海洋輸油管道保溫技術(shù)研究進展

高志濤，代志雙，宋平娜，陳 星

(天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津300384)

0 引言

海底石油管道是將海上原油(或混輸原油)輸送到陸上(或浮式生產(chǎn)儲油卸油船)。海底管道處在海洋冷水環(huán)境中，承受一定水深的靜壓力，且由于海水溫度比較低，在管輸過程中，若不采取特殊措施，管道中的混輸介質(zhì)以及一些含臘含膠質(zhì)的高凝點高粘度的原油會隨著溫度的降低而析出分子量較高和分子量較低的組分，造成輸送介質(zhì)的粘度進一步增大，從而影響輸送介質(zhì)的流動性。對于長距離高壓天然氣輸送管道，天然氣介質(zhì)中的水合物也會因為溫度的降低析出似松散冰的固態(tài)物質(zhì)。如果析出的固態(tài)物質(zhì)較多，可能會造成堵塞管道的風(fēng)險，從而影響海底油氣的正常開采和輸送。因此，需要對海底管道進行保溫處理，以保證管線的正常運行。本文分別從保溫材料的結(jié)構(gòu)出發(fā)對其進行分類，并從保溫管道的結(jié)構(gòu)方面介紹海底輸油管道保溫技術(shù)的應(yīng)用情況。

1 保溫材料

海底的服役環(huán)境惡劣，需要具有更高性能的保溫材料:低導(dǎo)熱系數(shù)，較高的耐靜水壓能力，耐腐蝕能力強，長時間服役條件下具有較好的保溫性能，便于施工和生產(chǎn)，在預(yù)制和敷設(shè)時具有足夠高的強度來抵抗各種載荷。

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，保溫材料可分為實心保溫材料、發(fā)泡保溫材料、空氣層型保溫材料和復(fù)合保溫材料。根據(jù)基體材料不同，可分為有機類保溫材料、無機保溫材料以及金屬類保溫材料。

實心保溫材料主要由單一材料組成，沒有經(jīng)過任何的物理加強和改性。發(fā)泡保溫材料是以高分子材料為基本成分，通過物理或化學(xué)方法填充大量氣泡制得;復(fù)合型保溫材料是將不同類型的空心微珠添加到高分子材料中而成型的兼具優(yōu)異抗壓性能和保溫性能的復(fù)合材料［1］。

目前海底管道中所用的保溫材料主要有聚氨酯類保溫材料、環(huán)氧樹脂類保溫材料和聚氨酯類保溫材料，聚丙烯類保溫材料的性能特點見表1，聚氨酯類保溫材料的性能特點見表2［2］。此外，環(huán)氧樹脂泡沫材料在濕式海底管道保溫結(jié)構(gòu)(不含防水層)中大約占到5%的份額，其抗壓強度高，價格低廉，固化時間短，發(fā)泡工藝簡單易行，常溫固化，耐溫性好，可在120℃下長期使用，適用于輸送介質(zhì)溫度高于120℃的海底保溫管道以及深海輸送管道的保溫［3，4］。

表1 海底管道聚丙烯類保溫材料性能特點

表2 海底管道聚氨酯類保溫材料性能特點

相對于實心保溫材料和發(fā)泡型保溫材料而言，復(fù)合型保溫材料抗壓縮性能和蠕變性能優(yōu)異，具有較低的密度和導(dǎo)熱系數(shù)，在達到相同保溫性能時，用量更少，更適合應(yīng)用于深海保溫管道。但是空心玻璃微珠易碎，對點載荷很敏感。雖然靜水抗壓強度超過了應(yīng)用水深的需求，但是在點載荷加載過程中破碎的微珠所產(chǎn)生的載荷最終會使材料的機械性能和熱性能變壞。這些載荷包括毛細壓力效應(yīng)、剪切作用、過量充填的玻璃微珠、玻璃微珠產(chǎn)生的沉淀片以及熔體特性在線變化。

某公司通過對管道濕式保溫復(fù)合聚氨酯原材料、澆注設(shè)備、成型模具、澆注工藝的研究，在國內(nèi)率先研制出濕式保溫管道。其預(yù)制流程及澆注模制示意圖如圖1、圖2所示。該工藝研制出的聚氨酯保溫管道的傳熱系數(shù)較小，抗老化性能優(yōu)異［7］。

圖1 復(fù)合聚氨酯海底保溫管道預(yù)制流程圖

圖2 鋼管聚氨酯保溫模具預(yù)制示意圖

2 保溫結(jié)構(gòu)

海洋輸油管道在借助材料保溫的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，會使其保溫性能發(fā)揮得更好。目前應(yīng)用較多的保溫結(jié)構(gòu)包括管中管結(jié)構(gòu)、單層保溫配重管、集束管系統(tǒng)和保溫復(fù)合軟管等。

2.1 管中管保溫結(jié)構(gòu)

管中管保溫結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外分別為鋼制內(nèi)管、保溫層以及鋼制外管。鋼制內(nèi)管的作用是輸送油、氣等介質(zhì);鋼制外管的作用是可靠保護保溫層，同時也起配重作用。該管中管保溫結(jié)構(gòu)具有較高的防護可靠性，能夠有效減少鋼制內(nèi)管的熱變形，減小其熱應(yīng)力，對保溫材料的抗壓強度無熱數(shù)要求。

但管中管保溫結(jié)構(gòu)的外套鋼管多采用厚壁鋼管，鋼材用量大，需要對鋼管外表面進行多層防腐處理(一般為3層防腐處理)，成本較高。在海上安裝鋪設(shè)時，鋼制內(nèi)管和鋼制外管均需要焊接處理，而焊接處理后需要對所有焊口進行無損探傷，施工強度大，導(dǎo)致鋪設(shè)速度慢，整體工程造價高［6］。

2.2 單層配重保溫管

單層配重保溫管由內(nèi)及外分別為鋼制內(nèi)管、防腐保護層、保溫層、防護層和混凝土配重層。相對于“管中管”保溫結(jié)構(gòu)，單層配重保溫管的配重層采用混凝土代替鋼制外管，可以節(jié)省使用鋼材，在保溫管最外層也不需進行防腐處理。同時，單層配重保溫管只有1層鋼制管，可減少鋪管過程中的焊接以及無損探傷的工作量，提高了保溫管在海上安裝鋪設(shè)的速度，降低了整體管線系統(tǒng)的成本。在淺水海域，單層保溫配重管的應(yīng)用前景較好。國內(nèi)首次應(yīng)用單層配重管的是南海北部灣海域的潿洲油田，管線全長34 km，平均水深40 m。

單層配重保溫管的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝效率低、泡沫保溫層密度分布不均勻。針對該缺點，丹麥某公司研制出一種新型的生產(chǎn)工藝，其流程為:FBE靜電噴涂+聚氨酯發(fā)泡在線噴涂+聚烯烴防水層在線擠出，生產(chǎn)出來的聚氨酯泡沫保溫層密度分布均勻，保溫效果良好。管端部位的高密度聚乙烯防護層與防腐層可采用聚乙烯膠黏劑進行粘結(jié)，該方法可使兩層粘結(jié)牢固，提高整條管線的安全可靠性［7］。

2.3 集束管系保溫系統(tǒng)

海底集束管保溫系統(tǒng)主要由承載管、護套管、輸油氣管、注水管以及電纜等組成。其保溫性能優(yōu)異，能有效避免油氣輸送過程中蠟質(zhì)組分和水合物的析出，可為油氣輸送提供高效經(jīng)濟的保溫方案［7］。

海底集束管保溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致可分為兩種:一種為開放式集束保溫管，另一種為封閉式集束保溫管，分別如圖3、圖4所示。與普通海底管線相比，開放式集束保溫管線將多根傳統(tǒng)的海底管線用夾具或繩索固定在一起，以防止多根傳統(tǒng)海管之間的相對竄動和滑移。但其中傳統(tǒng)的油氣輸送管道直接暴露在海水中，在經(jīng)受載荷時容易遭到損傷和破壞，從而增加污染海洋環(huán)境的風(fēng)險。而封閉式集束保溫管為1根大口徑的承載管內(nèi)匯集了多根輸油管、輸氣管、注水管、加熱管和電纜，承載管可有效地保護其內(nèi)部的諸多管線，防止其受到機械載荷和腐蝕。該結(jié)構(gòu)可以有效避免輸油管的泄漏，最大程度減輕對海域的環(huán)境污染，但其制造工藝復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中需要綜合考慮油氣田的產(chǎn)能和集輸要求［8］。

圖3 開放式集束保溫管

圖4 封閉式集束保溫管

2.4 保溫復(fù)合軟管

雖然鋼管保溫管道已得到成熟應(yīng)用，但隨著海洋石油開發(fā)向著深海領(lǐng)域的拓展，對鋼管彎曲性能和鋪設(shè)提出了更高的要求，鋼管已不能完全滿足深海領(lǐng)域油氣的輸送需求，復(fù)合式柔性管道由于其防腐蝕、耐高溫、柔順、無配重、易安裝等特有性能成為浮式平臺生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵元件，在海洋石油的油、氣、水輸送方面?zhèn)涫荜P(guān)注。針對現(xiàn)有保溫技術(shù)的缺點開發(fā)了新型保溫混輸軟管，能夠在海底管線進行油、氣、水混輸過程中，降低由于管體的熱損失造成溫降所導(dǎo)致的凝管現(xiàn)象。

該保溫混輸復(fù)合軟管的結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次有骨架層、內(nèi)襯層、承壓鎧裝層、耐磨層、承拉鎧裝層、保溫層、中間保護層、鎧裝保護層和外保護層組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。其中保溫層采用的是由真空玻璃微珠復(fù)合聚丙烯帶狀結(jié)構(gòu)，并纏繞在承拉鎧裝層和中間保護層之間。該復(fù)合軟管的管體內(nèi)部是一種連續(xù)結(jié)構(gòu)，通過較低自身的熱傳導(dǎo)系數(shù)降低軟管的總傳熱系數(shù)，達到保溫的效果［9］。與鋼管保溫層的澆注成型保溫工藝不同，復(fù)合軟管的保溫層一般通過纏繞方式進行加工，不會因為保溫材料澆注固化過程中填充鎧裝層縫隙而引起復(fù)合管道可承受彎曲半徑的減小，從而保證復(fù)合軟管在卷盤放置和盤管鋪設(shè)中的柔韌性。

圖5 保溫混輸復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語

海底油氣特別是深海油氣將是未來世界油氣資源接替的重要區(qū)域，復(fù)合聚氨酯和復(fù)合聚丙烯由于導(dǎo)熱系數(shù)低、力學(xué)性能高、耐腐蝕等成為海底保溫管線最主要的保溫材料。而采用帶有保溫層的鋼塑復(fù)合軟管將會是我國深水油氣田開發(fā)領(lǐng)域發(fā)展的方向。為滿足國內(nèi)深水油氣輸送的需要，急需開發(fā)深水海底油氣輸送管道保溫的新材料及新工藝，以縮短國內(nèi)海管保溫技術(shù)與國際領(lǐng)先水平之間的差距。

［1］ 劉岳平.聚丙烯泡沫塑料的成型、性能及其應(yīng)用［J］.工程塑料應(yīng)用，2001，29(4):47-49.

［2］ 劉承婷.蒸汽管道保溫材料與保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.大慶:東北石油大學(xué)，2013.

［3］ 蔣曉斌，相鄭樂，張曉靈，等.深海管道保溫材料現(xiàn)狀［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2010(6):47-50.

［4］ 武應(yīng)濤.海底輸油管道保溫技術(shù)現(xiàn)狀及進展［J］.化學(xué)推進劑與高分子材料，2008，6(6):22-25.

［5］ 閆嗣伶，蔣曉斌，張曉靈，等.復(fù)合聚氨酯海底保溫管道試制［J］.油氣儲運，2012，31(12):868-876.

［6］ 馬良.海底管道建設(shè)中的幾點設(shè)想［J］.中國海洋平臺，2000，15(4):37-40.

［7］ 宋儒鑫.深水開發(fā)中的海底管道和海洋立管［J］.船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟信息，2003，218(6):31-42.

［8］ 宋儒鑫，王金英.海洋集束管道—油田內(nèi)部輸送的一種精明解決方案［J］.中國造船，2003，44(10):105-120.

［9］ 裴整社，劉棟杰.一種適用于海洋保溫混輸復(fù)合軟管:中國，CN103672221A［P］.2014-03-26.