重力式平臺水下儲油保溫技術研究

李文娟，王銀邦，武文慧

中國海洋大學，山東青島266100

重力式平臺水下儲油保溫技術研究

李文娟，王銀邦，武文慧

中國海洋大學，山東青島266100

對重力式平臺的水下混凝土儲油罐進行了溫度場的數值模擬，發現罐壁周圍的凝油層較厚，在一個儲油周期中儲油罐需加保溫層才能滿足原油的儲運要求。為了提高水下儲油罐的保溫性能以滿足海底原油的儲運要求，提出了三種適用于水下儲油罐的保溫方案，并對經濟效益進行了對比分析。結果表明，采用聚氨酯泡沫保溫方案能顯著提高儲油罐的保溫性能，且符合經濟效益最大化原則，同時具有較高的工程可行性。

水下儲油；保溫；節能；重力式平臺

0 引言

我國的海上油田主要分布在近海海域，其特點是水深較淺，小塊油田多，原油產量低，凝固點高，屬于淺海邊際油田。水下儲油生產方式將油氣與火源、雷電隔離，不僅安全性好，油氣損耗小，而且可以降低平臺所受工作荷載和外部環境荷載，大幅降低油氣集輸環節成本，比較適用于我國淺海邊際油田的開發[1]。

水下儲油主要有重力式水下儲油和油水置換水下儲油兩種方式。重力式水下儲油具有抗腐蝕性強、易維修和造價低等優點，與油水置換方式相比，消除了油水接觸帶來的環境污染，也降低了因油水熱交換帶來的熱能損耗[2]。國外在上世紀70年代首次建成重力式平臺并投入使用，此后得到了較廣泛應用，但我國海上油田至今尚無采用重力式平臺的先例，主要存在三個方面的技術難題有待解決：地基的失穩傾覆破壞、桶形基礎底部的沖刷淘空和水下儲油保溫技術。由此可見，解決水下儲油保溫技術問題在我國淺海油氣開發中具有重要意義。

國內很多學者對水下儲油技術也做了大量的研究工作。盧佩瓊[3]對水下儲存高凝原油的傳熱規律做了研究，初步論證了水下儲存易凝油的可行性，同時驗證了采用外循環方式加熱原油是行之有效的方法。陳毓琛、馮旅平[4]建立了油罐的分區傳熱模型，用差分法得到原油的表觀導熱系數。張日向等[5]對水下混凝土儲油罐的溫度場進行了數模優化計算。現有的研究工作大部分集中在水下儲油傳熱規律的研究，而提出一種具體實用的水下油罐儲油保溫方法的工作相對較少。鑒于我國邊際油田生產的原油大部分屬于凝固點較高的易凝油，在重力式平臺水下儲油保溫技術中，如何保持高凝原油的良好流動性顯得尤為重要，它既是水下儲油關鍵技術之一，也是水下儲油技術走向工程應用實現產業化的技術難點。本文的研究目的即通過分析重力式平臺底部油罐的溫度場變化，提出一種較為經濟可行的保溫方案來提高油罐的保溫性能以滿足海底高凝原油的儲運要求，可為國內重力式平臺的開發應用提供一定的技術支持。

1 重力式平臺模型簡化

本文采用的淺海重力式平臺模型如圖1所示，主要由底部混凝土儲油罐、支撐立柱、上部平臺甲板和桶形裙板四部分組成。其中，混凝土儲油罐為圓柱形封閉結構，浸沒在海水中，設計尺寸為：內直徑16 m，內高3 m，壁厚40 cm，儲油量603 m3；桶形裙板插入海底，主要作用是抗傾覆和滑移。此重力式平臺適用于25 m左右水深的淺海邊際油田，原油產量較低，一般需一周左右往陸上運輸一次，為小儲量平臺。

圖1 重力式平臺的模型示意

本文在對底部儲油罐的溫度場分析中，為了簡化模型計算作了如下幾點假定：

（1）儲油罐外壁的周圍環境溫度是穩定的，因為罐體體積與外界海水環境相比很小，海水溫度的變化可忽略。

（2）根據圓柱體油罐的軸對稱特征，將其簡化為二維平面熱傳導問題，計算量可大大減少。

（3）儲油罐側壁與海水之間的傳熱按對流換熱計算；考慮到罐底部與海床接觸處有大量的海底孔隙水，故將油罐底板與海床的傳熱也近似看作是與海水的對流換熱，邊界條件和側壁相同。

（4）桶形裙板對油罐溫度場的影響較小，不加考慮。

（5）不考慮凝油層相變問題對油體熱傳導過程的影響（若考慮凝油層較復雜的保溫作用，則實際油體的溫度還會更高一些，故本文的結論偏于保守）。

由熱傳導理論[6]，可得熱傳導/控制微分方程為：

式中ρ——原油密度；

c——原油比熱容；

T——儲油罐罐壁溫度；

t——時間；

λx、λy、λz——分別為原油在三軸方向的導熱系數；

qv——單位時間內熱源的生成熱量，本例取為0。

設儲油罐原油區域導熱系數為常數，并考慮軸對稱特性，上式可簡化為：

罐內原油溫度的變化會引起原油與罐壁接觸區域油體的運動，故兩者的傳熱按對流換熱計算；對儲油罐外壁與海水接觸區域，接觸面上的傳熱也按對流換熱計算，則第三類邊界條件為：

式中n——邊界法線方向；

λ——導熱系數；

β——對流換熱系數；

Tc——儲油罐周圍海水溫度，本例以渤海灣勝利油田為背景，按冬季最寒冷時最不利溫度工況計算，取4℃。

2 儲油罐的保溫性能分析

2.1 熱分析計算參數

參考勝利油田生產原油的物理性質，20℃時原油密度850～860 kg/m3，本文取900 kg/m3，凝固點34～39℃。水的對流換熱系數一般取200W/（m2·K），考慮到海水富含導熱離子和海底底流影響，海水與罐壁對流換熱系數取450 W/（m2·K）。混凝土導熱系數一般在1.74～2.33 W/（m2·K）之間，取中間估計值2.0 W/（m·K）。其他參數見表1。

表1 ANSYS熱分析計算參數（部分）

有限元分析的初始條件：原油進罐平均溫度70℃，海水溫度取渤海灣海水的最低值4℃。

2.2 數值模擬及結果分析

本文選用ANSYS Thermal模塊進行溫度場模擬。ANSYS熱分析有穩態與瞬態兩種，本例屬于瞬態熱分析。

根據重力式水下儲油罐溫度場的軸對稱特征，為簡化數模計算，建立了平面二維有限元模型，采用熱分析四邊形單元PLANE55，此單元可作為一個具有二維熱傳導能力的平面或軸對稱環單元使用，具有4個節點，每個節點只有1個溫度自由度，可用于穩態或瞬態熱分析[7]。

對油罐的三面罐壁均施加對流換熱載荷，模擬一個儲油周期（設為7 d）內的溫度場變化，得到油罐的三維擴展溫度分布云圖（見圖2）。分別取油罐邊緣節點1 728、凝油層部分節點1 726和1 727、油體中心部位節點1 715，以及凝油層與油罐中心部位之間的節點1 722，觀察其溫度變化規律（見圖3）。可知，油罐邊緣區溫度變化遠遠大于中心點溫度變化，溫度降低幅度大，油罐邊緣及凝油層節點溫度已降至凝固點以下。

按照高凝原油的儲油要求，貯油溫度應比凝固點高10℃以上。數值計算結果表明，重力式儲油平臺底部混凝土油罐的保溫性能一般，罐內油體冷卻后凝油層較厚，原油溫度降幅較大，在一個儲油周期內僅有不足60%的原油保持流動性，不能滿足大多數情況下高凝原油的水下儲存轉運要求，建議采取保溫措施，提高儲油罐的保溫性能。

圖2 168h溫度分布云圖/℃

圖3 各節點168 h溫度變化曲線

3 水下油罐保溫措施研究

我國淺海邊際油田生產的大部分原油是油氣、石蠟液體、水等的混合物，當外界海水溫度較低時，原油析蠟，原油流動性變差并發生沉積，不利于輸運和利用。采用外部電加熱的方法會耗費大量熱能，且檢修成本較高。近年來，節能減排、保護生態環境已成為大勢所趨，故研究水下儲油的絕熱保溫方法具有十分重要的工程實用價值。

3.1 海底環境下應用的保溫材料

海底環境下的保溫材料需長時間浸沒在海水中，處于濕度大、靜水壓高、內側流體溫度高、外側海水冷的工況下，故要求保溫材料除了具有良好的保溫性能外，還需具有吸水率低、抗壓強度高、防腐性能強、耐碰撞、整個服務周期內不老化以及易于安裝與維修等特點[8]。

保溫材料從結構上可分為發泡型、空氣層型和纖維型三大類。其中，發泡型保溫材料具有導熱系數小、吸水率低、抗壓強度高及易于成型和施工等優點，在海上各類石油平臺結構的保溫中得到越來越廣泛的應用[9]。海洋工程中最常用的幾種發泡型保溫材料有聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯（PVC）泡沫塑料、環氧樹脂泡沫塑料等，均屬于有機發泡材料，而無機發泡材料因工藝不完善保溫效果不太理想，在海洋工程中應用較少。

聚氨酯泡沫塑料是一種有機聚合物，具有保溫隔熱性好、導熱系數小（<0.03 W/（m·k））、密度低（40～100 kg/m3）、吸水率低（<30 mg/m3）、化學穩定性好等特性，是目前一種較好的保溫材料。這種材料能較容易地一次制作成所需要的厚度、密度和形狀；其缺點是抗壓強度較低，易損壞，閉孔率達不到100%。因此，在其外面必須有一層可靠的防水保護層。聚氨酯泡沫塑料的使用歷史較長（大約有30年），因而制造工藝和施工技術都比較成熟，在海底工程保溫方面有許多成功的例子，一般用于水深＜50 m的海工結構。與其他泡沫保溫材料相比，其導熱系數最小，保溫效果最好。

聚氯乙烯泡沫塑料蜂窩狀結構中含有某種惰性氣體且基本不透水，閉孔率可達100%，抗壓強度較高（＞2.5 MPa），適用于深水海底工程。與聚氨酯泡沫塑料相比，其缺點是密度較大（130～400 kg/m3），導熱系數較大（0.035～0.062 W/（m·k）），聚氯乙烯泡沫塑料是近幾年來才得到應用的保溫材料，使用歷史較短，制造與施工技術尚不成熟，實際工程應用的例子與聚氨酯泡沫塑料相比也要少得多。但由于具有不吸水和抗壓強度高的顯著優點，這種保溫材料越來越多地應用于海工結構的保溫。

環氧樹脂泡沫塑料是由環氧樹脂聚合體填充中空玻璃微珠、固化劑等其他添加劑制備而成。與以上兩種泡沫塑料相比，環氧樹脂泡沫塑料具有更高的抗壓強度（室溫下9～10 MPa，100℃時7～8 MPa），更高的耐熱溫度（＞120℃），因而這種保溫材料較適合于深水海域及所輸流體溫度高于120℃的海工結構[10]。其缺點是市場價格較高，使用成本較高；另外，其導熱系數較高（0.10～0.15 W/（m·K））、密度較大（300～600 kg/m3）、閉孔率達不到100%（為88%～95%），外表面必須設有可靠的防水層。

3.2 防水保護層材料

可用作海洋環境下發泡型保溫材料的防水保護層材料主要有：高（低）密度聚乙烯、模制聚氨酯、橡膠和其他防水材料，其中高密度聚乙烯是應用最多的防水保護層材料。用聚乙烯作為保溫材料的防水保護層，可有效阻止水向保溫層的滲透，同時這種材料具有很好的電絕緣性能，且易于加工成型。用這種材料制成的防水保護層具有一定的抗磨、抗沖擊、抗撕裂和抗拉性能，可滿足施工載荷的要求。目前，對于聚氨酯泡沫保溫材料，國內外均采用聚乙烯作為防水保護層。本文選擇高密度聚乙烯作為油罐保溫材料外部的防水保護層。

3.3 采取保溫措施后油罐的保溫效果分析

按照GB 50264-1997《工業設備及管道絕熱工程設計規范》附錄B關于最大允許熱損失的要求，綜合考慮本水下儲油罐的工程特點，取保溫層的厚度為100 mm。在以上三種保溫材料中選取導熱系數最大的環氧樹脂泡沫塑料，若保溫后罐內原油在一個儲油周期后的溫度場分布能夠滿足工作要求，則采用其他兩種保溫材料也均能夠滿足工作要求。

在ANSYS數值計算中，取環氧樹脂泡沫塑料保溫層的導熱系數為0.15 W/（m·K），在儲油罐外側壁、頂面、罐底做環氧樹脂泡沫塑料保溫層和外部防水層，得到168 h溫度分布云圖如圖4所示；分別取油罐邊緣節點344、凝油層部分節點343和342和油體中心節點337，以及凝油層與油體中心部位之間的節點341，其溫度變化曲線如圖5所示。

圖4 環氧樹脂泡沫塑料保溫后的儲油罐168 h溫度分布云圖/℃

由圖4及圖5可見，在一個儲油周期內，罐體溫度與海水接近，罐內油體內部油溫大部分保持在62～70℃，罐壁凝油層明顯變薄，從罐體內表面到原油非凝界面僅約15～20 mm，熱傳導十分緩慢，有83%以上的原油保持流動性，相對于沒有采取保溫措施的普通混凝土罐，提高了約20%。以上結果表明，在對油罐做環氧樹脂泡沫塑料保溫后，其保溫效果有較大幅度提高，能夠滿足海底原油的儲運要求。由于環氧樹脂泡沫塑料是本文介紹的三種材料中導熱系數最大的保溫材料，因而另外兩種材料也能滿足海底儲油的保溫要求。

3.4 三種保溫方案的經濟效益對比分析

在三種材料均能滿足海底儲油的保溫要求的前提下，找出其中經濟效益最大化且工程可行性最高的一種，作為實際工程的油罐保溫材料。

根據傳熱學原理，油罐熱損失計算公式[11]：

式中Q——油罐通過罐壁散失的熱量/J；

K——罐壁傳熱系數/（W/（m2·K））；

Δt——散熱溫差/K；

F——油罐的罐壁散熱面積/m2；

t——油罐使用時間/s。

罐壁傳熱系數的計算：

式中α1——油品對罐壁的對流放熱系數/（W/（m2·K））；

α2——罐壁對環境的對流放熱系數/（W/（m2·K））；

δi——罐壁或保溫層的厚度/m；

λi——罐壁或保溫層的導熱系數/（W/（m·K））。

本例中原油導熱系數為0.136 W/（m·K），混凝土導熱系數2.0 W/（m·K），α1取70 W/（m2·K），α2取350 W/（m2·K）。罐壁散熱面積為644 m2。假設油罐全年運行，年使用時間為365 d。經計算，未做保溫的罐壁傳熱系數為4.6 W/（m2·K），可得保溫前油罐的熱損失為6.18×1012J。

三種保溫方案分別為：100 mm厚聚氨酯泡沫塑料保溫層+2mm厚高密度聚乙烯防水保護層；100mm厚PVC泡沫塑料保溫層；100 mm厚環氧樹脂泡沫塑料+2 mm厚高密度聚乙烯防水保護層。

據式（4）和（5）計算得出應用這三種保溫方案后每年的熱損失，并得到保溫前后熱損失的減少量。現行市場電能價格取為0.6元/kW·h，市場上聚氨酯硬質泡沫塑料、PVC泡沫塑料、環氧樹脂泡沫塑料的材料費和施工費之和分別約為2 000、1 600、2 500元/m3，外部防水保護層的市場價約30元/m2，計算得到三種保溫方案的投入與產出的對比情況，見表2。

表2 三種方案的經濟效益比較

由表2可知，在重力式平臺的水下儲油罐外部做保溫措施可以大大降低熱損失，保溫效果明顯，不需外部加熱便可滿足海底原油的儲運要求。同時由三種方案的比較可得，無論哪種方案都可以在當年收回成本，具有較好的經濟效益。按經濟效益最大化的原則來看，傾向于選擇第一種方案，即采用聚氨酯泡沫塑料保溫層和外部防水保護層的方法。聚氨酯泡沫塑料制造工藝和施工技術都比較成熟，已經有很多海底工程的成功先例，將其應用在本文的重力式平臺的油罐的保溫方面也會具有很高的工程可行性和巨大的經濟效益。

4 結論

本文通過對重力式平臺的底部混凝土儲油罐進行數值模擬分析，得到了溫度場分布。在此基礎上提出了一種可行的保溫方案，并驗證了其有效性和經濟性。初步得到以下結論：

（1）水下混凝土儲油罐在一個儲油周期中不能滿足原油的儲存和運轉要求，需采取保溫措施來保持原油的良好流動性。

（2）為了降低能耗，消除油罐傳統的外加熱保溫能耗量巨大的弊端，本文提出了三種適用于水下油罐的保溫方案。數值模擬結果表明三種保溫方案均可以顯著提高油罐的保溫性能，在儲油周期內確保了罐內原油的運輸和使用。

（3）通過對三種方案的經濟效益比較分析，聚氨脂硬泡塑料保溫方案可以實現經濟效益最大化，且具有很高的工程可行性。可較好地實現節能減排，是一種理想的水下儲油保溫措施。

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全產業鏈高端技術護航管道建設

3月24日，新一代全自動焊接裝備CPP900電子元件通過實驗室低溫測試。CPP900包括坡口機、內焊機和外焊機，主要技術指標與世界最先進的美國CRC焊接裝備相當，而成本只有CRC的60%。

CPP900只是中石油管道局高科技產品的一個代表。“十二五”以來，管道局開展重大科技攻關265項，獲得授權專利399項，獲省部級以上獎勵25項。管道局已經實現了核心技術自有化、關鍵裝備國產化、作業方式機械化，掌握了涵蓋設計、施工、檢測、維搶修、投產運行等管道工程全產業鏈的高端技術；跨平臺油氣管道SCADA系統軟件，可同時適用于大型油氣調控中心和站控系統，打破了國外壟斷，性能達到或超過國際先進水平；自2011年起，將管道規劃、建設、運行、維護到報廢的全過程進行信息化整合，建立統一的管道信息模型，形成全生命周期管理數據庫，實現管道業務的信息化管理；由管道局自主研發的光纖管道安全預警系統、高清晰漏磁檢測器、大口徑熱煨彎管、大口徑高壓絕緣接頭、大口徑高壓開孔機、油氣儲運自動化控制等裝備，全部應用于在建或運營的管道。

有關專家表示，我國目前長輸管道所應用的高鋼級、大口徑、高壓力技術以及相關配套施工技術，均已達到國際領先水平。這些技術不僅推動了管道局的發展，而且提升了我國石油管道整體建設水平。

（本刊摘錄）

Study on Thermal Insulation Technology of Subsea Oil Storage in Gravity Platform

LiWenjuan，Wang Yinbang，Wu Wenhui
Ocean University of China，Qingdao 266100，China

This paper applies finite element method to simulate temperature field of the subsea concrete oil tank of an offshore gravity platform.It is found that the condensate oil layer around tank wall is thick and so tank thermal insulation is needed to satisfy requirements of crude oil storage and transportation during a storage period.To enhance heat preservation property of the oil tank to meet requirements of underwater oil storage，three insulation solutions are proposed in this paper and comparative analysis of their economic benefits is done. Obtained results show that the solution of applying polyurethane foam thermal insulation can not only increase heat preservation property of oil tank dramatically，but also maximize economic benefits and possess high engineering feasibility.

subsea oilstorage；thermalinsulation；energy conservation；offshore gravity platform

國家高技術研究發展計劃項目（2007AA09Z317）資助

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.018

李文娟（1989-），女，山東濰坊人，中國海洋大學港口、海岸及近海工程專業在讀博士生，從事海洋平臺結構研究工作。

2014-07-02；

2015-02-05