CN109210367A - 一种用于气体储存的耐压密封材料及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于气体储存的耐压密封材料及方法，属于气体储存技术领域。该材料由基底材料和表层材料组成。基底材料由1质量份普通硅酸盐水泥、0.1～0.2质量份水、0.2～0.5质量份分散剂、0.1～0.3质量份稳定剂、0.1～0.6质量份增重剂和0.01～0.03质量份碳纤维组成。表层材料由1质量份硅酮密封胶和0.3～0.5质量份填充剂组成。将基底材料喷涂于人工开挖的地下洞穴内壁，待涂层干燥后，在其表面均匀涂覆混合好的表层材料，在内壁表面得耐压密封材料。本发明能够增强岩体强度较低或岩壁渗透性较高的人工开挖地下洞穴内层岩壁的承压能力和气密性，从而提高地下储气库的最大储气压力，增加储气量。

Description

一种用于气体储存的耐压密封材料及方法
技术领域
本发明属于气体储存技术领域，具体涉及一种用于气体储存的耐压密封材料及方法。
背景技术
为了实现天然气、氢气、页岩气、空气等各类气态能源和储能介质的大规模储存，各类气体储存技术得到了迅速发展。其中，地下储气作为一种已知的压缩气体储存方法，具有气体储量大、安全性好，长期储存不易变质等优点，在世界各国都得到了广泛应用。目前世界已建有各类地下储气库630余座。由于地下储气库必须具有一定的耐压强度和密封性，且要求所处地层的岩体坚硬完整、水文地质条件简单，因此现有的地下储气库一般是利用废弃油气藏和地下盐岩溶腔等特殊地质构造形成的地下空间进行建造，选址要求较为苛刻。在我国，这类地质构造仅在中西部的少数地区有分布。而我国东部沿海地区由于能源消耗量大，对压缩气体的大规模储存技术需求十分迫切，却不具备合适的地质条件建造地下储气库，而地上储存需要占用大面积土地，在人口稠密地区也并不适用。因此，对于上述地区而言，采用人工开挖地下洞穴的方式建造储气库是最优选择。这种方法建造地下储气库对选址要求较低，但由于储气库所处岩层构造不一，其岩壁强度和气体渗透性也各不相同，若岩体强度较低或岩壁渗透性较高，则地下储气库的储气压力将大幅下降，从而降低储气容量。因此，本发明拟提供一种用于气体储存的耐压密封材料及方法，其目的是通过在人工开挖的地下洞穴内衬一种同时具有耐压和密封性能的双层复合材料，增强洞穴的内层岩壁承压能力和气密性，从而提高地下储气库的最大储气压力，增加储气量。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于气体储存的耐压密封材料及方法，通过在人工开挖的地下洞穴内壁涂覆一种复合材料，在不显著提高成本的情况下增强洞穴内层岩壁的承压能力和气密性，从而提高地下储气库的最大储气压力，增加储气量。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种用于气体储存的耐压密封材料，该材料为两层复合结构，包括基底材料和表层材料；
其中，耐压密封材料的基底材料为掺入碳纤维的水泥浆，由1质量份普通硅酸盐水泥、0.1～0.2质量份水、0.2～0.5质量份分散剂、0.1～0.3质量份稳定剂、0.1～0.6质量份增重剂和0.01～0.03质量份碳纤维组成；掺入高强度碳纤维后可以显著提高水泥浆固结后的抗拉强度，解决洞穴内壁岩层本身强度不足的问题。
所述的表层材料由1质量份硅酮密封胶和0.3～0.5质量份填充剂组成；硅酮密封胶中加入填充剂可以降低成本, 同时可以增强密封材料的物理、机械性能，并提高其耐热和抗老化等性能。。
优选的，所述的分散剂为浓度为0.1 wt%～0.3 wt%的甲基纤维素或羟乙基纤维素水溶液。
优选的，所述的稳定剂为平均粒径小于 20 μm的磷酸钙粉末。
优选的，所述的增重剂为平均粒径小于50 μm的硫酸钡或氧化铁粉末。
优选的，所述的碳纤维为长度为0.5～1.5 mm、抗拉强度不小于3000 MPa的聚丙烯腈碳纤维。
优选的，所述的硅酮密封胶为20℃下拉伸模量为0.1MPa～0.4MPa，挤出流动性>100ml/min的低模量硅酮密封胶。
优选的，所述的填充剂为平均粒径为50～200nm的轻质碳酸钙颗粒。
一种用于气体储存的耐压密封方法，将以上所述的基底材料喷涂于储气库内壁上，并以上所述的表层材料涂覆于所述基底材料上。
优选的，所述基底材料的含水量<10%。
优选的，所述的基底材料涂层平均厚度为3～5 cm；所述的表层材料涂层平均厚度为0.5～1 cm。
优选的，本发明的用于气体储存的耐压密封方法包括以下步骤：
（1）将前述基底材料中各组分均匀混合形成水泥浆，利用高压喷管将前述水泥浆均匀喷涂于人工开挖的地下洞穴表面并填充洞穴内壁的空隙和裂纹，喷涂完毕后基底平均厚度为3～5 cm；
（2）将前述填充剂与硅酮密封胶的混合物进行搅拌，使填充剂在硅酮密封胶中均匀分散；
（3）等待基底干燥，当基底含水量<10%时，在其表面均匀涂覆混合好的含填充剂硅酮密封胶，涂层平均厚度0.5～1 cm；
（4）待表面涂层完全干燥后，地下洞穴的耐压密封材料涂覆即实施完成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在人工开挖的地下洞穴表面内衬一种同时具有耐压和密封性能的双层复合材料，增强洞穴的内层岩壁承压能力和气密性，克服岩体强度较低或岩壁渗透性较高的地层条件缺陷，使地下储气技术适用于不具备硬质盐穴或废弃气藏等特殊地质构造地区（如我国东部沿海大部分地区），满足上述地区的压缩空气、天然气、氢气等的储存需要。进而提高地下储气方式的适用范围，替代原本需要建造于地面上的液化储气罐或压缩储气罐等设备，在显著降低压缩气体储存装置的占地面积的同时提高经济效益，并缓解能源供需不平衡的矛盾。
附图说明
图1是实施例1中用于气体储存的耐压密封方法的实施流程图。
图2是实施例1中进行内壁涂覆的储气库地下部分的剖面图；其中，1-储气库内壁面；2-耐压密封材料基底层；3-耐压密封材料表层。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
（1）基底材料制备。本实施例以三种具有代表性的基底材料配比方式进行举例说明。配比1：将质量比为1份普通硅酸盐水泥：0.1份水：0.2份浓度为0.3 wt%的羟乙基纤维素水溶液：0.3份平均粒径小于 20 μm的磷酸钙粉末：0.3份平均粒径小于50 μm的硫酸钡粉末：0.02份碳纤维为长度为0.5～1.5 mm、抗拉强度不小于3000 MPa的聚丙烯腈碳纤维的混合物放入搅拌机进行混合，以45r/min速度搅拌30 min。配比2：将质量比为1份普通硅酸盐水泥：0.15份水：0.35份浓度为0.2 wt%的甲基纤维素水溶液：0.1份平均粒径小于 20 μm的磷酸钙粉末：0.1份平均粒径小于50μm的硫酸钡粉末： 0.01份碳纤维为长度为0.5～1.5 mm、抗拉强度不小于3000 MPa的聚丙烯腈碳纤维的混合物放入搅拌机进行混合，以60r/min速度搅拌30 min。配比3：将质量比为1份普通硅酸盐水泥：0.3份水：0.5份浓度为0.3 wt%的羟乙基纤维素水溶液：0.2份平均粒径小于 20 μm的磷酸钙粉末：0.6份平均粒径小于50μm的硫酸钡粉末：0.03份碳纤维为长度为0.5～1.5 mm、抗拉强度不小于3000 MPa的聚丙烯腈碳纤维的混合物放入搅拌机进行混合，以90r/min速度搅拌30 min。
（2）基底材料喷涂。将上述配比1、配比2或配比3所述的混合均匀的水泥浆以0.5MPa的压力喷涂于如图2所示的储气库内壁面1，其中：当采用配比1的水泥浆时喷涂平均厚度为3 cm，当采用配比2的水泥浆时喷涂平均厚度为4 cm，当采用配比3的水泥浆时平均喷涂厚度为5 cm。等待水泥浆干燥后（表面含水量小于10%），形成如图2所示的耐压密封材料基底层2；
（3）表层材料制备。当基底材料厚度为3 cm时，将质量比为1份硅酮密封胶：0.5份平均粒径介于50～200 nm的轻质碳酸钙颗粒的混合物放入搅拌机中，以200r/min的转速进行均匀混合，搅拌时间30min；当基底材料厚度为4 cm时，将质量比为1份硅酮密封胶：0.4份平均粒径介于50～200 nm的轻质碳酸钙颗粒的混合物放入搅拌机中，以150r/min的转速进行均匀混合，搅拌时间30min；当基底材料厚度为5 cm时，将质量比为1份硅酮密封胶：0.3份平均粒径介于50～200 nm的轻质碳酸钙颗粒的混合物放入搅拌机中，以100r/min的转速进行均匀混合，搅拌时间30min.
（4）硅酮密封胶涂覆。将制备好的含填料硅酮密封胶涂覆于图2所示的耐压密封材料基底层2。其中，当基底材料厚度为3 cm时，表层材料涂覆厚度为1 cm；当基底材料厚度为4 cm时，表层材料涂覆厚度为0.75 cm；当基底材料厚度为5 cm时，表层材料涂覆厚度为0.5 cm。待完全干燥后形成如图2所示的耐压密封材料表层3。具体流程请见图1。
（5）本实施例所涉及的两层复合耐压密封材料可有效密封各类人工开挖的地下储气库。根据数值模拟计算结果，按本实施例进行密封处理后的地下储气库的长期运行压力可维持在20MPa，最大工作压力25MPa。一次储放周期内由气体泄漏导致的压力降小于最大工作压力的5%。

Claims (10)

1.一种用于气体储存的耐压密封材料，其特征在于，该材料为两层复合结构，包括基底材料和表层材料；
所述的基底材料由1质量份普通硅酸盐水泥、0.1～0.2质量份水、0.2～0.5质量份分散剂、0.1～0.3质量份稳定剂、0.1～0.6质量份增重剂和0.01～0.03质量份碳纤维组成；
所述的表层材料由1质量份硅酮密封胶和0.3～0.5质量份填充剂组成。
2.根据权利要求1所述的一种用于气体储存的耐压密封材料，其特征在于，所述的分散剂为浓度为0.1 wt%～0.3 wt%的甲基纤维素或羟乙基纤维素水溶液。
3.根据权利要求1所述的一种用于气体储存的耐压密封材料，其特征在于，所述的稳定剂为平均粒径小于 20 μm的磷酸钙粉末。
4.根据权利要求1所述的一种用于气体储存的耐压密封材料，其特征在于，所述的增重剂为平均粒径小于50 μm的硫酸钡或氧化铁粉末。
5.根据权利要求1所述的一种用于气体储存的耐压密封材料，其特征在于，所述的碳纤维为长度为0.5～1.5 mm、抗拉强度不小于3000 MPa的聚丙烯腈碳纤维。
6.根据权利要求1所述的一种用于气体储存的耐压密封材料，其特征在于，所述的硅酮密封胶为20℃下拉伸模量为0.1MPa～0.4MPa，挤出流动性>100ml/min的低模量硅酮密封胶。
7.根据权利要求1所述的一种用于气体储存的耐压密封材料，其特征在于，所述的填充剂为平均粒径为50～200nm的轻质碳酸钙颗粒。
8.一种用于气体储存的耐压密封方法，其特征在于，将权利要求1-7任一项所述的基底材料喷涂于储气库内壁上，并将权利要求1-7任一项所述的表层材料涂覆于所述基底材料上。
9.根据权利要求8所述的一种用于气体储存的耐压密封方法，其特征在于，所述基底材料的含水量<10%。
10.根据权利要求8所述的一种用于气体储存的耐压密封方法，其特征在于，所述的基底材料涂层平均厚度为3～5 cm；所述的表层材料涂层平均厚度为0.5～1 cm。
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