книги из ГПНТБ / Большаков Г.Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов

и других материалов, предотвращающих контакт нефтепродукта

своздухом.

Уменьшение градиента перепада температур хранящегося нефте­

продукта и газового пространства. Если Т1 = Т2 = const, то по­ терь от малых дыханий при неизменном внешнем давлении не будет. Поэтому нужно стремиться сокращать амплитуду колебаний внутри резервуаров. Эффективным методом сокращения температурных колебаний является, например, подземное хранение, соответствующая окраска резервуаров и др.

Увеличение давления внутри резервуара. Из уравнения (64) следует, что при повышении давления внутри резервуара потери будут уменьшаться и при некотором значении р 2 они становятся довольно малыми. На практике это подтверждается. Например, если потери из резервуара емкостью 5000 м3 при давлении 200 мм

улавливать с помощью газовой обвязки резервуаров, которая пред­ ставляет собой систему газопроводов, соединяющих газовые про­ странства группы резервуаров, в которых хранятся нефтепродукты одного сорта. При заполнении одного из резервуаров пары перете­ кают в другой, например опорожнивающийся, резервуар или газосборник и потери значительно сокращаются.

Рациональная эксплуатация резервуарного парка. Наконец, по­ тери нефтепродуктов от испарения можно существенно сократить путем рациональной эксплуатации резервуарного парка и других технических сооружений. Очень внимательно, почти ежедневно, нужно следить за состоянием герметичности резервуаров и исправ­ ностью дыхательной арматуры. Хранить нефтепродукты нужно в резервуарах большой емкости. С ^уменьшением объема резервуа­ ров потери увеличиваются:

При уменьшении внутрибазовых перекачек потери значительно снижаются. Следует избегать ненужных перекачек из резервуара в резервуар. Замер уровня налива и отбор проб необходимо выпол­ нять рано утром или поздно вечером, когда температуры окружа­ ющего воздуха и парового пространства в резервуарах приблизи­ тельно равны. Лучше всего иметь автоматические приспособления для контроля уровня налива и отбора проб. В жарком климате резервуары желательно оборудовать искусственным охлаждением, например орошением водой.

37

Разумеется, не всегда имеются условия для выполнения всех названных мероприятий, направленных на уменьшение потерь нефтепродуктов и предотвращение изменения их качества. Однако нужно стремиться выполнить их как можно полнее.

Глава 3

ЗАГРЯЗНЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ МЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИМЕСЯМИ

Чистота нефтепродуктов и надежность

работы двигателей и машин

С момента получения на заводе до применения нефтепродукты проходят длинный путь. Они многократно перекачиваются, транс­ портируются, длительное время хранятся в различных условиях. При этом нефтепродукты неизбежно контактируют с воздухом, в котором всегда находится определенное количество пыли и других твердых загрязнений. Эти механические примеси попадают в нефте­ продукты и постепенно в них накапливаются. Твердые загрязнения

Твердые загрязнения вызывают также абразивный износ трущихся деталей. Продукты износа частично попадают в камеры сгорания, обусловливая повышенное нагарообразование. Кроме того, про­ дукты износа могут вызвать эрозию турбин реактивных двигателей. Таким образом, чистота топлив и масел в процессе применения посте­ пенно уменьшается. Между тем хорошо известно, что чистота топ­ лив является одним из важнейших эксплуатационных качеств нефтепродуктов.

В идеальном случае в топливах не должно содержаться механи­ ческих примесей. В реальных условиях этого достичь не удается, и в товарных нефтепродуктах механические примеси имеются всегда, хотя не всегда они обнаруживаются методами, предусмотренными ГОСТ и ТУ. Требования к чистоте топлив приведены в табл. 15.

Разные требования к чистоте топлив объясняются различными условиями их применения и конструктивными особенностями двига­ телей. Наиболее жесткие требования предъявляются к чистоте авиационных нефтепродуктов, что связано прежде всего с надеж­ ностью летательных аппаратов и безопасностью полетов.

В командном агрегате топливной системы зазоры в трущихся механизмах составляют 5—14 мкм и лишь в системе плунжер — втулка достигают 22 мкм. В связи с большими расходами топлива,

38

достигающими нескольких тонн в час, даже относительно небольшая загрязненность может вызвать значительный износ топливной аппа­ ратуры и существенно уменьшить надежность работы двигателей. В настоящее время считается нормальным, чтобы загрязненность реактивных топлив составляла не более 100—150 мг/т, т. е. не более 0,000025%. В табл. 16 показано влияние загрязненности реактив­ ного топлива на увеличение зазора в трущейся паре плунжер — втул­ ка. Из приведенных данных видно, что с увеличением загрязненности топлива износ увеличивается по закону, приближающемуся к прямо­ линейному.

Таблица 16

Влияние загрязненности топлива Т-1 на износ плунжерной пары при испытаниях в стендовых условиях

39

Таблица 17

Влияние загрязненности дизельного топлива на отно­ сительный срок службы плунжерной пары [53]

Велико значение чистоты топлив в обеспечении нормальной работы дизелей. Твердые частицы, попадающие в насос и форсунки, приводят к повышенному износу отсечного клапана плунжера гильзы,

Среди топлив наибольшую загрязненность имеют мазуты, которые характеризуются и максимальной зольностью, достигающей 2,5%

40

для высоковязких мазутов. Большое количество загрязнений ухуд­ шает работу газотурбинных и котельных установок из-за повышен­ ного образования отложений в камерах сгорания и на лопатках турбин. Значительная часть золы котельных топлив, взаимодействуя с кислородом при сгорании, превращается в пар. При 800° С в пар превращается 70—85% золы. Пары окислов компонентов золы кон­ денсируются на относительно холодных поверхностях нагрева и прочно к ним прилипают. Твердые или жидкие частицы золы рас­ пыленных топлив имеют небольшие размеры и почти полностью уносятся из топки потоком газов. Поэтому видимого накопления золы в топках не наблюдается, однако на экранах образуются тонкие пленки шлака, обусловливая увеличение температуры газов на выходе из топки до 100—120° С. Иногда слой золы толщиной 0,4 мм на экранах уменьшает их тепловосприятие на 40—45%. Зола, кото­ рая прилипает к поверхности обмуровки, приводит к ее разрушению.

В результате конденсации продуктов сгорания золы и прилипа­ ния легкоплавких пылинок золы наблюдается довольно интенсив­ ное увеличение отложений в высокотемпературной области конвек­ тивных газоходов. Эти отложения имеют вид плотных, спекшихся и местами сплавленных масс шлакообразного материала. Они ухуд­ шают теплопередачу и затрудняют проход газов между трубками, снижая производительность агрегатов. На трубках пароперегрева­ телей образуются отложения толщиной до 45—60 мм. Основную роль в процессах отложения золы в виде шлаковых и спекшихся масс в области первых поверхностей нагрева и пароперегревателей играют соединения ванадия, натрия и серы. Эти процессы связаны с плавкостью продуктов сгорания золы жидких топлив. В зависи­ мости от соотношения окислов ванадия, натрия и соединений серы температура плавления образующихся эвтектик лежит в пределах

530-800° С (табл. 18).

Таблица 18

Температура плавления (°С) веществ, образующихся в процессе горения мазута

Температура Температура Температура Вещества спекания начала полного

плавления плавления

Присутствие окислов серы приводит, как правило, к спеканию продуктов сгорания золы при более низких температурах. Напри­

41

мер, экспериментально установлено, что зола, состоящая из 68% Ѵ20 Б, 14,1% Na20 и 2,2% К 20 , в окислительной атмосфере с приме­ сями SO 2, Ѵ20 5 прилипает к поверхностям нагрева уже при 480° С. Если возникают условия, при которых из окислов серы и воды обра­ зуются сернистая и серная кислоты, и если температура поверх­ ности нагрева на каком-либо участке оказывается ниже точки росы кислот в дымовых газах, то происходит их конденсация. Кислоты смачивают оседающие частицы золы, делают их липкими, реагируют с ними и способствуют образованию прочных и плотных отложений. Увеличение толщины отложений на поверхностях нагрева приводит к понижению температуры уходящих газов. Отложения золы умень­ шают проходы для газов и увеличивают сопротивление их движе­ нию, следствием чего является уменьшение производительности. Иногда отложения бывают настолько велики, что вызывают необхо­ димость остановки агрегатов для капитального ремонта. Например, по данным Я. Б. Черткова с соавторами [53], при сжигании мазута с зольностью 0,1—0,15% продолжительность работы котлов Омской ТЭЦ между очистками составляла 1—1,5 мес. Увеличение зольности мазута до 0,5—0,6% уменьшило работоспособность котлов до 7 дней. В конце этого периода производительность котлов уменьшилась вдвое. Состав отложений различен в высоко- и низкотемпературных областях. При 600—650° С основными источниками загрязнений являются соединения ванадия, натрия и сульфаты. Содержание окислов ванадия в зоне пароперегревателя достигает 30%, а затем по ходу газов снижается (в нижней части холодной ступени воздухо­ перегревателя до 2—5%). Содержание окислов железа в области пароперегревателя незначительно повышается по ходу газов (3—4%) и существенно увеличивается (до 25—38%) в нижней части холод­ ной ступени воздухоперегревателя. Содержание окислов кальция максимально на поверхности пароперегревателя (10—11%) и мини­ мально (2—3%) на выходных концах труб воздухоподогревателя. Таким образом, сернистые котельные топлива со значительным содер­ жанием загрязнений при сгорании образуют много отложений, затрудняя эксплуатацию котельных установок.

Исключительно велико влияние чистоты смазочных масел на износ трущихся деталей двигателей. Кроме загрязнений, содержа­ щихся в свежих маслах, значительное количество механических примесей попадает в масляную систему в процессе эксплуатации дви­ гателей из атмосферы с воздухом и отработанными газами, прорыва­ ющимися из камеры сгорания в картер. Несмотря на наличие в мас­ ляной системе фильтров грубой и тонкой очистки, проблема удале­ ния загрязнений из масла в двигателях не решена, поскольку фильтры грубой очистки имеют тонкость фильтрации 60—80 мкм, а фильтры тонкой очистки с тонкостью фильтрации 10—12 мкм могут обеспечить фильтрацию только 5—10% масла.

На рис. 10 показано влияние загрязненности масла на износ ко­ ренных и шатунных шеек и подшипников коленчатого вала шести­ цилиндрового двигателя. Масло поступало в коленчатый вал слева

42

направо и подвергалось центробежной очистке. Из приведенных дан­ ных видно, что загрязненное масло вызывает повышенный износ шеек и подшипников. Износ этот неравномерен и достигает макси­ мального значения при входе в коленчатый вал. При дальнейшем продвижении загрязненного масла по коленчатому валу износ уменьшается. Последние шейки и подшипники изнашиваются меньше всего. При работе на чистом масле износ значительно меньше и прак­ тически одинаков.

Коренные шейки и подшипники бала Шатунные шейки и подшипники бала

Рис. 10. Влияние загрязненности масла на износ коленчатого вала шестицилин­ дрового поршневого двигателя после 100 ч работы.

Масло: 1, 2 — чистое, 3 , 4 — контактировавшее в процессе работы с запыленным воздухом

(2—3 г/м8); износ: 1 , 4 — подшипников, 2 , 3 — шеек.

При увеличении загрязненности масла значительно увеличивается износ гильзы и поршневых колец двигателей. Экспериментально установлено [38], что с увеличением механических примесей в цир­ кулирующем масле от 0,05 до 0,2% скорость износа верхней части гильз повышается более чем в 2 раза (табл. 19). В масле содержа­ лись механические примеси размером до 30—40 мкм.

Таблица 19

Влияние загрязненности масла на скорость износа гильзы и верхнего поршневого кольца

Таким образом, надежность и долговечность двигателей и дру­ гих машин во многом определяются степенью загрязненности топлив

43

имасел. При применении нефтепродуктов, не содержащих твердых примесей или, в крайнем случае, содержащих механические примеси с частицами меньше зазоров трущихся деталей и прецизионных пар, срок службы двигателей и машин, использующих нефтяные топлива

имасла, может быть увеличен во много раз.

Причины и источники загрязнения нефтепродуктов механическими примесями

Основные причины и источники загрязнения нефтепродуктов меха­ ническими примесями:

1)попадание загрязняющих примесей из атмосферы;

2)образование нерастворимых продуктов в результате коррозии металлов и разрушения неметаллических материалов;

3)образование нерастворимых продуктов в результате окисле­ ния малостабильных компонентов топлив и масел — гетерооргани-

ческих соединений и непредельно-ароматических углеводородов;

4)налив нефтепродуктов в плохо зачищенные емкости и пере­ качка по грязным трубопроводам;

5)накопление загрязнений в отстойниках и на дне резервуаров. Рассмотрим процессы загрязнения нефтепродуктов из атмо­

сферы (образование нерастворимых продуктов вследствие корро­ зии и окисления см. в следующих главах). Пыль всегда нахо­ дится в атмосфере в тех или иных количествах. Она состоит из сухих частиц почвы, поднимаемых ветром. Запыленность воздуха в разных районах весьма различна и зависит от типа почвы, расти­ тельности и интенсивности ветров. Большое влияние на запылен­ ность воздуха оказывает интенсивность движения транспорта по грунтовым дорогам. Движущиеся машины измельчают частицы почвы, и образующаяся пыль поднимается ветром в воздух. Чем выше дисперсность пыли, тем больше, как правило, запыленность воздуха. Особенно велико влияние запыленности воздуха на загряз­ нение топлив и масел в районе нефтебаз. Максимальное загрязнение нефтепродуктов наблюдается на базах, грунт которых не защищен растительностью. Грунтовые дороги, расположенные около базы со стороны преимущественного направления дующих ветров, сильно запыляют атмосферу и увеличивают загрязненность топлив и масел, особенно в дни приема и выдачи. Таким образом, при строи­ тельстве подъездных путей и дорог нужно учитывать розу ветров.

Грунтовая пыль состоит из частиц разного размера и имеет раз­ личный состав. Основным компонентом пыли являются окислы крем­ ния (кварц). Содержание кварца в пыли 65—98 %. Кварцевые частицы обычно имеют плотность около 2650 кг/м3 и характеризуются твер­ достью 1100—1200 кгс/мм2, которая превышает твердость других частиц пыли. С увеличением содержания окислов кремния загрязне­ ния с эксплуатационной точки зрения становятся более неприят­ ными: износ двигателей возрастает (табл. 20).

44

и алюминия — также довольно твердые вещества. Остальные соста­ вляющие пыли являются более мягкими и представляют собой смесь органических веществ с неорганическими. Плотность пыли 2400—2600 кг/м3. Размер частиц пыли определяется структурой почвы (табл. 21). Как видно из данных таблицы, количество частиц размером до 50 мкм составляет в основном 20—95 %. Лишь пыль Ливийской пустыни содержит 10% частиц до 50 мкм. На песчаных и супесчаных почвах количество пыли, состоящей из таких частиц, равно 20—30%. На остальных почвах образуется пыль, содержание в которой частиц размером до 50 мкм всегда равно около 50% и более. Особенно мелкой пылью является лёссовая, которая довольно распространена. Количество мелких частиц (до 30 мкм) в лёссовой пыли достигает 80%. Особенностью лёссовой пыли является то, что ее мельчайшие частицы (размером в несколько микрометров), попа­ дая в нефтепродукты, как бы склеиваются между собой, образуя колючки, оседающие на дно резервуаров.

Частицы пыли размером до 5 мкм могут часами находиться в воз­ духе.“" Сила сопротивления /, оказываемая воздухом падающей

45

шарообразной частице, может быть определена по известному

Аналогичный результат получим, еслискоростьвосходящего воздуха равна ѵ.Частицы пыли в этом случаебудут парить в воз­ духе. Если принять скорость восходящего воздуха 0,6 м/сек, то при температуре воздуха 25—40° С диаметр парящих частиц пыли будет 70—80 мкм. С увеличением скорости восходящих потоков в воздух будут увлекаться все более крупные частицы пыли и запыленность топлива возрастет.

Загрязнение нефтепродуктов из атмосферы наблюдается при боль­ ших и малых дыханиях резервуаров, а также во время их открыва­ ния для отбора проб, замеров уровней и др.

^ Количество пыли, поступающей в резервуар с нефильтрованным воздухом при освобождении его в процессе выдачи, может быть зна­ чительным (табл. 22). Так, при запыленности воздуха 2 г/м3 в резер­ вуар емкостью 5000 м3 поступает 10 кг пыли, которая частично осе­ дает на дно, а частично уносится с выдаваемым продуктом, загряз­ няя его.

При большой запыленности воздуха количество пыли, поступа­ ющей в крупные резервуары, может достигать десятков килограм­ мов. При малых дыханиях резервуаров, обусловленных температур­ ным расширением продуктов и колебанием атмосферного давления, количество загрязнений тоже может быть значительным. При отсут­ ствии выдачи нефтепродуктов вся поступающая пыль остается в ре­ зервуаре; наиболее крупные частицы оседают на дно, а мелкие (менее 1—2 мкм) могут многие месяцы находиться в нефтепродук­ тах во взвешенном состоянии.

При нагревании нефтепродуктов в резервуарах и при пониже­ нии атмосферного давления происходит расширение жидкой фазы

46