新型保溫材料在海洋復合軟管中的應用研究

王衛鋒 ，陳俊琛，2*，沙月華

（1.五行科技股份有限公司，江蘇泰州 225510；2.五行科技股份有限公司上海分公司，上海 200233）

0 引言

隨著我國海洋石油領域的不斷發展，海底輸送管道在海洋工程中的應用日益增多。海底管道按照材料主要可分為鋼管和復合柔性軟管兩大類，鋼管由金屬材料制成，與其相比，海洋復合軟管由于具有柔性好、適應地形能力強、連續長度長、安裝接頭少、防腐性好、保溫性好、易鋪設、可回收等優點，在海洋油田開發中的應用愈發普遍。由于石油普遍具有含蠟量高、凝固點高、黏度高、流動性低、化學成分復雜等特點，在輸送過程中隨著熱量逐漸散失，溫度降低極易造成液體內的蠟析出，使原本高黏度的原油流動性更低，造成管線結垢、凝管、堵塞等。因此，管道輸油一般將原油（或油品）加壓、加熱后，再通過輸油管道由某地輸送至另一地。加壓是為了給原油提供動能，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以上，使原油順利流動。

對于海洋石油的長距離輸送，熱量損失會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，輸油管道保溫技術問題的解決方法主要有兩種：（1）研發制備隔熱性能高的新材料；（2）優化保溫管道結構從而降低整個管道系統的導熱率［1］。近幾年來，隨著非黏性復合柔性軟管在國內海洋石油領域的逐步推廣，對軟管保溫材料的要求也日益提高，并須要針對不同海況來設計滿足不同介質輸送要求的海洋復合軟管。

目前，國外使用的柔性復合軟管保溫層材料大多采用法國特瑞堡PT3000系列，國內尚未有相關的保溫帶開發應用先例。因此，法國特瑞堡PT3000系列產品的進口周期長、價格高、導熱系數高等特點，嚴重影響了軟管國產化的進程。如果國內的軟管廠家能發展壯大，形成較為成熟的國內市場并在國外市場占據一定份額，那么國內很可能會出現專門針對海洋復合軟管的非金屬材料供貨廠家，通過原材料供貨廠家與軟管生產廠家的通力合作，對現有材料進行改良或開發新材料，同時降低成本，縮短供貨周期，可大力促進海洋復合軟管國產化［2］。

為了滿足國內海洋油氣輸送的需要，本文介紹了總傳熱系數的測定方法以及一種國產保溫帶材料在實際生產工藝中的應用，致力于縮短國內海洋復合軟管保溫技術與國際領先水平之間的差距，為柔性復合軟管國產化材料開發提供幫助。

1 保溫帶性能參數

海洋保溫復合軟管的結構由內向外依次有骨架層、內壓密封層、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，保證原油在輸送過程中溫度在要求范圍內；保溫帶主要位于非黏性復合軟管的保溫層中，保溫帶在使用過程中主要通過纏繞方式形成管材的保溫層。在同樣的導熱系數條件下，保溫層層數越多，保溫的K值越小，導致管材的熱損失越少。而在實際運用中，降低保溫層的數量將有利于減少軟管的外徑和提高產品的性價比，有利于軟管的生產制造及海上的安裝，可大幅提高產品的競爭力。因此，在滿足生產制造的條件下，降低保溫帶導熱系數至關重要。

圖1 保溫材料在復合軟管中的結構示意

某公司與河北某廠家共同開發了一款保溫帶，與特瑞堡PT 3000保溫帶的外觀對比如圖2所示，兩種保溫材料的性能參數對比如表1所示。

圖2 國內保溫材料和特瑞堡PT3000外觀對比

表1 國內保溫材料和特瑞堡PT3000的性能對比

從表1可以看出，國內自主研發的材料導熱系數小于PT3000，拉伸強度大于PT3000，壓縮強度小于PT3000，導熱系數的降低將有利于整條管線的使用。

2 熱傳導系數的計算方案

總的熱傳導系數是指在穩定的傳熱條件下，圍護結構兩側溫度差為1℃、1小時內通過1 m2的熱量，又稱為傳熱系數K值，單位是W/m2·℃。導熱系數λ是材料本身的特性，導熱系數的大小直接決定管材整體的熱傳導系數，式（1）為軟管總導熱系數的計算公式［5］：

其中：

K——整管總傳熱系數；

D——軟管的內徑值；

α1——油至管內壁的放熱系數；

α2i——內壓密封層的內徑；

λi——各層金屬層的導熱系數；

Dio——各層金屬層的外徑；

Dii——各層金屬層的內經；

λj——內壓密封層、中間包覆層、保溫層和外包覆層的導熱系數；

Djo——內壓密封層、中間包覆層、保溫層和外包覆層的外徑；

Dji——內壓密封層、中間包覆層、保溫層和外包覆層的內徑；

λm——各層抗磨層的導熱系數；

Dmo——各層抗磨層的外徑；

Dmi——各層抗磨層的內經；

α2——軟管外壁與海水的放熱系數；

Do——外包覆層的外徑；

（1）由于鋼材的導熱系數很大，其值對總傳熱系數的影響微小，可以忽略。

（2）由于熱油流動大都處于湍流區，湍流時油對管內壁的放熱系數很大，該項對于總傳熱系數的影響很小，可以忽略。

（3）由于抗磨層的厚度較薄且容易被磨損掉，故忽略該層對總傳熱系數的影響。

（4）做保守考慮不計算軟管外壁對周圍海水的換熱熱阻。

軟管總傳熱系數公式如下：

根據適用的工況條件和操作條件，選擇穩態傳熱方案作為該試驗的測試方案。穩態傳熱，是指在整個實驗的有效時間內，與過程有關的某些參數與時間無關。

通過管內熱源加熱保持管內達到所要求的恒定溫度，外部環境介質考慮為空氣，同樣要保持溫度恒定，從而內外介質處于穩態傳熱狀態，單位時間內通過軟管壁面的熱流量是不變的，滿足傅立葉公式：

轉換為基于內徑的散熱公式為：

其中：

q0——外壁散熱熱流密度；

D——軟管外徑；

d——軟管內徑；

ki——基于軟管內徑的傳熱系數；

ko——基于軟管外徑的傳熱系數；

t1——軟管外壁溫度；

t2——軟管內壁溫度。

3 保溫帶生產制造應用和K值測試

3.1 保溫帶生產制造應用

根據某公司位于南海的某項目對輸送介質的要求：整條管材的總傳熱系數必須小于2.75 W/m2·℃。某公司將新開發的國產保溫材料通過纏繞設備應用于復合柔性軟管，如圖3所示。同時，對該海洋復合柔性軟管各層的導熱系數進行了測定，如表2所示。

圖3 國產保溫帶生產制造應用現場

表2 復合柔性軟管各層導熱系數

3.2 總傳熱系數的K值測試

為了測試總傳熱系數的K值，采用油作為介質，利用高低溫循環設備進行試驗。

3.2.1 測試步驟

（1）準備試驗所需的PT100傳感器，并與無紙記錄儀連接，確保傳感器正常。

（2）編制固定傳感器所用的圓柱形鐵網，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放入試驗樣管內部。

（4）將試驗樣管兩端安裝密封法蘭，確保密封無泄漏。

（5）法蘭安裝完成后，傳感器安裝并連接無紙記錄儀。

（6）管路進油口與出油口管路連接。

（7）K值試驗準備完成后，啟動電加熱器，對內部循環水箱進行加溫。

（8）打開軟管兩端閥門，啟動內部管道泵，使軟管內介質循環。

（9）待軟管內部介質溫度到達50℃，傳感器讀數穩定后，記錄數據。

（10）加熱設定值改為70℃，待軟管內介質溫度升到70℃，傳感器讀數穩定后，記錄數據。

（11）加熱設定值改為90℃，待軟管內介質溫度升到70℃，傳感器讀數穩定后，記錄數據，記錄完成后停止試驗。

3.2.2 測試結果

根據測試過程記錄的數據（見表3），經計算可得，K值測試平均值為1.3 W/m2·℃，遠小于項目設計值2.75 W/m2·℃，完全滿足設計要求。

4 結語

圖5 K值測試實驗裝置

某公司合作研發的保溫材料導熱系數為0.07 W/m2·℃，遠小于國外特瑞堡PT3000材料的0.16 W/m2·℃；通過將該保溫材料應用于復合柔性軟管的生產，整管的總傳熱系數測試后為1.3 W/m2·℃，遠小于項目設計值2.75 W/m2·℃，完全滿足設計要求，可縮短國內海洋復合軟管保溫技術與國際領先水平之間的差距，為柔性復合軟管國產化材料開發提供幫助。

表3 K值測試數據