海底輸油管道保溫結(jié)構(gòu)

胡曉峰，劉書，田甲，王曉東

1.勝利油田技術(shù)檢測中心，山東東營257000

2.勝利油田現(xiàn)河采油廠，山東東營257000

3.中石化華東設(shè)計院，江蘇徐州221008

海底輸油管道保溫結(jié)構(gòu)

胡曉峰1，劉書2，田甲3，王曉東1

1.勝利油田技術(shù)檢測中心，山東東營257000

2.勝利油田現(xiàn)河采油廠，山東東營257000

3.中石化華東設(shè)計院，江蘇徐州221008

海底環(huán)境的低溫、高壓等特點，對海底輸油管道保溫結(jié)構(gòu)的性能提出了特殊的要求。文章介紹了海底條件對輸油管道保溫結(jié)構(gòu)的要求，海底管道保溫結(jié)構(gòu)的主要類型，包括管中管結(jié)構(gòu)、單壁管結(jié)構(gòu)及集束管結(jié)構(gòu)等，比較了海底管道保溫結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用情況，并對海底管道保溫的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

海底輸油管道；保溫結(jié)構(gòu)；管中管結(jié)構(gòu)、單壁管結(jié)構(gòu)；集束管結(jié)構(gòu)

1 海底輸油管道保溫結(jié)構(gòu)類型

海底管道保溫結(jié)構(gòu)主要有管中管結(jié)構(gòu)、單壁管結(jié)構(gòu)及集束管結(jié)構(gòu)[1-3]。

1.1 管中管結(jié)構(gòu)

管中管結(jié)構(gòu)又稱復(fù)壁管結(jié)構(gòu)，是指在保溫材料外部有外套鋼管的保溫結(jié)構(gòu)，主要由內(nèi)層鋼管、保溫材料及外套鋼管組成。其中，內(nèi)層鋼管用于輸送流體，外層鋼管用于提供機械防護(hù)及配重等作用，中間為保溫層。

由于有外套鋼管的防護(hù)作用，管中管結(jié)構(gòu)對于保溫材料沒有特殊要求，可以應(yīng)用陸上常用的保溫材料[4]。但管中管保溫結(jié)構(gòu)也有其缺點[5]：

（1）鋼材消耗量大，外套管耗材通常為內(nèi)管的2倍，因此有2/3的鋼材都消耗在外套管上。

（2）敷設(shè)作業(yè)復(fù)雜，需先敷設(shè)內(nèi)管，探傷合格后，施工保溫材料，然后再敷設(shè)外管，外管還需進(jìn)行探傷檢測，因此敷設(shè)效率低。

（3）需對外部套管進(jìn)行腐蝕防護(hù)及陰極保護(hù)。

（4）保溫結(jié)構(gòu)造價相對較高。

管中管保溫結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，國外已經(jīng)可以應(yīng)用于3 000 m水深。我國2001年建成的國內(nèi)外第一條長距離稠油輸送海底管道（綏中36-1油田中心平臺至綏中陸上終端海底管道）就采用了管中管結(jié)構(gòu)。由于該管道輸送的原油黏度大，且遼東灣冬季氣溫低，因此停輸再啟動風(fēng)險大。該管道自建成以來運行正常，充分體現(xiàn)了管中管保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢[6]。

1.2 單壁管結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的單壁管由鋼管、防腐層、保溫材料、防護(hù)層及配重管組成。內(nèi)層鋼管用來輸送流體；防腐層一般采用熔融環(huán)氧粉末，涂于鋼管外側(cè)；保溫層位于防腐層與防護(hù)層之間，起到保溫作用；防護(hù)層加設(shè)于保溫層外部，用于防止海水滲入，保證保溫層的保溫性能并避免鋼管受到海水的腐蝕，常見材料有高（低）密度聚乙烯、模制聚氨酯、橡膠及聚丙烯；配重層的作用是增加管道質(zhì)量，使得管道更加穩(wěn)定，同時配重層可以提高管道的機械性能，一般情況下，采用噴涂混凝土作為配重層?；炷僚渲貑伪诠芙Y(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于水深40 m內(nèi)的淺海區(qū)域。

除了配重單壁管結(jié)構(gòu)，還有兩種常用的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)：聚氨酯復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)和聚丙烯復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。聚氨酯復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)將保溫及防護(hù)作用合二為一（見圖1），由具有特殊性能的聚氨酯與不同類型的空心微球構(gòu)成[7]，可分為有機空心聚合物復(fù)合聚氨酯涂層（PSPU）和無機空心玻璃微珠復(fù)合聚氨酯涂層（GSPU）。聚氨酯與聚合物微球復(fù)合體系適用于300 m以內(nèi)的水深，聚氨酯與玻璃微球復(fù)合體系適用于300 m以上的水深。復(fù)合聚氨酯保溫體系具有良好的韌性及強度，外部無需再增設(shè)防護(hù)層及防水層，目前在國外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[8]。

圖1 復(fù)合聚氨酯保溫體系示意

聚丙烯復(fù)合保溫體系適用水深范圍較廣，可滿足淺海到深海的保溫要求。它是由幾層不同類型的聚丙烯保溫材料復(fù)合而成的保溫結(jié)構(gòu)，見圖2。為了滿足不同的保溫、機械性能及防水等要求，可以調(diào)整聚丙烯的類型及層數(shù)。自1989年首次應(yīng)用以來，北海400 m水深的海域已經(jīng)多次應(yīng)用聚丙烯保溫體系，并取得了良好效果[9]。2004年Thunderhorse油田已經(jīng)成功應(yīng)用了該項技術(shù)，應(yīng)用水深達(dá)到2 200 m[10]。

圖2 五層聚丙烯復(fù)合保溫體系

與管中管結(jié)構(gòu)不同，單壁管結(jié)構(gòu)沒有外套鋼管，大大節(jié)省了鋼材，且單壁管無需對外套鋼管進(jìn)行防腐與陰極保護(hù)，在很大程度上節(jié)省投資。另外，單壁管只需要進(jìn)行一層鋼管的焊接及探傷工作，極大地提高了敷設(shè)效率。但是單壁管結(jié)構(gòu)抗壓性能相對較差，不適用于深水區(qū)域[1]。隨著保溫材料的不斷發(fā)展，單壁管的應(yīng)用水深已顯著提高，國外單壁管已經(jīng)成功應(yīng)用于300～3 000 m水深海域[11]。巴西石油Roncader油田位于水深1 400～2 000 m的深海，該油田部分應(yīng)用了單壁管的保溫結(jié)構(gòu)，取得了良好效果[12]。單壁管結(jié)構(gòu)在我國淺水區(qū)域也得到了廣泛的應(yīng)用，在深海應(yīng)用還不夠成熟，但由于其顯著的經(jīng)濟(jì)性及敷設(shè)優(yōu)點，單壁管保溫結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為未來海底管道保溫結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。

1.3 集束管結(jié)構(gòu)

集束管是指將兩根或兩根以上輸油管道，或輸油管與注水管、其他功能的管道匯集在一起的管線束，主要有開放式和封閉式兩種。

開放式的集束管是指將獨立的管道或電纜用卡夾或繩索固定成一個整體的結(jié)構(gòu)。這種集束管結(jié)構(gòu)相對簡單，每根獨立管道的保溫可以用單壁管，也可用管中管結(jié)構(gòu)，保溫結(jié)構(gòu)設(shè)置相對自由，但由于各根管道或電纜暴露在海水中，外部沒有統(tǒng)一的防護(hù)套管，易受到腐蝕或其他形式的破壞。

封閉式的集束管是指將多根管道用一個或兩個外套管匯集在一起的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由于有外部防護(hù)套管，機械性能更好，且能夠提供更好的防腐及保溫功能。國外大多數(shù)投入使用的集束管都采用封閉式的結(jié)構(gòu)形式。封閉式的集束管又分為有套袖管的封閉式集束管和無套袖管的封閉式集束管。

傳統(tǒng)的管中管結(jié)構(gòu)及單壁管結(jié)構(gòu)，需要專門的敷設(shè)船隊進(jìn)行敷設(shè)作業(yè)，將耗費大量人力物力，且建設(shè)周期長，所需的投資占海上油氣建設(shè)投資的比例大。集束管具有以下優(yōu)點[13]：

（1）可以將多根輸油管或注水、注藥等管道匯集入一根套管內(nèi)，能夠在提供良好的絕緣防腐保溫及機械防護(hù)功能的同時減少防護(hù)投資。

（2）可以在陸上進(jìn)行預(yù)制，進(jìn)而達(dá)到縮短建設(shè)工期及減少投資的目的。

（3）若內(nèi)置管道發(fā)生泄漏，外套管可以防止泄漏擴(kuò)散，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。集束管已經(jīng)在世界范圍內(nèi)，特別是在北海及墨西哥灣區(qū)域，得到了廣泛的應(yīng)用，目前北海區(qū)域已有近70條集束管投入生產(chǎn)[14-15]。

2 海底管道保溫結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用情況對比

通過對國內(nèi)外海底輸油管道保溫結(jié)構(gòu)類型及性能特點的調(diào)研，得到海底管道管中管結(jié)構(gòu)、單壁管結(jié)構(gòu)及集束管結(jié)構(gòu)的特性與應(yīng)用情況對比見表1。

表1 海底管道保溫結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用情況對比

3 結(jié)束語

（1）海洋石油的開采正由淺海向深海發(fā)展，海底管道保溫技術(shù)也隨之向深海的應(yīng)用方向發(fā)展，并逐步高效化、經(jīng)濟(jì)化。隨著保溫材料技術(shù)的進(jìn)步，單壁管結(jié)構(gòu)受到的機械約束將越來越小，由于其具有投資省、結(jié)構(gòu)簡單、施工簡便等優(yōu)勢，將成為未來海底輸油管道發(fā)展的方向。

（2）目前世界范圍內(nèi)海底管道保溫技術(shù)已經(jīng)取得了長足發(fā)展，國內(nèi)關(guān)于該方面的研究也已經(jīng)展開，但與世界水平還有很大的差距。因此，針對海底管道尤其是深海管道的保溫技術(shù)研究十分迫切。

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Studyon Insulation Structures ofSubmarine OilPipelines

Hu Xiaofeng1，Liu Shu2，Tian Jia3，Wang Xiaodong1
1.ShengliOilfield TechnicalTest Center，Dongying 257000，China
2.ShengliOilfield Xianhe OilProduction Factory，Dongying 257000，China
3.Sinopec East-China Pipeline Design&Research Institute，Xuzhou 221008，China

Great difficulties have been brought to the design and selection of thermal insulation structures of submarine pipelines due to the low temperature and high pressure of the deep sea water.An introduction to the basic requirements of the thermalinsulation structures of submarine pipelines，a summary of main thermal insulation pipe structuretypesincluding pipe-in-pipestructure，single-pipestructureand bunched-pipestructure，the performance and the utilization of submarine pipeline thermal insulation，as well as a brief analysis of the development trend of submarine thermalinsulation pipelines are presented in this paper.

submarineoilpipeline；thermalinsulationstructure；pipe-in-pipestructure；single-pipestructure；bunched-pipe structure

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.020

胡曉峰（1987-），男，山東東營人，助理工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)油氣儲運專業(yè)，主要從事油氣集輸研究工作。

2014-08-30