The article was published in the magazine Highways, No. 9 (1102), 2023

Saenko S. S., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Nikulin Yu. Ya., Candidate of Technical Sciences, Professor
Chernov S. A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Bitumen acceptance and storage practices at terminals

Among decision-makers in the field of technical regulation of the road sector, the issue of introducing additional measures in relation to bitumen terminals is being raised. In terms of quality concerns, industry leaders expect new obligations for terminal owners to certify bitumen shipped from the bitumen terminal.

The development of a passport for bitumen of standard grades is now the responsibility of the manufacturer-oil refineries, and according to GOST 33133 quality document (passport) is accompanied by each batch (from 80 to 400 m3) of bitumen produced. At the same time, production is understood as: oxidation of direct distillation of oil and selective separation of petroleum products, compounding of oxidized and non-oxidized products, as well as direct distillation of oil with a residue that meets the requirements. Each batch of the product is subjected to acceptance tests, which include: needle penetration depth at 25 0C, ring and ball softening temperature, extensibility at 0 0C, brittleness temperature, change in sample mass after aging, and change in softening temperature after aging. To meet these requirements, the refinery must have a tank farm of consumable tanks with a volume of no more than 400 m3, the operating cycle of each of which, in addition to the time for filling and emptying, should include up to 8-9 hours for certification procedures (according to the longest test – a change in the softening temperature after aging).

However, to ensure the uniformity of stored products, the bitumen terminal must also have a fleet of tanks with a volume of no more than 400 m3…

In practice, this is not possible. The medium bitumen inter-season storage terminal operates with tanks from 1000 to 5000 m3, that is, from 2.4 to 12 batches of bitumen enter the tank under ideal delivery conditions. In fact, the number of batches can be much higher, moreover, bitumen from different refineries most often gets into one tank, forming a kind of"BND cocktail". Gradually cooling down, the bitumen batches are mixed in the tank and mixed again by convective flows during subsequent heating (see Figure 1).

Is this mixture a problem for the road sector? Will mixing high-quality ingredients result in a poor-quality product? To study the issue, a laboratory experiment was conducted with BND 70/100 bitumen, different batches of which (at the boundaries of the brand) were combined in a ratio of 70/30 without mixing and with mixing with a laboratory mixer for 1 minute. Experimental results (see Table) confirm that the entire list of passport characteristics meets the requirements of the standards. And the higher the uniformity of the mixture will be, the closer the passport indicators of different batches are.

However, cars with bitumen after storage at the terminals of major industry players continue to return without passing the entrance control at road construction enterprises. Legislators ' concern for quality assurance is primarily related to such cases and limited information about available practices and state-of-the-art technology.

Table. Results of tests of a mixture of two batches of bitumen BND 70/100 on physical and mechanical parameters located at different brand boundaries

№ п/п	Sample name	Needle penetration depth at 25 0C, 0.1 mm	Глубина проникания иглы при температуре 0 0С, 0,1 мм	Растяжимость при температуре 25 0С, см	Температура размягчения по кольцу и шару, 0С	Температура хрупкости, 0С	Динамическая вязкость при температуре 1350С, Па·с	Динамическая вязкость при температуре 165 0С, Па·с	Сдвиговая устойчивость исходного вяжущего	Изменение массы после старения по ГОСТ 33140, %	Изменение температуры размягчения после старения, 0С	Низкотемпературная устойчивость при температуре испытания минус 18 °С
									Температура 0С / фазовый угол º/ сдвиговая устойчивость (G*/sinẟ) при 10 рад/с, 0С			Жесткость S, МПа	Параметр m
1	БНД 70/100 (проба 1)	87	33	>100	48,2	минус 24	0,447	0,124	Факт. 66,1 0С	0,13	4	115,651	0,310
2	БНД 70/100 (проба 2)	72	24	>100	49,0	минус 23	0,444	0,123	Факт. 67,3 0С	0,52	5	147,471	0,296
3	Смесь 1 и 2 в соотношении 70/30 без перемешивания на мешалке	83	33	>100	48,5	минус 24	0,445	0,120	Факт. 66,10С	0,18	4	133,762	0,292
4	Смесь 1 и 2 в соотношении 30/70 без перемешивания на мешалке	77	29	>100	49,0	минус 21	0,450	0,125	Факт. 66,80С	0,34	5	171,242	0,289
5	Смесь 1 и 2 в соотношении 70/30 с перемешиванием на мешалке (1 минуту)	78	28	>100	49,0	минус 24	0,455	0,123	Факт. 66,70С	0,18	4	199,936	0,290

Рисунок 1. Схема смешивания битумов в вертикальных стальных резервуарах в процессе приемки, хранения и нагрева

Влияние технологии терминала на свойства хранимого битума

Наиболее известной технологией работы битумного терминала является технология дневного резервуара (с использованием догревочных емкостей), по которой работают бóльшая часть и наиболее известные терминалы в России, и которая отличается крайне негативным воздействием на качественные характеристики битумов. Известно [1-5], что старение битумов, как физическое (испарение легких фракций), так и химическое (окисление кислородом воздуха), тем интенсивнее, чем меньше объем битума и больше площадь зеркала битума в резервуаре, происходящие изменения пропорциональны температуре и времени нагрева. Дневные резервуары (догревочные емкости) являются вторым этапом подготовки и обеспечивают высокотемпературный нагрев битумов и последующую работу в качестве расходного резервуара. Суммарный объем догревочных емкостей, как правило, в два раза выше суточной производительности терминала по отгрузкам. Полный цикл работы такого звена показан на рис.2.

Рисунок 2. Циклограмма работы технологического звена для высокотемпературного нагрева битумов (догревочные емкости)

Основные факторы старения проявляются в резервуарах догрева при их заполнении (осуществляется через крышу, чаще всего наливом свободно падающей струей) и в процессе последующего интенсивного нагрева (зачастую с использованием перемешивающих устройств или циркуляции). Величина, характеризующая отношение площади зеркала битума к объему в таких резервуарах, максимальна, и мощный нагрев, а также перемешивание (при его использовании) приводят к интенсификации взаимодействия с кислородом при высокой температуре в результате активного обновления зеркала битума.

В конце каждой смены в дневном резервуаре остается переходящий остаток, невыбираемый в связи с необходимостью сохранения уровня битума над нагревательными элементами. Таким же остатком является объем, который не был выдан с терминала в связи со снижением объема отгрузок. Этот битум находится в условиях интенсивного негативного воздействия до 1,5-1,8 суток и, безусловно, может стать причиной снижения качества следующей партии отгрузки, попадая в него как часть от предыдущей. Это может быть особенно проблематично при наличии на терминале нескольких марок битума, как правило, отгружаемых через то же звено догревочных резервуаров.

Другими технологиями подготовки битумов на терминалах являются технология внутреннего нагрева Купол™ и технология «хранилище-расходная емкость». Первая предусматривает высокотемпературный нагрев во внутреннем устройстве резервуара, вторая – нагрев всего объема хранения до температур отгрузки, и используется для резервуаров до 1000-2000 м³ с производительностями отгрузки от 150-200 м³/сутки. Факторы старения в этих технологиях никуда не деваются, однако происходит так называемое старение в объеме, которое менее интенсивно, при этом обеспечивается щадящий режим хранения и нагрева (рис. 3). Особенно при использовании внутреннего устройства Купол™, которое позволяет основную массу продукта в резервуаре греть до температур не выше 90-100 ⁰С. Максимальным воздействиям негативных факторов в данных технологиях подготовки подвергается только остаток в резервуаре на конец выдачи. 

Рисунок 3. Инфографика по высокотемпературному этапу нагрева битумов различных технологических схем подготовки

Битумные терминалы сегодня все чаще используют, предоставляя услуги хранения для нескольких контрагентов. Применение технологий внутреннего нагрева и хранилищ-расходных емкостей являются наиболее приемлемыми решениями для такого типа услуг и обеспечивают значительное сокращение капитальных вложений за счет сокращения числа дополнительных емкостей и оборудования к ним. В резервуарном парке для целей аренды для каждого контрагента выделяют технологические звенья, работающие независимо и не предусматривающие смешивания продуктов разных арендаторов (рис. 4).

Рисунок 4. Схема битумного терминала с технологией внутреннего нагрева, предоставляющего услуги хранения

Распространение практики паспортизации на битумные терминалы хорошо ложится на технологию дневных резервуаров, для которой есть как возможность в технологическом цикле, так и целесообразность в связи с деградацией качества битума, однако для технологии внутреннего нагрева Купол™ и технологии «хранилище-расходная емкость» в тех ограничениях, что есть сегодня в ГОСТ 33133 (объем партии до 400 м³), потребует установки дополнительных резервуаров для паспортизации, по сути – расходных емкостей, со всеми имеющимися для такого оборудования недостатками, то есть станет дополнительным фактором ухудшения качества битумов. Очевидно, что для данных технологий в случае паспортизации необходимо увеличивать объем партии до номинального объема ключевого резервуара в технологическом звене или предусматривать периодический отбор проб через установленные промежутки времени (один раз в несколько суток).

Однако сама паспортизация битумов для битумных терминалов, по мнению авторов, – избыточная норма, поскольку уже в имеющихся документах технического регулирования решается двойным контролем качества: на НПЗ перед отгрузкой и на асфальтобетонном заводе при входном контроле материалов. На битумном терминале обеспечение качества скорее относится к вопросу менеджмента последнего, и решаться данный вопрос должен внутренней организацией работ. А окончательное решение примет потребитель, отказываясь от товара низкого качества и голосуя рублем.

Литература

1.      Портнягин В.Д. Улучшение организации хранения и подготовки дорожных битумов / В.Д. Портнягин, В.А. Кошелев, В.Н. Овсянников, Г.И. Шишов // Автомобильные дороги – 1997. – № 10-11 – С.22-25.

2.      Ruxin Jing, Aikaterini Varveri, Xueyan Liu, Athanasios Scarpas & Sandra Erkens (2019): Ageing effect on chemo-mechanics of bitumen, Road Materials and Pavement Design, DOI: 10.1080/14680629.2019.1661275.

3.      Engin, Y., Sinan, H. Effects of exposure time and temperature in aging test on asphalt binder properties. International Journal of Civil and Structural Engineering, Volume 5, No 2, 2014, pp. 112-124.

4.      Галдина В.Д. Кинетика термоокислительного старения битумов различной природы // Вестник ТГАСУ – 2011. – № 3 – С.133-139.

5.      Васьковский В.В. О деградации битума при нагреве // Васьковский В.В., Порадек С.В. // Наука и техника в дорожной отрасли – 2004. – №4 – С. 16-18.