王衛(wèi)鋒 ，陳俊琛，2*，沙月華

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0 引言

隨著我國(guó)海洋石油領(lǐng)域的不斷發(fā)展，海底輸送管道在海洋工程中的應(yīng)用日益增多。海底管道按照材料主要可分為鋼管和復(fù)合柔性軟管兩大類(lèi)，鋼管由金屬材料制成，與其相比，海洋復(fù)合軟管由于具有柔性好、適應(yīng)地形能力強(qiáng)、連續(xù)長(zhǎng)度長(zhǎng)、安裝接頭少、防腐性好、保溫性好、易鋪設(shè)、可回收等優(yōu)點(diǎn)，在海洋油田開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用愈發(fā)普遍。由于石油普遍具有含蠟量高、凝固點(diǎn)高、黏度高、流動(dòng)性低、化學(xué)成分復(fù)雜等特點(diǎn)，在輸送過(guò)程中隨著熱量逐漸散失，溫度降低極易造成液體內(nèi)的蠟析出，使原本高黏度的原油流動(dòng)性更低，造成管線結(jié)垢、凝管、堵塞等。因此，管道輸油一般將原油（或油品）加壓、加熱后，再通過(guò)輸油管道由某地輸送至另一地。加壓是為了給原油提供動(dòng)能，以克服沿線地理位差及管道沿線的壓力損失；加熱是為了使管道中原油的溫度始終保持在凝點(diǎn)以上，使原油順利流動(dòng)。

對(duì)于海洋石油的長(zhǎng)距離輸送，熱量損失會(huì)直接影響整條管線的輸送能力，因此，管道的保溫顯得尤其重要。目前，輸油管道保溫技術(shù)問(wèn)題的解決方法主要有兩種：（1）研發(fā)制備隔熱性能高的新材料；（2）優(yōu)化保溫管道結(jié)構(gòu)從而降低整個(gè)管道系統(tǒng)的導(dǎo)熱率［1］。近幾年來(lái)，隨著非黏性復(fù)合柔性軟管在國(guó)內(nèi)海洋石油領(lǐng)域的逐步推廣，對(duì)軟管保溫材料的要求也日益提高，并須要針對(duì)不同海況來(lái)設(shè)計(jì)滿足不同介質(zhì)輸送要求的海洋復(fù)合軟管。

目前，國(guó)外使用的柔性復(fù)合軟管保溫層材料大多采用法國(guó)特瑞堡PT3000系列，國(guó)內(nèi)尚未有相關(guān)的保溫帶開(kāi)發(fā)應(yīng)用先例。因此，法國(guó)特瑞堡PT3000系列產(chǎn)品的進(jìn)口周期長(zhǎng)、價(jià)格高、導(dǎo)熱系數(shù)高等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了軟管?chē)?guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。如果國(guó)內(nèi)的軟管廠家能發(fā)展壯大，形成較為成熟的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)并在國(guó)外市場(chǎng)占據(jù)一定份額，那么國(guó)內(nèi)很可能會(huì)出現(xiàn)專(zhuān)門(mén)針對(duì)海洋復(fù)合軟管的非金屬材料供貨廠家，通過(guò)原材料供貨廠家與軟管生產(chǎn)廠家的通力合作，對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行改良或開(kāi)發(fā)新材料，同時(shí)降低成本，縮短供貨周期，可大力促進(jìn)海洋復(fù)合軟管?chē)?guó)產(chǎn)化［2］。

為了滿足國(guó)內(nèi)海洋油氣輸送的需要，本文介紹了總傳熱系數(shù)的測(cè)定方法以及一種國(guó)產(chǎn)保溫帶材料在實(shí)際生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用，致力于縮短國(guó)內(nèi)海洋復(fù)合軟管保溫技術(shù)與國(guó)際領(lǐng)先水平之間的差距，為柔性復(fù)合軟管?chē)?guó)產(chǎn)化材料開(kāi)發(fā)提供幫助。

1 保溫帶性能參數(shù)

海洋保溫復(fù)合軟管的結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次有骨架層、內(nèi)壓密封層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、保溫層、抗壓鎧裝層、中間包覆層、配重保護(hù)層和外包覆層組成［3-4］，如圖1所示。保溫層的主要作用是減少熱量散失，保證原油在輸送過(guò)程中溫度在要求范圍內(nèi)；保溫帶主要位于非黏性復(fù)合軟管的保溫層中，保溫帶在使用過(guò)程中主要通過(guò)纏繞方式形成管材的保溫層。在同樣的導(dǎo)熱系數(shù)條件下，保溫層層數(shù)越多，保溫的K值越小，導(dǎo)致管材的熱損失越少。而在實(shí)際運(yùn)用中，降低保溫層的數(shù)量將有利于減少軟管的外徑和提高產(chǎn)品的性價(jià)比，有利于軟管的生產(chǎn)制造及海上的安裝，可大幅提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，在滿足生產(chǎn)制造的條件下，降低保溫帶導(dǎo)熱系數(shù)至關(guān)重要。

圖1 保溫材料在復(fù)合軟管中的結(jié)構(gòu)示意

某公司與河北某廠家共同開(kāi)發(fā)了一款保溫帶，與特瑞堡PT 3000保溫帶的外觀對(duì)比如圖2所示，兩種保溫材料的性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖2 國(guó)內(nèi)保溫材料和特瑞堡PT3000外觀對(duì)比

表1 國(guó)內(nèi)保溫材料和特瑞堡PT3000的性能對(duì)比

從表1可以看出，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的材料導(dǎo)熱系數(shù)小于PT3000，拉伸強(qiáng)度大于PT3000，壓縮強(qiáng)度小于PT3000，導(dǎo)熱系數(shù)的降低將有利于整條管線的使用。

2 熱傳導(dǎo)系數(shù)的計(jì)算方案

總的熱傳導(dǎo)系數(shù)是指在穩(wěn)定的傳熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫度差為1℃、1小時(shí)內(nèi)通過(guò)1 m2的熱量，又稱為傳熱系數(shù)K值，單位是W/m2·℃。導(dǎo)熱系數(shù)λ是材料本身的特性，導(dǎo)熱系數(shù)的大小直接決定管材整體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，式（1）為軟管總導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式［5］：

其中：

K——整管總傳熱系數(shù)；

D——軟管的內(nèi)徑值；

α1——油至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)；

α2i——內(nèi)壓密封層的內(nèi)徑；

λi——各層金屬層的導(dǎo)熱系數(shù)；

Dio——各層金屬層的外徑；

Dii——各層金屬層的內(nèi)經(jīng)；

λj——內(nèi)壓密封層、中間包覆層、保溫層和外包覆層的導(dǎo)熱系數(shù)；

Djo——內(nèi)壓密封層、中間包覆層、保溫層和外包覆層的外徑；

Dji——內(nèi)壓密封層、中間包覆層、保溫層和外包覆層的內(nèi)徑；

λm——各層抗磨層的導(dǎo)熱系數(shù)；

Dmo——各層抗磨層的外徑；

Dmi——各層抗磨層的內(nèi)經(jīng)；

α2——軟管外壁與海水的放熱系數(shù)；

Do——外包覆層的外徑；

（1）由于鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)很大，其值對(duì)總傳熱系數(shù)的影響微小，可以忽略。

（2）由于熱油流動(dòng)大都處于湍流區(qū)，湍流時(shí)油對(duì)管內(nèi)壁的放熱系數(shù)很大，該項(xiàng)對(duì)于總傳熱系數(shù)的影響很小，可以忽略。

（3）由于抗磨層的厚度較薄且容易被磨損掉，故忽略該層對(duì)總傳熱系數(shù)的影響。

（4）做保守考慮不計(jì)算軟管外壁對(duì)周?chē)Ｋ膿Q熱熱阻。

軟管總傳熱系數(shù)公式如下：

根據(jù)適用的工況條件和操作條件，選擇穩(wěn)態(tài)傳熱方案作為該試驗(yàn)的測(cè)試方案。穩(wěn)態(tài)傳熱，是指在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的有效時(shí)間內(nèi)，與過(guò)程有關(guān)的某些參數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)。

通過(guò)管內(nèi)熱源加熱保持管內(nèi)達(dá)到所要求的恒定溫度，外部環(huán)境介質(zhì)考慮為空氣，同樣要保持溫度恒定，從而內(nèi)外介質(zhì)處于穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)軟管壁面的熱流量是不變的，滿足傅立葉公式：

轉(zhuǎn)換為基于內(nèi)徑的散熱公式為：

其中：

q0——外壁散熱熱流密度；

D——軟管外徑；

d——軟管內(nèi)徑；

ki——基于軟管內(nèi)徑的傳熱系數(shù)；

ko——基于軟管外徑的傳熱系數(shù)；

t1——軟管外壁溫度；

t2——軟管內(nèi)壁溫度。

3 保溫帶生產(chǎn)制造應(yīng)用和K值測(cè)試

3.1 保溫帶生產(chǎn)制造應(yīng)用

根據(jù)某公司位于南海的某項(xiàng)目對(duì)輸送介質(zhì)的要求：整條管材的總傳熱系數(shù)必須小于2.75 W/m2·℃。某公司將新開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)保溫材料通過(guò)纏繞設(shè)備應(yīng)用于復(fù)合柔性軟管，如圖3所示。同時(shí)，對(duì)該海洋復(fù)合柔性軟管各層的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，如表2所示。

圖3 國(guó)產(chǎn)保溫帶生產(chǎn)制造應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

表2 復(fù)合柔性軟管各層導(dǎo)熱系數(shù)

3.2 總傳熱系數(shù)的K值測(cè)試

為了測(cè)試總傳熱系數(shù)的K值，采用油作為介質(zhì)，利用高低溫循環(huán)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.1 測(cè)試步驟

（1）準(zhǔn)備試驗(yàn)所需的PT100傳感器，并與無(wú)紙記錄儀連接，確保傳感器正常。

（2）編制固定傳感器所用的圓柱形鐵網(wǎng)，并將傳感器軸向間距510 mm，固定傳感器，傳感器圓周方向布置如圖4所示。

圖4 溫度傳感器固定示意

（3）將固定好傳感器的圓柱形鐵網(wǎng)放入試驗(yàn)樣管內(nèi)部。

（4）將試驗(yàn)樣管兩端安裝密封法蘭，確保密封無(wú)泄漏。

（5）法蘭安裝完成后，傳感器安裝并連接無(wú)紙記錄儀。

（6）管路進(jìn)油口與出油口管路連接。

（7）K值試驗(yàn)準(zhǔn)備完成后，啟動(dòng)電加熱器，對(duì)內(nèi)部循環(huán)水箱進(jìn)行加溫。

（8）打開(kāi)軟管兩端閥門(mén)，啟動(dòng)內(nèi)部管道泵，使軟管內(nèi)介質(zhì)循環(huán)。

（9）待軟管內(nèi)部介質(zhì)溫度到達(dá)50℃，傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。

（10）加熱設(shè)定值改為70℃，待軟管內(nèi)介質(zhì)溫度升到70℃，傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。

（11）加熱設(shè)定值改為90℃，待軟管內(nèi)介質(zhì)溫度升到70℃，傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，記錄完成后停止試驗(yàn)。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試過(guò)程記錄的數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3），經(jīng)計(jì)算可得，K值測(cè)試平均值為1.3 W/m2·℃，遠(yuǎn)小于項(xiàng)目設(shè)計(jì)值2.75 W/m2·℃，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 K值測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

某公司合作研發(fā)的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.07 W/m2·℃，遠(yuǎn)小于國(guó)外特瑞堡PT3000材料的0.16 W/m2·℃；通過(guò)將該保溫材料應(yīng)用于復(fù)合柔性軟管的生產(chǎn)，整管的總傳熱系數(shù)測(cè)試后為1.3 W/m2·℃，遠(yuǎn)小于項(xiàng)目設(shè)計(jì)值2.75 W/m2·℃，完全滿足設(shè)計(jì)要求，可縮短國(guó)內(nèi)海洋復(fù)合軟管保溫技術(shù)與國(guó)際領(lǐng)先水平之間的差距，為柔性復(fù)合軟管?chē)?guó)產(chǎn)化材料開(kāi)發(fā)提供幫助。

表3 K值測(cè)試數(shù)據(jù)