Базальты являются породами магматического происхождения обладают высокими природными характеристиками по прочности, химической и термической стойкости. Соответственно, базальтовые непрерывные волокна (БНВ), волокна (БВ) и базальтовая чешуя (БЧ), которые производят из расплавов базальтов, обладают высокой прочностью, химической и термической стойкостью, не подвержены коррозии, имеют длительные сроки эксплуатации под воздействием внешней, морской и агрессивных сред [1, 2, 3].
Преимущества БНВ и БЧ
- БНВ и БЧ – единственные волокна и чешуя, которые производятся исключительно из природного сырья – базальтовых пород, в отличие от стекловолокна (СВ) и углеродных волокон (УВ). В мире и РФ запасы базальтов, пригодных для производства волокон и чешуи, достаточны, они доступны и огромны.
- Базальты – готовое сырье для производства волокон и чешуи. Основные затраты на подготовку базальтового сырья выполнены в природных условиях. Поэтому производство БВ, БНВ и БЧ не является энергоемким.
- Стойкость БНВ и БЧ к воздействию агрессивных сред – растворов солей, кислот, щелочей – открывает широкие перспективы их применения для материалов и конструкций, длительно (до 100 лет) работающих под воздействием окружающей и морской среды. [1, 2]. Низкая гигроскопичность – в 6–8 раз ниже, чем у стекловолокна. Поэтому тепло- и звукоизоляционные материалы только из базальтовых супертонких волокон (БСТВ) применяют в авиационной промышленности и судостроении [2].
- Термическая стойкость. Материалы из БСТВ и БНВ могут длительно применяться при температурах от –200 0С до +600 0С. На основе БВ изготавливают материалы, которые могут работать под воздействием криогенных и высоких температур, а также пожаростойкие материалы.
- Разработки в области технологий и оборудования производства ранее [4] и в последние годы [5] позволили существенно снизить энергоемкость и себестоимость производства БНВ, создать заводы БНВ и М и рынки сбыта их продукции для строительной отрасли и дорожного строительства, промышленности, энергетики, водного и коммунального хозяйства.
- Возможность использования для плавления базальтов попутного нефтяного газа и газового конденсата, которые сжигают в факелах на месторождениях.
- Производство БНВ – экологически чистое, полностью отвечает современным требованиям по экологии и по декарбонизации промышленности и энергетики.
Представленные преимущества выгодно отличают БНВ от стеклянных (Е и S) и углеродных волокон (УВ), которые производятся из искусственного сырья. СВ и УВ длительное время применяют для производства композитов. В составе конструкционных композитов армирующие волокна являются основным компонентом (до 80 %), обеспечивают прочностные характеристики композитов и во многом определяют их стоимость.
В таблице 1 представлены сравнительные характеристики непрерывных базальтовых, стеклянных и углеродных волокон, применяемых для производства композитных материалов и изделий.
Технико-экономический анализ таблицы 1 показывает, что БНВ имеют наиболее предпочтительное соотношение «характеристики/стоимость» по сравнению с СВ и УВ. По прочностным характеристикам БНВ превышает Е-стекловолокно, находится на уровне дорогого S-стекловолокна и близко к сверхдорогим высокомодульным УВ.
УВ имеют исключительно высокие прочность на разрыв и модуль упругости, что определяет их применение в авиационной промышленности, для производства спортивного инвентаря. Широкое и массовое применение высокомодульных УВ крайне ограничено их высокой стоимостью. Стоимость УВ в 20–25 раз превышает стоимость Е-стекловолокна и БНВ. Композитные материалы на основе УВ подвержены горению.
Объемы производства УВ в мире на 2022 год составляют до 140 тысяч тонн в год [6].
Е-стекловолокно десятки лет широко применяется для производства композитов, т.к. имеет достаточно высокие прочностные характеристики и низкую стоимость. Этим определяются огромные объемы производства Е-стекловолокна – около 8 миллионов тонн в год, наличие множества заводов производителей стекловолокна, стеклотканей, нетканых материалов и стеклопластиков. Однако Е-стекловолокно имеет некоторые недостатки – гигроскопичность и низкую стойкость к воздействию щелочной среды; для его производства требуется шихта из химически чистых компонентов: SiO2, Al2O3, сода, ..., оксид бора В2О3.
Стекловолокно, как по капиллярам, втягивает и впитывает влагу, что приводит к расслоению и повреждению стеклопластиков. Рубленые армирующие волокна и композитная арматура на основе Е-стекловолокна подвержены разрушению в щелочной среде бетонов [7].
Композиты на основе Е-стекловолокон производят с применением эпоксидных и полиэфирных смол, которые являются горючими. Поэтому стеклопластики являются горючими.
Рост стоимости энергоносителей – природного газа и электроэнергии – только увеличивает приоритет и преимущества БНВ. Для производства БНВ требуется в два раза меньше природного газа и в несколько раз меньше энергоносителей, чем на производство БНВ.
Совокупность характеристик позволяет широко применять армирующие и композитные материалы БНВ в строительной отрасли [7, 8], дорожном и гидротехническом строительстве [9], машиностроении, автомобильной [10] и авиационной промышленности [11, 12], судостроении [ ] и энергетике [13], а также нефтегазовой отрасли.
Преимущества материалов на основе базальтов особо проявляются в сложных условиях длительной эксплуатации под воздействием окружающей и морской среды, сернистой нефти. Химическая стойкость БНВ позволяет широко использовать армирующие, композитные материалы, а также защитные покрытия с базальтовой чешуей (БЧ) в нефтегазовой отрасли.
К настоящему времени в нефтегазовой отрасли в основном применяют сталь, из которой изготовлены промысловые трубы для нефтепромыслов, трубы для магистральных нефте- и газопроводов, емкости нефтехранилищ и ГСМ, арматура, металлоконструкции. Стальные трубы подвержены коррозии от воздействия сернистой нефти, влажной и морской среды. Коррозия воздействует на стальные трубопроводы и особенно активно – в местах сварных швов.
В связи с этим для обеспечения требуемых сроков эксплуатации трубопроводов, особенно в морской среде, толщину стенок труб увеличивают с учетом их ослабления и повреждения коррозией. Так, толщина стальных труб газопроводов Северный поток-1, Северный поток-2 и Южный поток составляет 38 мм, что удорожает их стоимость.
По своим техническим, эксплуатационным характеристикам БНВ-композитные трубы высокого давления больших диаметров превосходят стальные трубы для магистральных газо- и нефтепроводов.
В таблице 2 представлены сравнительные характеристики композитов БНВ и легированной стали (по данным НИИ строительных конструкций и НИИ бетона и железобетона, на основе показателей сравнительных испытаний композитной арматуры БНВ и стальной арматуры) [7, 14, 15, 16, 17].
Анализ таблицы 2 показывает, что по своим техническо-экономическим характеристикам армирующие, композитные материалы и изделия на основе БНВ позволяют успешно заменить изделия из стали. Расход энергоносителей на производство композитной арматуры из БНВ в 20 раз меньше, чем на производство аналогичной по объему стальной арматуры. Это особо актуально в связи с существенным ростом стоимости энергоносителей и изделий из стали в последние годы.
По сочетанию прочностных характеристик, стойкости к воздействию агрессивных сред, термостойкости, низкой гигроскопичности, долговечности эксплуатации при воздействии окружающей и морской сред, ударных и знакопеременных нагрузок БНВ является наиболее приоритетным для широкого применения в нефтегазовой отрасли.
Нефтегазовая отрасль достаточно материалоемкая, где востребованы значительные объемы материалов с высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками, стойкие к коррозии, но по приемлемым ценам.
Особые требования нефтегазовой отрасли – применение негорючих и пожаростойких композиционных материалов. Производить негорючие композиты возможно на основе БНВ и неорганических связующих [18, 19]. Неорганические связующие до полимеризации имеют щелочную реакцию. Поэтому только БНВ, стойкие к воздействию щелочей, пригодны для производства негорючих композитов.
Основные направления применения материалов на основе базальтов в нефтяной и газовой отрасли.
Базальтовая чешуя (БЧ). Защитные покрытия, армированные базальтовой чешуей.
БЧ – плоские чешуйки толщиной 2–6 микрон получают из расплава базальтов методом центрифугирования.
БЧ наносится на защищаемую поверхность напылением совместно с лакокрасочным или высокомолекулярными покрытиями.
БЧ обеспечивает многослойное армирование лакокрасочных покрытий, их защиту от повреждений и истираемости, антикоррозионную защиту стальных изделий и конструкций, а также бетонных сооружений [3].
Срок службы армированных БЧ ЛКП возрастает в 2,5–3 раза (особенно для подводных трубопроводов и конструкций), т.к. базальтовая чешуя препятствует повреждению ЛКП, проникновению воды к стали труб, металлоконструкций и их коррозии.
Представленные данные подтверждены опытом применения БЧ для ЛКП стальных труб, а также конструкций гражданских и ледокольных судов.
Технологии и оборудование – установки для производства БЧ BSk 50 и BSk 120 позволяют с низкими энергозатратами и себестоимостью производить БЧ.
Области применения БЧ
Судостроение – покрытия корпусов и надстроек судов. Межремонтный срок эксплуатации лакокрасочного покрытия корпуса корабля возрастает в 2,5–3 раза. Корпус судна гораздо меньше подвержен коррозии и обрастанию подводной части корпуса. Защитные антикоррозийные покрытия портовых сооружений, железобетонных конструкций заводов по сжижению природного газа и доков.
Нефтегазовая и химическая отрасли – антикоррозийные, химически и износостойкие защитные покрытия труб промысловых и магистральных нефте- и газопроводов, стальных и железобетонных конструкций, конструкций шельфовых и морских нефте- и газодобывающих платформ. Пожаростойкие покрытия.
Строительство – защитные ЛКП мостов, дорожных конструкций и сооружений, гидроизоляционные покрытия строительных конструкций и фундаментов. Долговечные защитные ЛКП фасадов и стен зданий.
Автомобилестроение – ударостойкие антикоррозионные покрытия днищ автомобилей, наполнители шпаклевок.
Энергетика – защитные коррозионностойкие покрытия опор линий электропередач, конструкций градирен, гидроизоляционные покрытия бассейнов охладителей, бетонных плотин приливных и ГЭС, оснований и опор ветрогенераторных установок на суше и в водной акватории.
Металлургия – антикоррозионные покрытия листового металла, проката, труб.
Тепло- и звукоизоляционные материалы из базальтовых супертонких волокон (БСТВ) и иглопробивных холстов БНВ
Для производства БСТВ применяются установки БСТВ 20М и БСТВ 40.
Из нескольких установок БСТВ 20М и БСТВ 40 создаются участки, цеха по производству БСТВ и теплоизоляционных материалов на их основе.
Как показывает опыт, производства БСТВ и теплоизоляционных материалов и изделий предпочтительнее размещать ближе к крупным потребителям с целью сокращения неоправданно высоких расходов на транспортировку на большие расстояния легкой и объемной теплоизоляции, что в условиях удаленных регионов Арктической зоны, Сибири, Дальнего Востока нерационально и экономически нецелесообразно. С учетом этого, а также накопленного практического опыта, компанией «BFM TD» было проработано и предложено рынку инновационное технологическое решение – создание плавучего участка производства БСТВ и теплоизоляционных материалов на его основе на базе смонтированных на барже установок БСТВ 20М и БСТВ 40. Эксплуатационной дорожной картой предусматривается, что плавучие участки БСТВ и баржи с запасом базальтового сырья будут буксироваться вдоль побережья Ледовитого и Тихого океанов по маршруту Северного морского пути, устьям и руслам сибирских и дальневосточных рек, периодически швартуются и за счет природного газа с заводов сжижения природного газа (компании «НОВАТЭК» и других) или доставляемого танк-контейнерами, а также попутного нефтяного газа месторождений нарабатывают теплоизоляционную продукцию для крупных местных потребителей в северных и дальневосточных регионах, а также непосредственно в местах или регионах реализации крупных СМП, нефтегазовых добычных, промышленных и инфраструктурных проектов в Арктике, Сибири, на Дальнем Востоке.
Оборудование для производства БНВ
Современное оборудование производства БНВ представлено модульными технологическими линиями TE BCF 2000 третьего- и TE BCF 2500 четвертого поколений.
Технические характеристики технологических линий ТЕ BCF 2000 и ТЕ BCF 2500
Заводы БНВ создаются на основе технологических линий TE BCF 2000 и TE BCF 2500. Технологические линии ТЕ BCF 2500 четвертого поколения применяются при наличии высококачественного базальтового сырья и квалифицированного персонала.
БНВ-композитные материалы, изделия, трубы, цистерны, емкости-хранилища
БНВ-композитные изделия изготавливаются на основе ровингов, тканей, матов рубленого волокна, базальтовой бумаги (фото 4.1, 4.2, 4.3), которые послойно укладывают и пропитывают связующими. Технологии производства композитных изделий отработаны в машиностроении (бамперы, крылья, капоты, обтекатели и кузова автомобилей), судостроении (лодки, катера, яхты, малотоннажные рыболовецкие и специализированные суда) и применимы для производства БНВ-композитных труб, цистерн, емкостей-хранилищ для нефтегазовой отрасли.
Для нефтегазовой отрасли востребовано создание производств БНВ-композитных промысловых труб диаметрами 100–600 мм под давление до 10 бар (кг/см2) и труб больших диаметров от 1000 до 1600 мм под давление 100–150 до 200 бар для магистральных трубопроводов.
Преимущества БНВ-композитных труб в сравнении со стальными трубами – отсутствие коррозии и долговечность эксплуатации, существенно меньшие материалоемкость и вес, простота стыковки труб (без проведения сварочных работ). Особо преимущества композитных БНВ труб значимы для подводных и морских трубопроводов.
Технологическое оборудование, характеристики БНВ позволяют производить композитные трубы диаметрами 1200–1600–1800 мм давлением 100–200 бар, что позволяет существенно увеличить пропускную способность (производительность) трубопроводов. Для укладки на дно и исключения всплытия легких композитных нефте- и газопроводов их пригружают более тяжелым бетонным балластом, чем стальные трубопроводы.
Технологии и оборудование непрерывной намотки композитных труб позволяет производить БНВ-композитные трубы для магистральных морских трубопроводов длинными хлыстами от 25 до 100 метров. Поэтому производства композитных труб следует располагать вблизи портов, для погрузки длинномерных труб непосредственно на баржи для доставки их к месту укладки морского трубопровода, мест строительства трубопроводов для доставки длинномерных труб вдоль маршрута укладки трубопроводов.
Отработаны конструкции, технологии и оборудование производства труб больших диаметров – 1800, 2000 мм и сверхбольших диаметров – 3000, 4000, 5000, 6000 мм. Композитные конструкции обеспечивают требуемую прочность труб при существенном снижении веса (в 3,5–4 раза по сравнению со стальными трубами), материалоемкости и себестоимости производства труб. Испытания показали, что БНВ-композитные трубы хорошо держат радиальные нагрузки и на изгиб, внутреннее и внешнее давление.
Композитные трубы сверхбольших диаметров являются основой для производства транспортных цистерн и емкостей для хранения нефтепродуктов.
БНВ-композитные баллоны высокого давления
На основе БНВ производят композитные баллоны для сжатого природного газа (рабочее давление 240 бар, испытания баллонов давлением 500 бар). БНВ обеспечивают тысячи циклов заправок баллонов сжатым природным газом и безопасность их эксплуатации на автомобилях.
Создание производств автомобильных баллонов сжатого природного газа позволит существенно расширить внутренний рынок потребления природного газа, снизить стоимость топлива для автомобилей с ДВС и выбросы в окружающую среду.
Баллоны большой емкости для транспортировки и хранения сжатого природного газа давлением 380–400 бар. Четыре сигарообразных баллона диаметром 1250 мм, длиной 12 000 мм размещают в конструктиве 40-футового контейнера. Контейнеры с CNG баллонами судами и железной дорогой доставляют из районов газодобычи в центральные районы страны и далее автомобилями-контейнеровозами доставляют потребителям и на газозаправочные станции.
Создание производств сигарообразных баллонов высокого давления позволяет существенно расширить использование природного газа для районов РФ, где нет сети газопроводов и их строительство экономически неоправданно, а также для сетей заправок автомобилей сжатым природным газом.
Композитные прутки, профили, трубки, канаты
Композитные продольные элементы производятся из пропитанных связующими ровингов на пултрузионных технологических линиях. Из ровингов БНВ производят прутки, арматуру диаметрами 4, 6, 8, …32 мм, трубки малых диаметров, профили сложной формы, вантовые тросы (фото 9).
Композитные БНВ-прутки и толстостенные трубки применимы в качестве тяг привода помп нефтяных качалок. В настоящее время используют стальные прутки диаметрами от 28 до 32 мм длиной по 6 метров, которые скручивают и соединяют в длинные тяги помпы нефтяной качалки. Большой вес стальной тяги длиной на глубину нефтяной скважины требует применения мощного электродвигателя для привода нефтяной помпы.
БНВ-композитные тяги в 10 раз легче стальных, не подвержены коррозии при воздействии сернистой нефти и значительно дешевле в производстве. Применение композитных тяг нефтяных качалок вместо традиционных стальных позволит снизить потребление электроэнергии и себестоимость добычи нефти из скважин.
Армирующие и БНВ-композитные материалы для портового, прибрежного строительства и берегоукрепления: базальтовое рубленое волокно для дисперсного объемного армирования бетонов, строительные и дорожные сетки, композитная арматура для армирования бетонных конструкций (фото 10.1, 10.2, 10.3).
Объемное армирование бетонов рубленым волокном (базальтовой фиброй) в 2,25–2,5 раза повышает трещиностойкость и прочность бетонов [6, 8]. БНВ-композитная арматура (БКА) в 8–10 раз легче аналогичной по прочности стальной арматуры А3, А4, не подвержена коррозии в морской среде [7]. Применение БКА в строительной отрасли и дорожном строительстве сертифицировано на уровне технических условий (ТУ), ГОСТов, СНиПов.
Компанией Basalt Fiber Materials Technology Development Co разработаны технологии и оборудование производства преднапряженной БКА, которые имеют мировой приоритет и запатентованы компанией [21]. БКА имеет высокую удельную прочность на разрыв (в 3,3 раза выше стальной арматуры А4). Испытания композитной арматуры БНВ проведены в НИИ бетона и железобетона, НИИ строительных конструкций, НИИ дорожного строительства, ряде зарубежных сертифицированных центров. Разработаны и утверждены ГОСТы РФ и ряда стран и на применение композитной арматуры в строительстве [16, 17], разрабатывают стандарты ЕС и США.
Композитная арматура, профили применяются в практике мостостроения, дорожном и сейсмостойком строительстве. Армирующие и БНВ-композитные материалы применимы в дорожном строительстве: базальтовая фибра, дорожные и арматурные сетки, арматура, трубы, опоры и балки пролетов мостов [9].
Освоение и обустройство новых месторождений газа и нефти требует широкого применения армирующих материалов БНВ для строительства дорог, ЛЭП, инфраструктуры. Армирующие материалы БНВ востребованы для строительства дорог, мостов, портов и прибрежных сооружений, бетонных кессонных сооружений для размещения заводов сжижения природного газа компанией «НОВАТЭК» в доках пос. Белокаменка Мурманской области. Преимуществом армирующих материалов БНВ является их коррозионная стойкость, существенное в 2,25–2,5 раза повышение прочности и трещиностойкости армированного базальтовой фиброй бетона, долговечность эксплуатации бетонных конструкций.
Трубы БНВ больших диаметров для сооружения опор мост, эстакад, шельфовых нефте- и газодобывающих платформ. Композитные профили, уголки, швеллеры, двутавры, трубы,профили, шпунты Ларсена позволяют успешно заменять их стальные аналоги. Обеспечение потребностей нефтегазовой отрасли в материалах и изделиях БНВ потребует создания новых крупных производств. Для нефтегазовой отрасли предлагается создавать заводы БНВ, армирующих и композитных материалов, труб для нефте- и газодобычи, для магистральных трубопроводов.
Технико-экономические вопросы создания производств БНВ и материалов БНВ
Сырьевая и энергетические составляющие производства БНВ
Базальты – это застывшая магма, основные энергозатраты на подготовку базальтового сырья выполнены в природных условиях. Поэтому расход энергоносителей в камнеплавильных агрегатах технологических линий ТЕ BCF 2000 – 2500 незначителен. Для РФ энергозатраты в составе себестоимости БНВ составляют менее 12 %. В нефтегазовой отрасли для создания промышленных производств БНВ, БЧ и БСТВ, плавления базальтов и выработки электроэнергии рационально использовать природный газ или попутные энергоресурсы, попутный нефтяной газ, газовый конденсат, которые зачастую сжигают в факелах на месторождениях, загрязняя окружающую среду. Для эффективного плавления базальтов с низкими энергозатратами разработаны специализированные горелки, камнеплавильные печи и системы рекуперации.
Технологии и оборудование третьего (ТЕ BCF 2000) и четвертого (ТЕ BCF 2500) поколения обеспечивают промышленное производство БНВ с низкими энергопотреблением и себестоимостью (ниже Е-стекловолокна). Применение более производительных многофильерных питателей (англ. bushing) на 800, 1000 и более фильер позволяет увеличить производительность, снизить трудоемкость и себестоимость производства БНВ [20].
Рентабельность производства
В состав завода БНВ АКМ обычно входит основное производство БНВ и цеха по переработке БНВ в материалы и конечные изделия. При этом переработка БНВ в ровинги, рубленые волокна, нити, ткани, нетканые материалы, препреги, армирующие и композитные материалы производится по «холодным» технологиям с низкими энергозатратами.
Создание заводов законченного цикла с переработкой БНВ в материалы и изделия позволяет повысить уровень их рентабельности, сократить сроки окупаемости инвестиций, обеспечить широкую и устойчивую структуру сбыта продукции конечным потребителям.
Для условий РФ технологические линии ТЕ BCF обеспечивают производство БНВ с уровнем рентабельности 80–120 % в зависимости от объемов промышленного производства.
Уровень же рентабельности заводов БНВ АКМ в целом может составлять 130–220 %, в зависимости от объемов и номенклатуры производимой конечной продукции, включая ткацкое производство сеток, тканей, препрегов и БНВ-композитов для высокотехнологичных отраслей.
Создание промышленных производств БЧ, БСТВ, БНВ АКМ
Для создания промышленных производств компания проводит подготовительные работы: а) сырьевая база – выбор базальтов местных карьеров и месторождений, наиболее пригодных для производства непрерывных волокон и чешуи; b) разработка предварительного (аван) проекта завода, выбор места расположения завода, оценка сметы строительных работ и подвода инженерных коммуникаций; c) для заказчиков, инвесторов и финансовых структур подготовка развернутого бизнес-плана с финансовой моделью создания завода БНВ и М, план финансирования, данные о себестоимости, рентабельности производства и возврате инвестиций, с планированием и детальной проработкой рынков сбыта продукции завода.
Этапы создания заводов БНВ и материалов
Компания BFM TD предлагает создание заводов БНВ и М производительностью 10–12 тысяч тонн БНВ в год, с возможностью последовательного увеличения объемов производства до 25 тысяч тонн/год и расширения номенклатуры производимых материалов и конечных изделий.
Вывод завода на проектную производительность осуществляется поэтапно: первая очередь завода производительностью 2–2,5 тысячи тонн/год; вторая очередь – 5 тысяч тонн/год, затем выход на проектную производительность 10–12 тысяч тонн/год по мере роста заказов на продукцию завода.
БНВ, армирующие и композитные материалы, ткани, нетканые материалы, препреги потенциально востребованы в РФ и на мировом рынке в объемах 4–5 миллионов тонн в год, что требует создания крупных современных заводов БНВ АКМ [5, 20].
РФ обладает собственными источниками энергоресурсов – природным газом, электроэнергией, а также попутным нефтяным газом, газовым конденсатом, базальтовым сырьем и имеет наиболее предпочтительные в мире условия для создания заводов БНВ-АКМ, организации широкомасштабного производства материало- и энергосберегающих инновационных базальтовых продуктов для обеспечения потребностей собственной экономики, в том числе импортозамещающей, а также высокотехнологичной экспортной продукции.
