油管隔熱層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)視導(dǎo)熱系數(shù)影響

衛(wèi)棟，夏季秋

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710065；2.新疆油田分公司物資供應(yīng)總公司，新疆克拉瑪依 834000）①

在稠油熱采［1－2］過(guò)程中，由于蒸汽與周邊開(kāi)采環(huán)境存在溫度差異，而且蒸汽流動(dòng)時(shí)還產(chǎn)生摩擦阻力，所以這一過(guò)程中必然有熱能的耗損。其中，井筒的熱能耗損對(duì)熱采產(chǎn)生很大影響。為了有效控制稠油熱采注入蒸汽時(shí)熱能的大量耗損，油田使用了隔熱油管。隔熱層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)隔熱油管的阻熱性能有很大影響，本文對(duì)此進(jìn)行研究，并提出改進(jìn)措施。

1 隔熱油管結(jié)構(gòu)

隔熱油管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。隔熱油管中選擇的管材以及隔熱層的材料都具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)［3－4］。為了保證隔熱油管在高溫下的抗拉伸和蠕變性能，采用在管材成分中加入少量Cr、Si、Al等合金元素，或者在隔熱油管內(nèi)外壁表面進(jìn)行Cr、Si、Al合金化處理［5］。隔熱層則采用具有較高反射率的鋁箔紙和玻璃纖維復(fù)合材料層層纏繞，抽出空氣，加入惰性氣體，從而減少熱輻射。如圖2～3所示。

圖1 隔熱油管結(jié)構(gòu)

圖2 隔熱油管隔熱層結(jié)構(gòu)

圖3 玻璃纖維復(fù)合材料

2 隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)

通常，隔熱油管的阻熱性能與其總熱阻R 成正比，總熱阻越大，隔熱性能越好。

式中：d為隔熱油管內(nèi)管內(nèi)徑；D為隔熱油管外管外徑；λ為隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)。

對(duì)于相同尺寸的油管，式（1）中的D、d為常量，λ是直接影響隔熱油管阻熱性能的主要因素。因此，SY5324—1994標(biāo)準(zhǔn)將λ作為隔熱油管評(píng)級(jí)的主要指標(biāo)。按其視導(dǎo)熱系數(shù)可分為5個(gè)等級(jí)，如表1所示。

相關(guān)資料［6］表明，隔熱層熱阻占隔熱油管總熱阻R的80%，所以研究隔熱層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)λ的影響就顯得至關(guān)重要。

表1 按視導(dǎo)熱系數(shù)劃分隔熱油管性能等級(jí)

3 隔熱層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)視導(dǎo)熱系數(shù)影響

3.1 密實(shí)度

隔熱層隔熱材料相互纏繞的密實(shí)程度是阻熱性能的重要物理性質(zhì)指標(biāo)。一般用e 表示，e 越大隔熱材料相互之間纏繞越疏松；反之，越密實(shí)。隨著隔熱層氣體壓力的變化，密實(shí)度e的阻熱性能也隨之變化。在不同壓力下，隔熱層密實(shí)度與視導(dǎo)熱系數(shù)之間關(guān)系如圖4所示。

圖4 隔熱層密實(shí)度e與視導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系曲線

由圖4可以看出：

1）當(dāng)p＜10000Pa時(shí)，隨著隔熱層密實(shí)度的增大，視導(dǎo)熱系數(shù)隨之減小，兩者呈負(fù)相關(guān)性。

2）當(dāng)p＝10000Pa時(shí)，隨著隔熱層密實(shí)度增大，視導(dǎo)熱系數(shù)基本為平行直線，保持不變。兩者基本不相關(guān)。

3）當(dāng)p＞10000Pa時(shí)，隨著隔熱層密實(shí)度的增大，視導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大，兩者呈正相關(guān)性。

所以，在隔熱油管的制造過(guò)程中，宜使隔熱層各層相互之間密實(shí)度變大，即纏繞相對(duì)疏松，從而使視導(dǎo)熱系數(shù)減小，增加隔熱油管的阻熱性能。

3.2 真空度及殘余氣體

隔熱油管的真空度是指抽真空后，殘余氣體的稀薄程度。經(jīng)過(guò)真空處理，隔熱油管的隔熱層能夠有效降低使用過(guò)程中的對(duì)流傳熱環(huán)節(jié)，從而提高隔熱性能。但是，隔熱油管在制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些氣體，主要為水蒸汽、CO2、O2以及H2等。這些氣體對(duì)阻熱性能有較大影響，同時(shí)考慮到腐蝕的原因，還會(huì)降低隔熱油管的使用壽命。所以，在生產(chǎn)過(guò)程中，除了保證隔熱油管內(nèi)表面光潔外，還要制定適宜的排氣流程，確定合理的除殘氣工藝。

隔熱層在抽真空的同時(shí)，還會(huì)注入惰性氣體，對(duì)于不同規(guī)格的隔熱油管，惰性氣體的壓力與視導(dǎo)熱系數(shù)之間關(guān)系如圖5所示。

圖5 隔熱層注入惰性氣體的壓力與視導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系曲線

由圖5可以看出：

1）p＜10Pa時(shí)，隨著惰性氣體壓力增大，視導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大，兩者呈正相關(guān)性。

2）10Pa＜p＜40Pa時(shí)，隨著惰性氣體壓力的增大，視導(dǎo)熱系數(shù)隨之減小，而且減小趨勢(shì)明顯，兩者呈負(fù)相關(guān)性。

3）40Pa＜p＜50Pa 時(shí)，視導(dǎo)熱系數(shù)處于0.015～0.020，此時(shí)視導(dǎo)熱系數(shù)最小，變化趨勢(shì)平緩，阻熱性能最好。

4）當(dāng)p＞50Pa時(shí)，隨著壓力的增大，視導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大，兩者呈正相關(guān)性。

所以，在注入相同惰性氣體的情況下，惰性氣體壓力控制在40～50Pa為宜。

3.3 纏繞層數(shù)

隔熱層的纏繞層數(shù)對(duì)隔熱性能也有影響，但并非是纏繞層數(shù)越多，視導(dǎo)熱系數(shù)就越小，隔熱層的阻熱性能就越好。纏繞層數(shù)與與視導(dǎo)熱系數(shù)之間關(guān)系如圖6所示。

圖6 隔熱層纏繞層數(shù)與視導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系曲線

由圖6可以看出：

1）在不同壓力作用下，隔熱層纏繞層數(shù)與視導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系曲線基本一致。隔熱層纏繞層數(shù)與壓力變化不相關(guān)。

2）在相同壓力下，隔熱層纏繞層數(shù)為1層時(shí)，視導(dǎo)熱系數(shù)大幅下降。

3）在相同壓力下，隔熱層纏繞層數(shù)為2～4層時(shí)，視導(dǎo)熱系數(shù)下降趨勢(shì)變緩。

4）在相同壓力下，隔熱層纏繞層數(shù)為5～7層時(shí)，視導(dǎo)熱系數(shù)基本保持不變。

所以，隨著纏繞層數(shù)的增加，其對(duì)視導(dǎo)熱系數(shù)的影響越來(lái)越小?？紤]到纏繞層數(shù)增加的同時(shí)，成本也相應(yīng)增加。基于此，隔熱層纏繞層數(shù)控制在5～7層時(shí)最為適宜。

3.4 鋁箔紙的反射率

鋁箔紙作為一種絕熱材料，對(duì)輻射能的吸收和發(fā)射率均較?。?］。發(fā)射率與反射率成反比，反射率越高的物質(zhì)，吸收的熱量越少，放射的熱量越少。所以，選擇高反射率的鋁箔紙是保證隔熱層阻熱性能的重要環(huán)節(jié)。

鋁箔的反射率高低主要取決于它的表面狀態(tài)，與厚度關(guān)系不大。不同表面狀態(tài)的鋁箔的反射率差異很大，當(dāng)表面狀態(tài)從粗糙變?yōu)槠交瑫r(shí)，反射率從0.03變?yōu)?.08。

另外，鋁箔紙中鋁的純度與反射率密切相關(guān)。當(dāng)鋁的純度不高時(shí)，會(huì)發(fā)生雜質(zhì)散射而使其輻射吸收增加。要獲得隔熱性能較好的鋁箔紙，其鋁的純度應(yīng)不低于99.6%。

4 結(jié)論

1）隔熱層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)油管的隔熱性能有重要影響，本文分析了相關(guān)參數(shù)與視導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線。

2）為了提高隔熱油管的隔熱性能，隔熱層纏繞層數(shù)應(yīng)控制在5～7層，各層相互之間纏繞應(yīng)相對(duì)疏松；工廠應(yīng)制定適宜的排氣流程，確定合理的除殘氣工藝；給隔熱層注入惰性氣體時(shí)，壓力控制在40～50Pa；應(yīng)選擇高反射率的鋁箔紙。

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