淺水海洋工程結(jié)構(gòu)物電伴熱的設(shè)計與應(yīng)用

王朝卿，薛松，張連杰，王楊健，王毅

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

用于工業(yè)的電伴熱帶，一般分為恒功率電伴熱帶，自限溫電伴熱帶，MI加熱電纜，電伴熱復(fù)合管束和集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)。恒功率電伴熱帶的單位長度的輸出功率是恒定的，使用伴熱帶越長，輸出的功率越大，且不會因周圍的環(huán)境溫度變化而改變。加熱單元的長度由伴熱帶的輸出功率與使用環(huán)境決定。自限溫電伴熱帶的輸出功率可以根據(jù)周圍的環(huán)境溫度變化而改變，不需要溫度控制器，可以自動限溫。并具有啟動速度快，能源消耗低，熱效率高，安裝方便，施工簡單等優(yōu)點(diǎn)。MI加熱電纜的外護(hù)套為合金材料，對氯化物、酸、堿、鹽環(huán)境具有良好的抗腐蝕性?？蛇m應(yīng)極端惡劣工況環(huán)境，用于高溫管線以及高暴露溫度管線和設(shè)備伴熱。MI加熱電纜不可以任意截斷，需要訂做，長度確定后不可更改。電伴熱復(fù)合管是一種將管線、電伴熱帶、保溫材料和護(hù)套集于一體的伴熱保溫形式，電伴熱帶預(yù)先置入，保溫材料和防水護(hù)套在工廠完成。

集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的工作原理基于交流電的“集膚效應(yīng)”和“鄰近效應(yīng)”，由于碳鋼管線具有極強(qiáng)的磁性，即使在工頻電壓下也會產(chǎn)生顯著的集膚效應(yīng)，系統(tǒng)在“熱管”內(nèi)產(chǎn)生的熱能是電流在“熱管”的內(nèi)表面流回時通過阻抗以及伴熱電纜本身產(chǎn)生的，而“熱管”的外表面沒有電壓或電流。所謂集膚效應(yīng)，當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場時，導(dǎo)體內(nèi)的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)體內(nèi)部實際上電流較小的一種電磁現(xiàn)象。所謂鄰近效應(yīng)，是雙線傳輸線的兩導(dǎo)體中，交流電流相互向相鄰導(dǎo)體接近的現(xiàn)象。當(dāng)給體統(tǒng)通電時，電流從導(dǎo)線一端到達(dá)導(dǎo)線另一端，在集膚效應(yīng)以及鄰近效應(yīng)的作用下電流被集中在熱管的內(nèi)壁表面，而正是這薄薄的內(nèi)壁和伴熱線本身產(chǎn)生的熱量來滿足伴熱的需要。由于自限溫電伴熱帶具有能源消耗低，熱效率高，安裝方便，施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，在淺水海洋工程結(jié)構(gòu)物得到了廣泛應(yīng)用，下面對自限溫電伴熱帶的設(shè)計與應(yīng)用作進(jìn)一步闡述。

1 電伴熱系統(tǒng)構(gòu)成

電伴熱系統(tǒng)包含小功率伴熱盤，電源線，電伴熱電源盒，電伴熱帶，三通，兩通，尾端以及其它輔助配件。

2 自限溫電伴熱帶的工作原理

當(dāng)溫度升高時，導(dǎo)電塑料產(chǎn)生微分子的膨脹，碳粒漸漸分開，引起電路中斷，電阻上升，伴熱帶會自動減少功率輸出。當(dāng)溫度變冷時，塑料又恢復(fù)到微分子收縮狀態(tài)，碳粒相應(yīng)連接起來，形成電路，伴熱帶發(fā)熱功率又自動上升。自限溫伴熱帶具有其他伴熱設(shè)備所沒有的好處，它控制的溫度不會過高亦不會過低，因為溫度是自動調(diào)節(jié)的[1]。

3自限溫電伴熱帶的結(jié)構(gòu)

自限溫電伴熱帶結(jié)構(gòu)包括含氟聚合物外護(hù)套，鍍錫銅編織層，絕緣層，自調(diào)控導(dǎo)電塑料芯體以及母線銅導(dǎo)線1。

自限溫電伴熱帶由納米導(dǎo)電碳粒和兩根平行母線外加絕緣層構(gòu)成，由于這種平行結(jié)構(gòu)，所有自限溫電伴熱線均可以在現(xiàn)場被切割成任何長度，采用兩通或三通接線盒連接。在每根伴熱線內(nèi)，母線之間的電路數(shù)隨溫度的影響而變化，當(dāng)伴熱帶周圍的溫度變冷時，導(dǎo)電塑料產(chǎn)生微分子的收縮而使碳粒連接形成電路，電流經(jīng)過這些電路，使伴熱帶發(fā)熱。

4 自限溫電伴熱帶的計算與選型

電伴熱主要是用于補(bǔ)償管線與設(shè)備由于外界環(huán)境造成的熱量損失，所以電伴熱的選型，主要是計算需要伴熱管線與設(shè)備的散熱量。

其中涉及到以下參數(shù)：

Dg（mm）管線規(guī)格

TM（℃）管線/設(shè)備的維持溫度

TA（℃）最低環(huán)境溫度

S（m2）設(shè)備表面積

保溫層材質(zhì)和厚度（mm）

4.1 管線的散熱量計算：QT=f*QB

常用的金屬管線散熱量見表1。

表1 金屬管線散熱量表

常用的保溫材質(zhì)系數(shù)見表2。

表2 保溫材質(zhì)系數(shù)表

例如一段管線的管徑為12"，保溫材料為巖面，保溫厚度為50mm，管線的維持溫度要求350C，最低環(huán)境溫度為-180C，計算每米管線的散熱量。

△T=35-（-15）=500C

根據(jù)表1可以查到QB=50.7W/m，根據(jù)表2可以查到巖面的保溫系數(shù)f =1.22，則可求到12"管線采用50mm厚的巖面保溫，單位長度的散熱量為：

QT=f*QB=47.65x1.22=58.133（W/m）

如果管線在室內(nèi)，管線的散熱量可以乘以0.9的系數(shù)。

根據(jù)管線散熱量的計算結(jié)果，查看電伴熱廠家的產(chǎn)品手冊，就可以選擇適合于相應(yīng)管線的伴熱帶了[2]。

4.2 管線伴熱三維圖的設(shè)計：

伴熱三維圖依據(jù)管線三維圖設(shè)計，將每段管線拼接，并包含管線附帶的閥門，管支架，法蘭等信息。

伴熱三維圖涵蓋材料表，電源盒編號，管線編號，管線規(guī)格，管線長度，法蘭數(shù)量，管支架數(shù)量，保溫厚度，維持溫度，最低環(huán)境溫度和設(shè)備伴熱帶用量等數(shù)據(jù)。

三維圖中伴熱帶的長度根據(jù)管線長度，伴熱比以及管線附件計算，法蘭按照管線直徑的2倍，彎頭按照管線直徑的1.5倍，管支架按照管線直徑的3倍計算伴熱帶的長度。

4.3 為了便于施工，節(jié)省材料費(fèi)用與人工，伴熱圖紙的設(shè)計應(yīng)考慮以下原則：

4.3.1伴熱三維圖的回路根據(jù)管線系統(tǒng)劃分，如果部分管線較短，基于節(jié)省成本考慮，可以合并在相連的其它系統(tǒng)回路。

4.3.2 為減少故障點(diǎn)和便于施工，盡量減少伴熱兩通，伴熱三通的使用，如果回路比較短4～5M可繞雙線。

4.3.3 管道上儀表伴熱線加1.5M伴熱線。差壓表和壓力控制閥等設(shè)備需加5米伴熱線,并在圖紙上體現(xiàn)。

4.3.4 一類一區(qū)：在施工允許的條件下，此區(qū)域盡量不設(shè)置電源盒。井口區(qū)不得設(shè)置伴熱接線盒。

4.3.5 對于非金屬，PVC管道，需要在伴熱帶下方增加鋁箔膠帶，此信息要體現(xiàn)到施工圖紙上。

4.3.6 電伴熱接線盒安裝位置考慮方便施工與維護(hù)，如果要求放置在甲板面以上的，需在電源盒布置圖中給的坐標(biāo)值比甲板面高300mm，并盡量低于1700mm。便于現(xiàn)場識別和施工。

4.3.7 在管線長度滿足的情況下，伴熱帶長度要求達(dá)到最大允許長度的85%～90%。

4.3.8 無連接點(diǎn)的較短伴熱管線，需單獨(dú)成回路，后用動力電纜串接附近電源盒。

4.3.9 現(xiàn)場設(shè)備以及散泵，散濾器等設(shè)備，應(yīng)用三通或者兩通與管伴熱帶連接，不再單獨(dú)用動力電纜連接電源盒。就近合并較短的伴熱回路，啟動電流不超32A即可，以節(jié)省電纜和供電開關(guān)。

圖1 伴熱電源盒引至甲板

4.3.10 如開排系統(tǒng)的管線的伴熱電源盒在地漏槽位置，可將電源盒引至甲板以上位置，以便后期的維護(hù)和維修，從管線到電源盒的電伴熱帶需要使用保溫材料進(jìn)行包裹，見圖1。

圖1 地面系統(tǒng)試驗裝置布局圖（不按比例）

4.3.11 電伴熱電源盒的安裝位置應(yīng)避開安全通道，設(shè)備操作空間等位置。

5 結(jié)語

電伴熱的廣泛應(yīng)用為工藝管線以及設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)提供了所需的溫度，保障了海洋石油平臺的安全運(yùn)行。伴熱帶的設(shè)計，以及根據(jù)施工現(xiàn)場的情況，進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，能夠極大的節(jié)省材料費(fèi)用和施工難度，以及便于設(shè)備維修，配件更換。電伴熱這種伴熱方式簡單，潔凈，節(jié)能，方便可靠的特點(diǎn)，決定了它的發(fā)展空間更加開闊。