油田稠油注汽管線保溫技術(shù)應用

趙立新（中國石油天然氣集團公司西北油田節(jié)能監(jiān)測中心）

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)、處理站加熱設備及管線等領域，由于輸送介質(zhì)溫度高，注汽管線常年運行且環(huán)境相對惡劣，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3倍；因此，選擇合適的保溫材料、不斷提升和改進保溫技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。為此，新疆油田針對不同材料、保溫工藝、使用年限的稠油注汽管線，開展保溫狀態(tài)測試和分析研究。根據(jù)大量詳實的檢測數(shù)據(jù)，對同種材料和工藝、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行的對比分析，證實了采用納米氣凝膠氈與復合硅酸鹽氈的復合保溫結(jié)構(gòu)在保溫性能穩(wěn)定性和長期運行經(jīng)濟性上具有明顯優(yōu)勢。

2 保溫技術(shù)應用分析

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

2.1 保溫材料對比

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

2）復合硅酸鹽瓦（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)出復合硅酸鹽瓦。該產(chǎn)品具有強度高、安裝方便、成本低的優(yōu)點，但也存在保溫性能差，導熱系數(shù)為0.065 W/(m·K)左右，長期使用后接縫處漏熱嚴重、局部破損等問題。

3）復合硅酸鹽漿料。與普通的復合硅酸鹽涂料略有不同，其中添加了發(fā)泡成分，采用現(xiàn)場涂抹方式施工。雖然材料本身的導熱系數(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、長期使用漏熱點少、綜合保溫效果好的優(yōu)點。同時也受施工方式影響，導致該保溫材料的施工周期長且受季節(jié)限制，單位成本較高。

4）復合硅酸鹽管殼。保溫效果較好，施工簡便，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合結(jié)構(gòu)。采用納米氣凝膠氈與復合硅酸鹽氈的復合保溫結(jié)構(gòu)，底層采用納米氣凝膠氈，外層覆蓋一層或多層復合硅酸鹽氈，既充分利用了納米氣凝膠氈高溫導熱系數(shù)極低的優(yōu)勢，又合理降低了單位建設成本，綜合保溫效果好。

2.2 應用效果

注汽管線常年運行，運行環(huán)境相對惡劣，全油田稠油注汽管線的年散熱損失熱量超過15×104t標煤，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3倍。

為優(yōu)選經(jīng)濟合理的保溫技術(shù)，新疆油田公司開展了稠油注汽管線散熱損失的測試分析與研究。本次測試選取具有代表性的稠油注汽管線17 條，測試、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，包括雙層復合硅酸鹽瓦管線6條（600 km）、復合硅酸鹽漿料管線6條（104.7 km）、納米氣凝膠+復合硅酸鹽氈管線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

對保溫技術(shù)的應用效果的分析主要依據(jù)稠油注汽管線散熱損失的測試結(jié)果，通過對比不同保溫技術(shù)的注汽管線散熱損失的大小評價各類技術(shù)的保溫水平。

1）用熱像儀對選取的管段拍攝熱像圖，通過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試示意圖見圖1。

2）依據(jù)GB/T 17357—2008《設備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場測定熱流計法和表面溫度法》，測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 選取一個保溫測點，同時就近選取一個彎頭測點，采用表面溫度計法對選取的管線、彎頭進行散熱測試。測試期間同時對管線周圍的環(huán)境溫度、風速進行測試。

圖1 注汽管線的散熱損失測試示意圖

2.2.2 紅外熱成像定性分析

1）雙層復合硅酸鹽瓦。通過對雙層復合硅酸鹽瓦直管段和彎頭進行紅外圖像的觀察與分析（圖2、圖3），結(jié)果如下：對直管段采用雙層復合硅酸鹽瓦保溫，對彎頭采用復合硅酸鹽氈包裹保溫，防護層使用鍍鋅鐵皮；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 個漏熱點；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 直管配合一個彎頭）。

圖2 雙層復合硅酸鹽瓦直管段

表1 17條注汽管線基本情況

圖3 雙層復合硅酸鹽瓦彎頭

2）復合硅酸鹽漿料。通過對復合硅酸鹽漿料直管段和彎頭進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合硅酸鹽漿料（NT-2）保溫，防護層使用鍍鋅鐵皮；直管段保溫結(jié)構(gòu)比較均勻，最高溫度達17.1 ℃（2010年），未出現(xiàn)漏熱點；彎頭部分保溫結(jié)構(gòu)比較均勻，最高溫度達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 復合硅酸鹽漿料直管段

圖5 復合硅酸鹽漿料彎頭

3）納米氣凝膠。通過對納米氣凝膠直管段和彎頭進行紅外圖像的觀察與分析（圖6、圖7），結(jié)果如下：對直管段和彎頭采用雙層納米氣凝膠外層包裹復合硅酸鹽氈保溫，防護層使用鍍鋅鐵皮；直管段保溫結(jié)構(gòu)比較均勻，最高溫度達25.1 ℃（2009年），未出現(xiàn)漏熱點；彎頭部分保溫結(jié)構(gòu)比較均勻，最高溫度達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

通過實際測試注汽管線表面溫度、環(huán)境溫度、風速等數(shù)據(jù)，依據(jù)GB/T 17357—2008 計算出17 條注汽管線散熱損失測試結(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。

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

通過對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；保溫材料隨著時間增長，保溫效果有不同程度衰減，平均年散熱損失增加比率為：雙層復合硅酸鹽瓦4.6%，復合硅酸鹽漿料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)濟損失對比數(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)濟損失測算見表3。

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

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

由表4可知：采用納米氣凝膠和復合硅酸鹽漿料的管線造價略高于雙層復合硅酸鹽瓦，最大造價差值為14.7 萬元/km；注汽管線運行6 年后，雙層復合硅酸鹽瓦管線運行的總經(jīng)濟損失比納米氣凝膠管線約多41 萬元/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)也會發(fā)生損壞等問題，經(jīng)濟損失的差值實際上會越來越大。

綜上所述，注汽管線保溫的建設和運行維護成本，決定了注汽管線長期運行的經(jīng)濟性，不同保溫材料和結(jié)構(gòu)及使用年限對保溫效果的影響具有一定的規(guī)律性。

4）復合硅酸鹽管殼與納米氣凝膠對比。復合硅酸鹽管殼用于注汽管線保溫是近期開始的試驗項目。為驗證其保溫效果，在同一條注汽管線上選取了四段，同時敷設造價相近的納米氣凝膠與復合硅酸鹽氈的復合保溫結(jié)構(gòu)，以及多層復合硅酸鹽氈保溫結(jié)構(gòu)，通過實際測試兩種保溫結(jié)構(gòu)的散熱損失來評價其保溫效果。復合硅酸鹽管殼與納米氣凝膠復合結(jié)構(gòu)散熱損失測算見表5。

表3 注汽管線散熱經(jīng)濟損失測算

表4 注汽管線使用年限內(nèi)累計經(jīng)濟損失測算

表5 復合硅酸鹽管殼與納米氣凝膠復合結(jié)構(gòu)散熱損失測算

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

3 結(jié)論和認識

通過對巖棉玻璃棉、復合硅酸鹽瓦、復合硅酸鹽漿料、復合硅酸鹽管殼、納米氣凝膠氈及其復合結(jié)構(gòu)等保溫技術(shù)的對比分析，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合硅酸鹽瓦兩種保溫技術(shù)；從長期投資的經(jīng)濟效益考慮，推薦采用納米氣凝膠復合保溫結(jié)構(gòu)，對異形管段或管道附件，也可以采用復合硅酸鹽漿料的保溫技術(shù)。

在進行注汽管線保溫設計時，應注重優(yōu)化保溫結(jié)構(gòu)，規(guī)范并嚴格執(zhí)行管線保溫材料的技術(shù)標準，加強對保溫施工的監(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，從多方面改進和調(diào)高注汽管線的保溫效果，減少散熱經(jīng)濟損失。