海底管道電伴熱輸送技術方案研究

常永朕，楊加棟，石云，張曉靈，王凱，吳文通，肖洪朋

(1.中海油能源發展股份有限公司清潔能源分公司，天津 300452；2.中海油研究總院，北京 100027； 3.北京石油化工學院，北京 102617；4.山東華寧電伴熱科技有限公司，山東 濟南 250018)

0 引言

如今我國對油氣的需求不斷增大[1-4]，同時常規油氣資源日益枯竭，非常規高凝油、稠油資源已經成為關注焦點[5-9]。我國的海上高凝油、稠油資源儲量豐富[10]，但存在海上輸送困難問題。高凝油的凝點較高，面臨長距離輸送壓降大、輸送流動安全和停產置換問題[11]。經系統地研究，羅塘湖發現熱處理能改善含蠟原油的流變特性，達到保障管路安全、降低輸油能耗、提高經濟效益的目的[12]。之后吳世逵等進行了犃、犅、犆三種高凝原油的黏溫曲線的測定及管道輸送等研究，發現在拐點之后，隨著溫度降低，黏度急速增大，且流動壓差增大[13]。因此亟需研究伴熱技術來對海底管線進行溫度的提升與控制。其中電伴熱帶伴熱技術效率高、安全穩定，可以實現長期穩定運行，適合于海上長距離輸送稠油、高凝油，提升管線保溫效果，避免海管內部凝固或者壓力上升[14]。此外，在水下系統管線采用單管時，利用電伴熱管線可以解決流動安全問題，減少停產置換，提升生產時率。

但是在我國石油化工領域，中長距離的電伴熱帶伴熱管線多用于陸地上[15-18]，而國產化的電伴熱帶伴熱管線尚未有在海底應用的案例。其主要原因是管線在海底承受著較大水壓等問題，其相關要求也更加嚴格。對此，研究了一套相對成熟的海底伴熱管道涂敷工藝，并設計、搭建相應的測試裝置，來模擬、測試管線上電伴熱帶的伴熱性能。

1 伴熱海管結構研究

首先，對電伴熱帶伴熱海管結構進行了研究。經分析論證，確定為鋼套鋼的雙層管結構。其中外鋼管外徑為406.4 mm，內鋼管外徑為273.1 mm，厚度均為12.7 mm，材質均為碳鋼。鑒于此伴熱管道所處的海洋情況較陸上而言更為嚴峻，因此伴熱海管結構中需同時具有防腐、保溫和伴熱的防護措施(圖1)。

圖1 伴熱海管截面結構示意圖

3層聚乙烯(簡稱3LPE)涂層是一種常用的海底管道外防腐涂層，由熔融環氧、膠黏劑和聚乙烯層依次構成，具備優異的防腐蝕性能[19-22]。此外，3LPE防腐涂層的生產工藝已經較為成熟，且車間配備有完善的生產線，是適用于電伴熱帶伴熱海管防腐結構的較好選擇。

海底管道的保溫層材料多為聚氨酯泡沫(PUF)，其成型工藝一般有澆筑和噴涂兩種[23-26]。噴涂法成型的保溫管泡孔均勻，密度均一，導熱系數低，抗壓強度高，保溫管整體具有優異的保溫性能和機械性能。其管端密封采用一次成型工藝，管端與主體涂層保持一致，防水性能優異。噴涂法可以生產大管徑、高密度的保溫管道，且工藝自動化程度高。經綜合分析對比，最終確定保溫層成型工藝為噴涂法，其厚度為40 mm。

此外，建立了伴熱海管中伴熱電纜的布局和數量的物理模型，并進行了相關數值模擬。綜合模型計算結果，確定了伴熱海管的伴熱結構：以捆綁安裝的方式，將3根伴熱電纜以分布式或者集中式布置在管道上，用以提供熱量。其中，集中式為三個伴熱電纜盒連為一體，但彼此之間又有分隔；而三根伴熱電纜分別置于三個電纜盒內。分布式為三個伴熱電纜盒完全分開(圖2)，三根伴熱電纜分別獨立置于三個電纜盒內。結果顯示流體靜置時集中布置電纜時溫度略微高于分散布置(表1，圖3)，即伴熱效果更優。而兩種布局方式的實際效果，還需后續制作試驗樣管且進行伴熱性能模擬測試來進行比對。

圖3 集中式與分布式的模擬伴熱效果

表1 集中式與分布式的模擬伴熱效果

圖2 集中式伴熱盒(左圖)與分布式伴熱盒(右圖)

2 伴熱海管制備工藝

在確定了伴熱海管的結構布局后，進一步研究了其制備工藝，最終確定為以下五個步驟：

(1)伴熱盒安裝：使用安裝設施對伴熱盒進行定位、安裝。安裝后伴熱盒與鋼管軸向水平，并且下底面圓弧可以貼合內管外壁，固定后的伴熱盒滿足鋼管傳輸、噴涂的要求。

(2)鋼管預熱與安裝管端成型器：對安裝好伴熱盒的鋼管進行傳輸，并進入預熱爐進行鋼管預熱。達到預熱溫度后，通過噴涂上管懸臂小車將預熱后的鋼管拖出，并安裝管端成型器。

(3)聚氨酯噴涂與熟化：將安裝好的鋼管放入噴涂小車，進行噴涂施工。之后將噴涂完成的保溫管傳送至泡沫管下管板鏈進行熟化。

(4)泡沫管修圓與管端修整：泡沫管通過修圓裝置，刀具旋轉將伴熱盒凸起部分切削掉，確保修圓后的保溫管表面平整圓滑無棱狀凸起。接著進行管端修整，檢查外觀并出管。

(5)穿管：進行雙層保溫管穿管作業(外管已經過3 LPE防腐工藝處理)。

3 試驗樣管結構研究

接下來，為了對上述伴熱海管進行多方面的性能模擬、測試，需制作特殊用途的樣管。根據上述工藝流程，制作以下三種樣管(均為鋼套鋼雙層保溫管，內管外壁除銹，外管采用3 LPE防腐處理)：

(1)試驗樣管A：內管273.1 mm，外管406.4 mm，壁厚均為12.7 mm；內管和外管長度均為5.4 m(能夠放置于低壓水艙的最大適宜長度)，保溫層材料選用聚氨酯泡沫，厚度為40 mm，密度為40～60 kg/m3。保溫層中嵌有集中式和分布式兩種伴熱盒，伴熱盒中將分別穿入對應的伴熱電纜。此樣管目的是分別測試集中式和分布式兩種不同情況下的伴熱海管總傳熱系數，并進行對比，用以選出最佳的布置方式(為盡量提高測試可靠性，樣管A需被置入一個完整的管道輸油回路中，詳見下一章節)。針對樣管A，不需要對伴熱電纜進行密封性測試，因此沒有對伴熱電纜進行密封接頭(一種高壓用端部密封裝置)的連接以及其他處理(圖4)。

圖4 低壓艙試驗樣管A

(2)試驗樣管B：內管273.1 mm，壁厚12.7 mm，外管457.0 mm，壁厚14.3 mm；管長均為5.0 m (能夠放置于高壓水艙的最大適宜長度)，需要進行保溫層處理，材料選用聚氨酯泡沫，保溫層厚度為40 mm，密度為40～60 kg/m3。內外管左端焊接錨固件，伴熱電纜從同一錨固件引進并穿出，外管右端用法蘭密封。錨固件外側電纜連接密封接頭(圖5)。目的是測試錨固件穿孔處和伴熱電纜接頭的密封性(只需配套用來模擬深水環境的高壓水艙即可完成測試，無需構建完整的管道輸油回路中)。

圖5 高壓艙浸泡試驗樣管B

(3)試驗樣管C：利用上述高壓艙試驗樣管B作為一端，再焊接適當長度的另一段(內外鋼管的壁厚及保溫層厚度、密度與樣管B相同)，總長為12.0 m (能夠放置于露天水池的最大適宜長度)；需要進行保溫層處理，兩端各有一個錨固件，伴熱電纜從錨固件穿出，其中一側引出的電纜與電纜接頭相連(圖6)。目的也是測試錨固件穿孔處和伴熱電纜接頭的密封性(只需配套用來模擬深水環境的高壓水艙即可完成測試，無需構建完整的管道輸油回路中)。

圖6 水池浸泡試驗樣管C

4 試驗方案研究

在后續實驗中，為精確模擬高凝油性質，設計采用固體石蠟和液體白油的混合物作為實驗用油。其次，為模擬海管所處海水環境，將試驗樣管A浸泡于恒溫低壓水艙中，并在此基礎上，將艙體法蘭開孔，使得試驗樣管A能夠順利穿出且和外部鋼管形成閉環回路(圖7)。

圖7 樣管A穿出恒溫低壓水艙法蘭示意圖

此外，考慮到海底管路有正常輸送、停輸、重啟三種不同工況，針對性的設計兩種實驗回路，以便實現每種工況的順利切換。綜合以上考慮因素，研究設計了如圖8所示的方案。

圖8 試驗方案示意圖

實驗分為兩種回路：實驗回路—用于測試正常輸送伴熱工況的油流回路，待測油品在油罐中加熱并攪拌均勻后由螺桿泵輸送，通過樣管A后流回油罐內；置換回路—用于切換正常輸送工況和其他工況，關停螺桿泵后，將氣瓶分別接上針閥3和針閥1，通過注入氣體將管線中除樣管A之外的油品分別經油罐入口和出口送入油罐內保存。

通過以上兩種回路，可模擬測試三種不同工況下的伴熱狀況及傳熱系數：

(1)正常輸送伴熱工況：模擬樣管A內流體溫度在60～80 ℃工況條件下，伴熱管線可以達到的總傳熱系數，并進行不同功率和不同電纜根數運行工況下的總傳熱系數測定。

(2)停輸維溫工況：模擬樣管A內流體停輸后，開啟維溫伴熱工況下的功率和總傳熱系統測定。

(3)解堵工況：模擬將凝固油從低溫環境加熱解堵工況的功率和總傳熱系統測定。

而為了進一步滿足上述不同功率和不同電纜根數運行工況下的總傳熱系數測定，需新增樣管A內介質溫度場測溫探針(即熱電偶)、管壁測溫光纖、熱流計，與原有數據采集系統集成(圖9、圖10)。另外通過單獨運行集中式或分布式的伴熱電纜，可分析對比此兩種不同布局下的伴熱效果。

圖9 恒溫低壓水艙內測溫結構

圖10 樣管A橫截面示意圖

經分析研究，最終確定測溫裝置包括11根熱電偶、4個熱流計、8根測溫光纖。熱電偶、熱流計、測溫光纖均為均勻間隔分布。其中，樣管A法蘭蓋上的熱電偶坐標分布如表2所示。

表2 樣管A法蘭蓋上熱電偶坐標

考慮到在海底管線中，伴熱電纜接頭和電纜穿過錨固件處的密封性極其關鍵(見圖5、圖6)，影響到管路安全性等問題，因此有必要在測試上述伴熱效果和傳熱系數后，對此開展浸泡試驗。為模擬海底管線所處高水壓環境，設計將實驗樣管B于高壓水艙中浸泡一周，以測試伴熱電纜接頭和電纜穿過錨固件處的密封性。此外，為測試上述關鍵部位的持久耐水性，將實驗樣管C于常壓水池中浸泡三個月。實驗樣管B、C的伴熱電纜接頭和電纜穿過錨固件處均直接暴露于水中。

5 結語

文章通過研究確定了電伴熱帶伴熱的方式，并對電伴熱帶伴熱海管的預制工藝進行了研究。所需預制的電伴熱帶伴熱海管為鋼套鋼雙層保溫管，內管外壁除銹，外管采用3 LPE防腐處理。保溫層材料選用聚氨酯泡沫，厚度為40 mm，密度為40～60 kg/m3。通過以上工藝制得三種特殊樣管，并進一步設計了電伴熱海底管道模擬測試方案。利用恒溫低壓水艙進行正常輸送伴熱、停輸維溫、解堵三種工況下的伴熱性能測試和傳熱系數測定；利用高壓水艙進行伴熱電纜接頭及電纜穿過錨固件處密封性的水中短期高壓模擬測試；利用水池進行伴熱電纜接頭及電纜穿過錨固件處密封性的水中長期常壓浸泡模擬測試。通過以上預制工藝和測試實驗，可較全面模擬測試海底管線在海洋環境中、多種工況下的伴熱效果及安全性能，進而為電伴熱帶伴熱海管產品開發、預制能力建設奠定技術基礎，為電伴熱帶伴熱技術在海底管線上的應用提供有力支撐。