×°С), и 1,70 БТЕ-футов/час-футов²-°F (2,53 ккал/(час×м×°С) для тефлона - типичного термопластичного материала, который можно использовать для коррозионно-стойкого слоя.

Наконец, в одном из вариантов изобретения конструктивный элемент характеризуется как имеющий превосходные свойства по пределу огнестойкости за счет высокого значения точки плавления композиционных материалов, используемых в качестве конструктивного слоя. В одном из вариантов изобретения слой композиционного материала имеет точку плавления значительно выше 2900°F (1593°С) при способности выдерживать горение углеводорода при температурах до 1800°F (982°С) в течение 30 минут. Углеродистые стали в типичном случае имеют точку плавления в пределах 2600 до 2800°F (от 1427°С до 1538°С).

ПРИМЕРЫ

Приведенные ниже иллюстративные примеры не подразумевают какого-либо ограничения.

Варианты изобретения конструктивных элементов, например, трубопроводов, были смоделированы с использованием анализа способом конечных элементов или прогнозирующих моделей. Используемая прогнозирующая модель представляла собой пакет прикладных программ общего назначения от компании Solidworks. Моделируемые трубопроводы представляют собой трубы с внутренним диаметром 8 дюймов (20,32 см), содержащие армированный стеклопластиком эпоксидный термореактивный материал для конструктивного слоя композиционного материала, термопластичные материалы для коррозионно-стойкого слоя и огнестойкий слой, содержащий силикат кальция. При тепловом моделировании коррозионно-стойкий слой не принимается во внимание, поскольку его тепловые данные несущественны по сравнению с тепловыми данными конструктивного слоя и огнестойкого слоя.

В примере 1 труба с внутренним диаметром 8 дюймов (20,32 см) имеет конструктивный слой толщиной 0,43 дюйма (1,1 см) и огнестойкий слой толщиной 2 дюйма (5,08 см), содержащий силикат кальция. Фиг.11 показывает температуру внутренней части трубы (на внутреннем диаметре) как функцию времени с принудительной температурой около 1100°C на наружном диаметре в соответствии с способом испытаний, указанном в Международной ассоциации морских лоцманов (IMO A753, принятый 4 ноября 1993 г.). Температура на внутреннем диаметре трубы через час достигает 191^oC .

В примере 2 моделируемая труба имеет тот же внутренний диаметр, равный 8 дюймов (20,32 см), но значительно более толстый конструктивный слой композиционного материала равный 0,83 дюйма (2,11 см). Фиг.12 показывает температуру трубы через 4680 секунд (78 минут) воздействия принудительной температуры равной 1100°C на наружном диаметре как функцию радиуса (от внутреннего диаметра к наружному диаметру, к наружной стенке, включая огнестойкий слой). Рисунок 13 показывает температуру внутренней части трубы (на внутреннем диаметре) как функцию времени, причем эта температура не достигает 192°C в течение, по меньшей мере, 5400 секунд (или 1 ½ часа).

Для целей данного подробного описания и прилагаемых пунктов формулы изобретения, если иное не оговорено, все цифры, выражающие количественные величины, проценты или пропорции и прочие цифровые величины, используемые в подробном описании и пунктах формулы изобретения, должны пониматься как определяемые во всех случаях термином «приблизительно». Соответственно, если противоположное не указано, приведенные ниже цифровые параметры в последующем подробном описании и прилагаемых пунктах формулы изобретения, представляют собой приближенные величины, которые могут варьироваться в зависимости от желаемых свойств, на достижение которых направлено настоящее изобретение. Следует отметить, что при использовании в данном подробном описании и прилагаемых пунктах формулы изобретения формы единственного числа подразумевают и формы множественного числа, если только ссылка в форме единственного числа не выражена четко и ясно. При использовании здесь термин «включать» и его грамматические варианты рассматриваются как неограничивающие, так что перечисление позиций в перечне не означает исключения других подобных позиций, которые могут заменить перечисленные позиции или дополнить перечень.

Данное письменное описание использует примеры, включающие наилучший вариант, чтобы раскрыть изобретение, а также чтобы позволить любому специалисту в данной области техники реализовывать и использовать описываемое изобретение. Объем настоящего изобретения определяется пунктами формулы изобретения и может включать в себя другие примеры, которые могут прийти в голову специалистам в данной области техники. Такие другие примеры должны рассматриваться в объеме пунктов формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от признаков пунктов формулы изобретения или если они включают эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от признаков пунктов формулы изобретения. Все приведенные здесь упоминания имеют четкие ссылки на источник.

Claims

1. Конструктивный элемент для размещения коррозионных нефтепродуктов, содержащий конструктивный слой, содержащий композиционный материал, коррозионно-стойкий слой для контакта с коррозионными нефтепродуктами, содержащий материал, выбранный из группы аморфных металлов, керамических материалов и термопластичных материалов, огнестойкий слой, имеющий теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C, при этом конструктивный элемент имеет время прогорания более 5 минут.

2. Конструктивный элемент по п.1, в котором композиционный материал имеет теплопроводность менее 0,24 БТЕ-футов/час-футов²-°F (0,357 ккал/(час м°C).

3. Конструктивный элемент по п.1, в котором коррозионно-стойкий слой имеет толщину в пределах 0,010 мм - 10 мм.

4. Конструктивный элемент по п.1, в котором композиционный материал имеет модуль изгиба менее чем 9000000 фунт/кв. дюйм (62,010 ГПа).

5. Конструктивный элемент по п.1, который имеет время прогорания более 15 минут.

6. Конструктивный элемент по п.1, который является технологической камерой, транспортной линией, технологическим трубопроводом, теплообменником, циклоном или колонной.

7. Конструктивный элемент по п.1, в котором для достижения температуры внутренней поверхности на коррозионно-стойком слое,равной 190°C необходимо, по меньшей мере, 90 минут при испытании в соответствии с протоколом испытаний на огнестойкость IMO A 18/Res.753 Международной ассоциации морских лоцманов.

8. Конструктивный элемент по п.1, в котором композиционный материал содержит армирующее волокно в материале матрицы, содержащее материал, выбранный из стекла, керамики, углерода, керамического материала, полимерных материалов, металлов и металлических сплавов, а матрица содержит материал, выбранный из феноло-альдегидного полимера, силоксан-модифицированных фенольных смол, винилового эфира, эпоксидных смол, смолы на основе цианатных эфиров, фенольных/полиэфирных смесей, силиконов, фталонитрила, фурановых смол и их смесей.

9. Конструктивный элемент по п.1, в котором огнестойкий слой содержит силикат кальция.

10. Конструктивный элемент по п.1, в котором коррозионные нефтепродукты содержат, по меньшей мере, серосодержащую воду, нефтепродукты, содержащие H₂S, нефтепродукты, имеющие общее кислотное число, равное, по меньшей мере, 0,01 мг KОН/г, и нефтепродукты, имеющие содержание солей, составляющие, по меньшей мере, 3 фунт/баррель (8,56 кг/м³).

11. Конструктивный элемент по п.1, в котором композиционный материал имеет коэффициент теплового линейного расширения в пределах от 0,9 до 2·10^-5 дюйм/дюйм/°F (от 1,6 до 3,56 10^-5м/м°С), и огнестойкий слой представляет собой вспенивающийся материал, содержащий в материале основы расширяемый неорганический материал.

12. Конструктивный элемент по п.1, в котором коррозионно-стойкий слой содержит аморфный металл и соединен с конструктивным слоем с прочностью сцепления, составляющей по меньшей мере, 5000 фунт/кв. дюйм (34,45 МПа).

13. Конструктивный элемент по п.1, в котором коррозионно-стойкий слой содержит керамический материал, имеющий коэффициент тепловой эрозии, равный, по меньшей мере, 5.

14. Конструктивный элемент по п.1, в котором коррозионно-стойкий слой содержит керамический материал, нанесенный на конструктивный слой для образования коррозионно-стойкого слоя путем нанесения покрытия любым из следующих способов: газотермическим покрытием, конденсацией из паровой фазы, радиочастотным напылением, электроосаждением, порошковым покрытием и их комбинациями.

15. Конструктивный элемент для размещения коррозионных нефтепродуктов, содержащий конструктивный слой, содержащий композиционный материал, коррозионно-стойкий слой для контакта с коррозионными нефтепродуктами, содержащий материал, выбранный из аморфных металлов, керамических материалов и термопластичных материалов, огнестойкий слой, имеющий теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C, при этом конструктивный элемент соответствует уровню II стандарта по пределу огнестойкости в соответствии с протоколом испытаний на огнестойкость IMO A 18/Res.753 Международной ассоциации морских лоцманов.

16. Конструктивный элемент для размещения коррозионных нефтепродуктов, содержащий конструктивный слой, содержащий композиционный материал, коррозионно-стойкий слой для контакта с коррозионными нефтепродуктами, содержащий материал, выбранный из аморфных металлов, керамических материалов и термопластичных материалов, огнестойкий слой, имеющий теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C.

17. Способ соединения трубопроводных секций в конструктивном элементе для размещения коррозионных нефтепродуктов, содержащем по меньшей мере, две отдельные первую и вторую трубопроводные секции, содержащий следующие стадии:
размещение первой трубопроводной секции рядом со второй трубопроводной секцией, причем каждая трубопроводная секция содержит конструктивный слой, включающий в себя композиционный материал и коррозионно-стойкий слой для контакта с коррозионными нефтепродуктами, и огнестойкий слой;
приложение энергии для соединения вместе коррозионно-стойких слоев первой и второй трубопроводных секций с формированием соединения;
размещение внешней оболочки вокруг соединения первой и второй трубопроводных секций;
присоединение внешней оболочки к указанному соединению и конструктивным слоям, по меньшей мере, одним из химического отверждения и термической обработки.

18. Способ по п.17, в котором размещают внешнюю оболочку вокруг указанного соединения и, по меньшей мере, части конструктивных слоев композиционного материала.

19. Способ по п.17 или 18, в котором присоединяют внешнюю оболочку к указанному соединению и к конструктивным слоям, по меньшей мере, одним из химического отверждения и термической обработки.

20. Способ по п.17 или 18, в котором внешнюю оболочку наматывают по окружности вокруг указанного соединения и, по меньшей мере, части конструктивных слоев композиционного материала первой и второй трубопроводных секций.

21. Способ по п.17 или 18, который дополнительно содержит перед приложением энергии для соединения коррозионно-стойких слоев удаление, по меньшей мере, части конструктивного слоя и, по меньшей мере, части огнестойкого слоя первой и второй трубопроводных секций для открытия коррозионно-стойких слоев вблизи соединения первой и второй трубопроводных секций.

22. Способ обеспечения коррозионной и огнестойкой защиты конструктивного элемента для размещения коррозионных нефтепродуктов, содержащего конструктивный слой, имеющий первую и вторую противоположные поверхности, содержащий следующие стадии:
нанесение на первую поверхность материала, выбранного из керамики, аморфных металлов и их комбинаций, и образование коррозионно-стойкого слоя для контакта с коррозионными нефтепродуктами;
нанесение на вторую поверхность огнестойкий материал, имеющего теплопроводность менее 0,4 Вт/м°C для образования огнестойкого слоя покрытия с толщиной конструктивного элемента, соответствующей уровню II стандарта по пределу огнестойкости в соответствии с протоколом испытаний на огнестойкость IMO А 18/Res.753 Международной ассоциации морских лоцманов.

23. Способ по п.22, в котором наносится огнестойкий материал на конструктивный элемент для обеспечения времени прогорания конструктивного элемента, составляющего, по меньшей мере, 15 минут.

24. Способ по п.22 или 23, который содержит нанесение на конструктивный слой армирующей сетки перед нанесением на него огнестойкого слоя покрытия.