GSPU濕式保溫混輸海管總傳熱系數(shù)設(shè)計(jì)與運(yùn)行比較分析

張振鵬，陳文峰，于成龍，張淑艷，羅 彭

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

從海底采出的原油性質(zhì)往往差異較大，油的品質(zhì)常伴隨有高凝、高粘、高含蠟、富含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等，其流動(dòng)性和加工性均與溫度有關(guān)。若溫度降低到一定值則可能使原油粘度增大、流動(dòng)性變差、含蠟原油在管壁上析出結(jié)晶成蠟，或在高壓輸送天然氣條件下，氣體形成水合物致使管線堵塞；當(dāng)管線輸送距離較長或在海水中當(dāng)管線關(guān)停到重新啟動(dòng)期間，均要求管道內(nèi)流體保持一定溫度，防止管內(nèi)輸送流體凝固或形成水合物。給管線保溫維持輸送流體溫度可以減少流體與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換而導(dǎo)致的熱損失，是海底管線安全運(yùn)行的重要保障之一。

對于保溫管道來說，其總傳熱系數(shù)是管線設(shè)計(jì)的一個(gè)十分重要的參數(shù)[1]，直接影響著管道的安全運(yùn)行。文章將結(jié)合國內(nèi)渤海某油田首條新建設(shè)的24寸GSPU濕式保溫混輸海管的運(yùn)行情況，分析其設(shè)計(jì)階段的總傳熱系數(shù)選取并和管道實(shí)際總傳熱系數(shù)進(jìn)行比較分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)階段總傳熱系數(shù)選取的合理性，對更廣泛的開展GSPU濕式保溫管的工程應(yīng)用提供參考。

1 GSPU濕式保溫管簡介

聚氨酯復(fù)合涂層體系在國外海洋石油管道保溫工程中已有多年的應(yīng)用，其由特殊性能的聚氨酯彈性體與不同類型的空心微球等復(fù)合而成，使保溫和防護(hù)作用合二為一，從而使海底管道保持整體一致性。根據(jù)填充空心微球的類型不同，聚氨酯復(fù)合涂層體系可分為有機(jī)空心聚合物復(fù)合聚氨酯涂層(PSPU)和無機(jī)空心玻璃微珠復(fù)合聚氨酯涂層(GSPU)，圖 1為聚氨酯復(fù)合涂層示意圖。

圖1 聚氨酯復(fù)合涂層示意圖Fig.1 Schematic diagram of polyurethane composite coating

玻璃微珠復(fù)合聚氨酯(GSPU)是指在聚氨酯彈性體中添加直徑約100 μm以下的空心玻璃微珠(壁厚幾微米)形成的保溫涂層，該類型保溫涂層可適用的最大水深在3 000 m左右，長期最大使用溫度可達(dá)110 ℃。表1為GSPU濕式保溫材料的主要性能指標(biāo)。

表1 GSPU濕式保溫材料主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indexes of GSPU wet insulation material

GSPU具有優(yōu)異的韌性、強(qiáng)度及耐浸泡性能，最外層不需要防水層及防護(hù)層，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。可采用在線旋轉(zhuǎn)澆注或者模制方式進(jìn)行涂敷預(yù)制，從淺海到深海，對各種直徑的鋼管都適用，而且可采用各種海管鋪設(shè)方法進(jìn)行施工，如S型、J型、卷筒鋪設(shè)法等。國外多家公司已研制出能適應(yīng)于深水的GSPU體系，如加拿大Bredero Shaw公司，瑞典Trelleborg公司，馬來西亞PPSC公司等。GSPU體系已經(jīng)在墨西哥灣、安哥拉海域和其它地區(qū)的海洋管道上得到大量應(yīng)用[2-3]。

圖2 GSPU保溫管典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Typical structure diagram of GSPU insulation pipe

2 GSPU濕式保溫管總傳熱系數(shù)應(yīng)用比較分析

渤海某油田的油品性質(zhì)具有低凝、高粘及含蠟量高的特性，為保證原油在管道外輸過程中不會因?yàn)榱黧w溫度降低造成粘度增大而使管輸壓力增加，以及管道停輸后流體溫度降低至析蠟點(diǎn)以下發(fā)生蠟析出等因素的考慮，該油田新建混輸管道平管部分采用了GSPU涂層體系作為管道保溫層，立管部分采用了常規(guī)聚氨酯雙層夾克管，管道尺寸為24 寸(管道內(nèi)徑為568.8 mm)，壁厚為20.6 mm，GSPU涂層厚度為50 mm，水泥配重層厚度為45 mm，管道采用挖溝埋設(shè)，其埋設(shè)深度為1.5 m。該油田的原油性質(zhì)為，油品在50 ℃的密度為907.6 kg/m3，凝點(diǎn)為-6 ℃，初始析蠟點(diǎn)19.8 ℃，含水60%時(shí)的最大粘度數(shù)據(jù)為25 762.9 mPa·s。油田所在區(qū)域的平均水深為27.6 m，冬夏季平均海水溫度分別為0.5 ℃和27 ℃，平均海泥溫度分別為23 ℃和4.8 ℃，平均空氣溫度為-16 ℃和33 ℃。

2.1 設(shè)計(jì)階段總傳熱系數(shù)選取分析

在管道設(shè)計(jì)階段，分別基于廠家提供的總傳熱系數(shù)公式(式1)、文獻(xiàn)[4]中總傳熱系數(shù)(式2)對GSPU濕式保溫管的總傳熱系數(shù)作了系統(tǒng)的計(jì)算分析。

(1)

式中：U——管道的總傳熱系數(shù)，W/m2·℃；λ——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃；Rref——計(jì)算U值的參考半徑，m，一般取管線外徑的半徑；Rins——保溫層內(nèi)徑，m；thins——保溫層厚度，m。

(2)

式中：K——管道的總傳熱系數(shù)，W/m2·℃；D——管道內(nèi)徑和外徑的平均值,m；λ1——鋼管導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃；D2——鋼管外徑,m；d1——管道內(nèi)徑,m；D3——保溫層外徑,m；λt——土壤導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃；λt——管道中心埋深，m；Dw——與土壤接觸的管道外圍直徑，m。

通過式(1)和式(2)得到管道的總傳熱系數(shù)值分別為3.56 W/m2·℃和1.56 W/m2·℃，兩個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果差別較大，主要是式(1)中未考慮管道保溫系統(tǒng)與周圍環(huán)境的換熱，僅考慮了管壁、保溫層和外管壁的傳熱，這與管道保溫體系在正式服役環(huán)境過程中換熱過程是有差別的。為此，筆者在設(shè)計(jì)階段也運(yùn)用多相流動(dòng)態(tài)模擬軟件OLGA對該條管道的平均總傳熱系數(shù)作了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖3所示，可以看出該條管道平管部分的平均總傳熱系數(shù)為2.21 W·m2·℃，小于式(1)的計(jì)算值而大于式(2)的計(jì)算值，軟件的模擬值與式(2)的計(jì)算值吻合較好。

圖3 GSPU保溫管總傳熱系數(shù)模擬計(jì)算值Fig.3 Simulation caculation value of total heat transfer coefficient of GSPU insulated pipe

GSPU濕式保溫管是首次應(yīng)用于國內(nèi)海洋油氣田開發(fā)生產(chǎn)過程中，濕式保溫材料加工工藝對總傳熱系數(shù)的影響以及管道實(shí)際運(yùn)行階段吸水老化后對總傳熱系數(shù)影響等存在不確定性，因此，管道在設(shè)計(jì)階段的總傳熱系數(shù)選取結(jié)合公式計(jì)算及軟件模擬，最終總傳熱系數(shù)保守選取5 W/m2·℃用于該管道的工藝設(shè)計(jì)。

2.2 管道實(shí)際總傳熱系數(shù)校核分析

該24寸新建混輸管道于2018-10投產(chǎn)，投產(chǎn)后1 a的部分運(yùn)行參數(shù)如表1所示，其中管道入口溫度在47.4 ℃～51.1 ℃，管道出口溫度在43.1 ℃～48 ℃。用PIPEFLO軟件建立了該管道的熱力學(xué)計(jì)算模型，得到了該管道在不同輸量下管道總傳熱系數(shù)，如圖4所示。

圖4 某油田24寸混輸管道投產(chǎn)后1 a的實(shí)際總傳熱系數(shù)計(jì)算值Fig.4 Caculation value of the actual total heat transfer coefficient of the 24 inch pipeline in an oil field

從圖4的總傳熱系數(shù)計(jì)算值可以看出，其最大值為2.95 W/m2·℃，最小計(jì)算值為0.8 W/m2·℃，其平均值為1.93 W/m2·℃，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，得到該條管道近1 a實(shí)際運(yùn)行過程中總傳熱系數(shù)正態(tài)分布情況如圖5所示，可以看出當(dāng)總傳熱系數(shù)值為1.9 W/m2·℃時(shí)，其概率密度值最大為0.9，也就是說該新建24寸GSPU濕式保溫管道投產(chǎn)后一年內(nèi)的實(shí)際平均總傳熱系數(shù)在1.93 W/m2·℃左右。

圖5 總傳熱系數(shù)正態(tài)分布情況Fig.5 Caculation value of the actual total heat transfer coefficient of the 24 inch pipeline in an oil field

3 結(jié)論

通過比較分析該新建24寸GSPU濕式保溫混輸管道設(shè)計(jì)階段總傳熱系數(shù)選取及管道運(yùn)行階段的實(shí)際總傳熱系數(shù)，可以看出：

1)設(shè)計(jì)階段基于式(1)計(jì)算的總傳熱系數(shù)偏高，式(2)計(jì)算的總傳熱系數(shù)偏小，軟件模擬值與實(shí)際運(yùn)行過程中總傳熱系數(shù)較為接近，在設(shè)計(jì)階段考慮GSPU濕式保溫材料初次應(yīng)用海洋油氣管道中，總傳熱系數(shù)選取偏于保守。

2)該GSPU濕式保溫混輸管道實(shí)際運(yùn)行過程中的總傳熱系數(shù)小于設(shè)計(jì)階段總傳熱系數(shù)，管道的保溫效果良好，GSPU實(shí)施保溫材料吸水、蠕變和老化對管道總傳熱系數(shù)影響均在設(shè)計(jì)規(guī)格范圍之內(nèi)。