宋成銘 王紫陽 費繼濤

摘 要：我國是工業(yè)大國，也是能源消耗大國。廣大的國土上分布著縱橫數(shù)千里的管道，每天為工業(yè)生產(chǎn)和能源使用提供石油和天然氣輸送服務。由于其物質(zhì)特性，油氣在運輸過程中必須維持一定溫度以上，否則就會降低輸送效率，嚴重時甚至會造成管道事故。為了保證油氣輸送安全，人們開發(fā)出集膚效應電伴熱技術，較為妥善地解決了油氣遠距離管道輸送中溫度下降的問題。文章圍繞集膚效應電伴熱技術在油氣遠距離管道輸送中的應用進行了探討，介紹了集膚效應電伴熱系統(tǒng)的基本原理和主要組成，分析了集膚效應電伴熱系統(tǒng)的設計要點，最后強調(diào)了在集膚效應電伴熱技術的實際使用過程中需要重視的問題。

關鍵詞：集膚效應電伴熱；介質(zhì)；油氣輸送；基本原理；設計

引言

石油、天然氣是重要的能源物質(zhì)和基礎化工原料。在實際使用過程中，石油、天然氣與許多化工產(chǎn)品、半產(chǎn)品一樣，都是采用管道運輸方式進行輸送的。由于許多輸送對象在常溫狀態(tài)下流動性較差，出于便于輸送的目的，使用管道運輸物料的過程中往往采用了保溫措施，將被輸送的物料溫度維持到一定限度以上。但在長距離輸送過程中，必然會伴隨著熱量損失，從而導致物料溫度下降，如果被輸送的物料溫度輸送要求溫度，物料物理形態(tài)發(fā)生改變，就會給輸送帶來負面影響，嚴重時造成管道堵塞。比如原油、天然氣輸送過程中溫度下降，就會導致管道中出現(xiàn)凝固結(jié)蠟現(xiàn)象。為了保障無論輸送順利正常，人們在實際輸送物料過程中主要使用熱量補償?shù)姆椒ǎS持物料在輸送過程中的溫度，具體通過對輸送管道進行伴熱處理來實現(xiàn)。根據(jù)管道的實際特點和需求不同，伴熱的具體方式也會發(fā)生變化。對于要求不高的普通輸送管道，常用的伴熱方式有蒸汽伴熱、熱水伴熱和電伴熱等幾種方式。而石油、天然氣等輸送管道具有輸送距離長，途徑環(huán)境復雜多變，條件嚴苛等特點，有的輸油管道還會有海底管道和陸地管道的變化，如果采用常用的蒸汽伴熱或熱水伴熱等伴熱方式，不僅設備復雜、給建設、使用、維護管理帶來很大困難，還會有資金需求量大，使用周期短等問題，所以通常會考慮施工更加經(jīng)濟的電伴熱方式。而電伴熱方式中的自限式電伴熱和恒功率電伴熱兩種方式，其伴熱距離較短，一般最多200m，遠遠不能適應石油、天然氣動則幾百公里的輸送需求。針對這一問題，技術人員經(jīng)過長期研究和實踐總結(jié)，開發(fā)出集膚效應電伴熱管道加熱技術。該技術一經(jīng)問世，就受到石化企業(yè)的高度歡迎，在石化行業(yè)遠距離管道輸送領域獲得了廣泛應用，自身也實現(xiàn)了飛快發(fā)展。集膚效應電伴熱技術英文簡稱為SECT法，能夠在短時間內(nèi)迅速提高物料溫度，對于遠距離管道運輸加熱、伴熱具有很強的適應性，同時兼具安全可靠、壽命長、安裝和維護方便等優(yōu)點。

1 集膚效應電伴熱系統(tǒng)概述

1.1 集膚效應電伴熱的基本原理

在電磁場的作用下，通電導體的集膚效應會產(chǎn)生相應熱量，根據(jù)這個原理，人們將其應用于管道輸送領域，這就是集膚效應電伴熱技術的基本原理。在實際應用中，集膚效應電伴熱系統(tǒng)的發(fā)熱裝置由承擔著熱管作用的普通碳鋼管與穿過導管的集膚效應導線組成。在需伴熱的管線上焊接熱管，再將熱管與導線一端短接，另一端則與電源兩端分別相連。在通電狀態(tài)下，集膚效應產(chǎn)生，熱管中的電荷集中于熱管內(nèi)壁，導線中的電荷集中于導線外表面，二者彼此吸引，從而使得熱管內(nèi)壁與導線外表面構(gòu)成高陰區(qū)，發(fā)出大量的熱。這些熱量經(jīng)由熱管傳遞至伴熱管線，從而達到伴熱保溫的效果。從安全角度上看，熱管外壁電位為零，伴熱管道電位也為零，二者間沒有電位差，不會形成電流通路，因此使用集膚效應電伴熱是安全可靠的。

1.2 集膚效應電伴熱系統(tǒng)組成分析

一般情況下，集膚效應電伴熱系統(tǒng)由主控制柜、變壓器、導線及接頭連接件、熱管及連接件、溫度控制系統(tǒng)等單元組成。

1.2.1 主控制柜

該裝置是集膚效應伴熱系統(tǒng)的控制單元，負責系統(tǒng)的電力支持和對集膚效應電伴熱電路進行控制。

1.2.2 變壓器

干式變壓器、油浸式變壓器、SCOTT變壓器或者帶平衡裝置的變壓器等都是集膚效應電伴熱常用的變壓器種類。對于在一根輸送管道上使用兩路集膚效應電伴熱系統(tǒng)的情況，一般都使用特殊形式的SCOTT型變壓器或者加負載平衡器的變壓器，而不是用常用的三項變壓器，這是因為在這種條件下使用三項變壓器會導致三項無法平衡，電源質(zhì)量嚴重下降。

1.2.3 集膚效應導線及接頭連接件

集膚效應導線通常采用單芯銅導線，使用具有耐高溫性、抗磨損性能佳的絕緣材料外敷表面。整個系統(tǒng)的總發(fā)熱量的十分之一由其提供，導線線徑的選擇取決于電流的大小和載流量系數(shù)。而電源電壓等級、負載大小和伴熱長度等則是電流大小的主要影響因素。

1.2.4 熱管及連接件

熱管是集膚效應電伴熱系統(tǒng)的發(fā)熱單元，一般使用普通的碳鋼管制成?？偘l(fā)熱量的十分之九由其提供。熱管的接長需要使用連接件，其材質(zhì)與熱管一致，主要使用碳鋼制成。具體包括首端接線盒、中間接線盒和終端接線盒等部分，分別用于電路中各個部分的連接。

1.2.5 溫度探測及變送裝置

要實現(xiàn)維持管道中物料溫度的目的，首先要對物料當前溫度進行測定，管道中物料溫度通常采用溫度探頭測定。由于許多物料在管道中的不同位置的狀態(tài)、理化性能并不完全相同，使得溫度在管道內(nèi)部的分布也不一樣，這就要求管道中設置的探頭測定數(shù)據(jù)必須要能夠體現(xiàn)物料的整體溫度情況，通常在物流的首端和終端設置溫度探頭。探頭測定的溫度以電信號的方式傳遞給控制盤，根據(jù)設定參數(shù)決定是否接通、切斷集膚效應電伴熱電路。

2 集膚效應電伴熱系統(tǒng)的設計要點

在設計集膚效應電伴熱系統(tǒng)時，最重要的是要選擇適宜、正確的熱管材料，熱管是整個系統(tǒng)的發(fā)熱核心，其材質(zhì)性能直接關系到集膚效應伴熱系統(tǒng)的工作狀況。常用的熱管材質(zhì)有碳鋼管、不銹鋼管及銅管等，由于碳鋼較為經(jīng)濟，所以使用頻率較多。熱管厚度受集膚深度和腐蝕裕量兩個因素影響，電流頻率50赫茲的情況下，碳鋼的集膚深度一般控制在0.6毫米至0.8毫米之間。然后再結(jié)合所使用的碳鋼的腐蝕系數(shù)和設計使用年限計算出腐蝕裕量，腐蝕裕量和集膚深度之和就是熱管管壁的最小厚度。

3 在使用集膚效應電伴熱過程中需要注意的問題

（1）對于使用海底管道進行油氣輸送的情況，考慮到海底管道熱管的連接方式，為保證管件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要對內(nèi)外管連接鉚固件進行強度校核。

（2）對于使用陸上管道進行油氣輸送的情況，由于法蘭、閥門及支撐等配套結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)，不能使用同為硬質(zhì)材料的熱管進行纏繞伴熱，所以要使用自限式伴熱帶對其熱量損失進行彌補。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有的多種伴熱技術中，集膚效應電伴熱效率高、適應性好，已經(jīng)成為當前海、陸石油、天然氣的遠距離管道輸送的主要技術。我國要大力發(fā)展石油、天然氣產(chǎn)業(yè)，集膚效應電伴熱技術是不可或缺的一環(huán)，相關企業(yè)要加大研究投入，不斷提高、完善集膚效應電伴熱系統(tǒng)的性能和質(zhì)量，為我國石油、天然氣產(chǎn)業(yè)順暢發(fā)展提供必要的保障。

參考文獻

[1]焦輝.電伴熱技術在給排水管道保溫中的重要性[J].經(jīng)營管理者，2011，15.

[2]王照亮，梁金國，王彌康.電伴熱采油和輸油工程設計[J].石油大學學報（自然科學版），1998，2.