趙立新（中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司西北油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心）

1 概況

保溫材料及保溫技術(shù)廣泛用于油田稠油生產(chǎn)系統(tǒng)、處理站加熱設(shè)備及管線等領(lǐng)域，由于輸送介質(zhì)溫度高，注汽管線常年運(yùn)行且環(huán)境相對(duì)惡劣，采用不同保溫材料及保溫工藝，管線的散熱損失相差甚至超過(guò)3倍；因此，選擇合適的保溫材料、不斷提升和改進(jìn)保溫技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，新疆油田針對(duì)不同材料、保溫工藝、使用年限的稠油注汽管線，開展保溫狀態(tài)測(cè)試和分析研究。根據(jù)大量詳實(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)同種材料和工藝、不同使用年限的稠油注汽管線，以及不同材料、保溫工藝的管線保溫性能進(jìn)行的對(duì)比分析，證實(shí)了采用納米氣凝膠氈與復(fù)合硅酸鹽氈的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)在保溫性能穩(wěn)定性和長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2 保溫技術(shù)應(yīng)用分析

新疆油田已建稠油注汽管線1 000 km左右，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，保溫材料及保溫技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和提升。稠油注汽管線保溫從早期的巖棉、玻璃棉逐步過(guò)渡到復(fù)合硅酸鹽瓦，又根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際逐步轉(zhuǎn)向復(fù)合硅酸鹽漿料、復(fù)合硅酸鹽管殼，直到保溫性能優(yōu)異的納米氣凝膠氈及其復(fù)合結(jié)構(gòu)[1]。

2.1 保溫材料對(duì)比

1）巖棉、玻璃棉。保溫效果好，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.03～0.04 W/(m·K)，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，容易出現(xiàn)粉化、脫落的問(wèn)題，可能導(dǎo)致大范圍的保溫失效[2]。

2）復(fù)合硅酸鹽瓦（膨脹珍珠巖瓦）。為避免巖棉、玻璃棉的粉化、脫落現(xiàn)象，新疆油田公司與保溫產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)合作，參考膨脹珍珠巖瓦制造工藝生產(chǎn)出復(fù)合硅酸鹽瓦。該產(chǎn)品具有強(qiáng)度高、安裝方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也存在保溫性能差，導(dǎo)熱系數(shù)為0.065 W/(m·K)左右，長(zhǎng)期使用后接縫處漏熱嚴(yán)重、局部破損等問(wèn)題。

3）復(fù)合硅酸鹽漿料。與普通的復(fù)合硅酸鹽涂料略有不同，其中添加了發(fā)泡成分，采用現(xiàn)場(chǎng)涂抹方式施工。雖然材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.06 W/(m·K)左右，但是得益于施工方式的保證，具有結(jié)構(gòu)緊密、長(zhǎng)期使用漏熱點(diǎn)少、綜合保溫效果好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也受施工方式影響，導(dǎo)致該保溫材料的施工周期長(zhǎng)且受季節(jié)限制，單位成本較高。

4）復(fù)合硅酸鹽管殼。保溫效果較好，施工簡(jiǎn)便，但保溫材料抗壓性能不足，容易損壞，單位成本較高。

5）納米氣凝膠氈及其復(fù)合結(jié)構(gòu)。采用納米氣凝膠氈與復(fù)合硅酸鹽氈的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，底層采用納米氣凝膠氈，外層覆蓋一層或多層復(fù)合硅酸鹽氈，既充分利用了納米氣凝膠氈高溫導(dǎo)熱系數(shù)極低的優(yōu)勢(shì)，又合理降低了單位建設(shè)成本，綜合保溫效果好。

2.2 應(yīng)用效果

注汽管線常年運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣，全油田稠油注汽管線的年散熱損失熱量超過(guò)15×104t標(biāo)煤，采用不同保溫材料及保溫工藝，管線的散熱損失相差甚至超過(guò)3倍。

為優(yōu)選經(jīng)濟(jì)合理的保溫技術(shù)，新疆油田公司開展了稠油注汽管線散熱損失的測(cè)試分析與研究。本次測(cè)試選取具有代表性的稠油注汽管線17 條，測(cè)試、研究不同材料和工藝在相同使用年限情況下的注汽管線保溫性能對(duì)比，研究相同材料和工藝在不同使用年限情況下的注汽管線保溫性能變化，分析其保溫性能的變化規(guī)律。其中，包括雙層復(fù)合硅酸鹽瓦管線6條（600 km）、復(fù)合硅酸鹽漿料管線6條（104.7 km）、納米氣凝膠+復(fù)合硅酸鹽氈管線5 條（75.4 km）。17條注汽管線基本情況見表1。

2.2.1 分析方法

對(duì)保溫技術(shù)的應(yīng)用效果的分析主要依據(jù)稠油注汽管線散熱損失的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)對(duì)比不同保溫技術(shù)的注汽管線散熱損失的大小評(píng)價(jià)各類技術(shù)的保溫水平。

1）用熱像儀對(duì)選取的管段拍攝熱像圖，通過(guò)觀察注汽管線的漏熱情況定性分析其保溫狀況，注汽管線的散熱損失測(cè)試示意圖見圖1。

2）依據(jù)GB/T 17357—2008《設(shè)備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定熱流計(jì)法和表面溫度法》，測(cè)試注汽管線的散熱損失。在注汽管線的直管段上，每間隔10 m 選取一個(gè)保溫測(cè)點(diǎn)，同時(shí)就近選取一個(gè)彎頭測(cè)點(diǎn)，采用表面溫度計(jì)法對(duì)選取的管線、彎頭進(jìn)行散熱測(cè)試。測(cè)試期間同時(shí)對(duì)管線周圍的環(huán)境溫度、風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試。

圖1 注汽管線的散熱損失測(cè)試示意圖

2.2.2 紅外熱成像定性分析

1）雙層復(fù)合硅酸鹽瓦。通過(guò)對(duì)雙層復(fù)合硅酸鹽瓦直管段和彎頭進(jìn)行紅外圖像的觀察與分析（圖2、圖3），結(jié)果如下：對(duì)直管段采用雙層復(fù)合硅酸鹽瓦保溫，對(duì)彎頭采用復(fù)合硅酸鹽氈包裹保溫，防護(hù)層使用鍍鋅鐵皮；管段局部保溫材料出現(xiàn)破損，保溫瓦接縫溫度偏高，造成局部高溫（125.6 ℃），在10 m 直管段上最多出現(xiàn)14 個(gè)漏熱點(diǎn)；部分彎頭和直管連接處溫度偏高（110.5 ℃），熱漏損失較大；直管段散熱損失約占管線總損失的74%，彎頭散熱損失約占管線總損失的26%[3]（每5～8 m 直管配合一個(gè)彎頭）。

圖2 雙層復(fù)合硅酸鹽瓦直管段

表1 17條注汽管線基本情況

圖3 雙層復(fù)合硅酸鹽瓦彎頭

2）復(fù)合硅酸鹽漿料。通過(guò)對(duì)復(fù)合硅酸鹽漿料直管段和彎頭進(jìn)行紅外圖像的觀察與分析（圖4、圖5），結(jié)果如下：注汽管線直管段和彎頭采用復(fù)合硅酸鹽漿料（NT-2）保溫，防護(hù)層使用鍍鋅鐵皮；直管段保溫結(jié)構(gòu)比較均勻，最高溫度達(dá)17.1 ℃（2010年），未出現(xiàn)漏熱點(diǎn)；彎頭部分保溫結(jié)構(gòu)比較均勻，最高溫度達(dá)19.6 ℃（2009 年）；直管段散熱損失約占管線總損失的79%，彎頭散熱損失約占管線總損失的21%。

圖4 復(fù)合硅酸鹽漿料直管段

圖5 復(fù)合硅酸鹽漿料彎頭

3）納米氣凝膠。通過(guò)對(duì)納米氣凝膠直管段和彎頭進(jìn)行紅外圖像的觀察與分析（圖6、圖7），結(jié)果如下：對(duì)直管段和彎頭采用雙層納米氣凝膠外層包裹復(fù)合硅酸鹽氈保溫，防護(hù)層使用鍍鋅鐵皮；直管段保溫結(jié)構(gòu)比較均勻，最高溫度達(dá)25.1 ℃（2009年），未出現(xiàn)漏熱點(diǎn)；彎頭部分保溫結(jié)構(gòu)比較均勻，最高溫度達(dá)32.0 ℃（2009 年）；直管段散熱損失約占管線總損失的72%，彎頭散熱損失約占管線總損失的28%。

圖6 納米氣凝膠直管段

圖7 納米氣凝膠彎頭

2.2.3 散熱損失分析

通過(guò)實(shí)際測(cè)試注汽管線表面溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，依據(jù)GB/T 17357—2008 計(jì)算出17 條注汽管線散熱損失測(cè)試結(jié)果見表2。

1）保溫效果變化規(guī)律數(shù)據(jù)。由表2 可知，雙層硅酸鹽瓦保溫的平均散熱損失為145.4 W/m，復(fù)合硅酸鹽漿料保溫的平均散熱損失為86.3 W/m，納米氣凝膠保溫的平均散熱損失為86.0 W/m。

雙層復(fù)合硅酸鹽瓦保溫的散熱損失較大，且管線接縫處漏熱嚴(yán)重。納米氣凝膠和復(fù)合硅酸鹽漿料的保溫效果相對(duì)較好，二者散熱損失均小于雙層硅酸鹽瓦散熱損失[4]。

通過(guò)對(duì)比三種保溫材料的散熱損失和管線狀態(tài)，結(jié)果如下：保溫材料和結(jié)構(gòu)是注汽管線保溫效果的主要影響因素，施工質(zhì)量同樣重要；保溫材料隨著時(shí)間增長(zhǎng)，保溫效果有不同程度衰減，平均年散熱損失增加比率為：雙層復(fù)合硅酸鹽瓦4.6%，復(fù)合硅酸鹽漿料2.3%，納米氣凝膠2.5%。不同使用年限的注汽管線保溫性能變化見圖8。

表2 17條注汽管線散熱損失測(cè)試結(jié)果

圖8 不同使用年限的注汽管線保溫性能變化

2）散熱經(jīng)濟(jì)損失對(duì)比數(shù)據(jù)。根據(jù)不同保溫材料的結(jié)構(gòu)及散熱損失，注汽管線散熱經(jīng)濟(jì)損失測(cè)算見表3。

由表3可知，雙層復(fù)合硅酸鹽瓦單位管線長(zhǎng)度的散熱及經(jīng)濟(jì)損失比納米氣凝膠或復(fù)合硅酸鹽漿料約多60%。

3）保溫經(jīng)濟(jì)性對(duì)比數(shù)據(jù)。根據(jù)不同保溫技術(shù)的造價(jià)及每年的散熱經(jīng)濟(jì)損失，可以得出注汽管線在使用年限內(nèi)累計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失測(cè)算見表4。

由表4可知：采用納米氣凝膠和復(fù)合硅酸鹽漿料的管線造價(jià)略高于雙層復(fù)合硅酸鹽瓦，最大造價(jià)差值為14.7 萬(wàn)元/km；注汽管線運(yùn)行6 年后，雙層復(fù)合硅酸鹽瓦管線運(yùn)行的總經(jīng)濟(jì)損失比納米氣凝膠管線約多41 萬(wàn)元/km，并且由于使用年限增加，材料性能不斷下降，保溫結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生損壞等問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)損失的差值實(shí)際上會(huì)越來(lái)越大。

綜上所述，注汽管線保溫的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本，決定了注汽管線長(zhǎng)期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，不同保溫材料和結(jié)構(gòu)及使用年限對(duì)保溫效果的影響具有一定的規(guī)律性。

4）復(fù)合硅酸鹽管殼與納米氣凝膠對(duì)比。復(fù)合硅酸鹽管殼用于注汽管線保溫是近期開始的試驗(yàn)項(xiàng)目。為驗(yàn)證其保溫效果，在同一條注汽管線上選取了四段，同時(shí)敷設(shè)造價(jià)相近的納米氣凝膠與復(fù)合硅酸鹽氈的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，以及多層復(fù)合硅酸鹽氈保溫結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)際測(cè)試兩種保溫結(jié)構(gòu)的散熱損失來(lái)評(píng)價(jià)其保溫效果。復(fù)合硅酸鹽管殼與納米氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)散熱損失測(cè)算見表5。

表3 注汽管線散熱經(jīng)濟(jì)損失測(cè)算

表4 注汽管線使用年限內(nèi)累計(jì)經(jīng)濟(jì)損失測(cè)算

表5 復(fù)合硅酸鹽管殼與納米氣凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)散熱損失測(cè)算

從表5可以看出，在造價(jià)相同的條件下，納米氣凝膠復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)的平均管道線熱流密度為64.3 W/m2，復(fù)合硅酸鹽管殼保溫結(jié)構(gòu)的平均管道線熱流密度為78.3 W/m2，高出納米氣凝膠復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)17.9%，納米氣凝膠復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)的保溫效果明顯優(yōu)于復(fù)合硅酸鹽管殼保溫結(jié)構(gòu)[5]。

3 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

通過(guò)對(duì)巖棉玻璃棉、復(fù)合硅酸鹽瓦、復(fù)合硅酸鹽漿料、復(fù)合硅酸鹽管殼、納米氣凝膠氈及其復(fù)合結(jié)構(gòu)等保溫技術(shù)的對(duì)比分析，由于材料特性及保溫效果的原因，在今后稠油注汽管線保溫技術(shù)的選擇上，基本可以排除巖棉玻璃棉及復(fù)合硅酸鹽瓦兩種保溫技術(shù)；從長(zhǎng)期投資的經(jīng)濟(jì)效益考慮，推薦采用納米氣凝膠復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，對(duì)異形管段或管道附件，也可以采用復(fù)合硅酸鹽漿料的保溫技術(shù)。

在進(jìn)行注汽管線保溫設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重優(yōu)化保溫結(jié)構(gòu)，規(guī)范并嚴(yán)格執(zhí)行管線保溫材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)保溫施工的監(jiān)督監(jiān)管，規(guī)范施工方法，提高管線保溫結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和壽命，從多方面改進(jìn)和調(diào)高注汽管線的保溫效果，減少散熱經(jīng)濟(jì)損失。