國外深水單層保溫管道應(yīng)用現(xiàn)狀

雷震名 徐志輝 鄭羽 劉偉 崔少敏 王國強(qiáng) 苑健康

【摘要】隨著海上深水油田的不斷開發(fā)，深水單層保溫管道技術(shù)具有越來越重要的地位。本文對(duì)國外深水單層保溫管道的保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，對(duì)適用于深水條件的保溫材料應(yīng)該具有的特性進(jìn)行了分析，并對(duì)常用深水保溫材料的性能進(jìn)行了對(duì)比。本文還結(jié)合實(shí)際工程對(duì)深水單層保溫管道從設(shè)計(jì)到安裝到運(yùn)行時(shí)實(shí)際工作狀態(tài)確定的整個(gè)過程進(jìn)行了描述。

【關(guān)鍵詞】單層保溫管道 深水 聚丙烯 導(dǎo)熱系數(shù) 海底管道

1 引言

單層保溫管道作為保溫系統(tǒng)的一種重要解決方案，由于成本低、安裝效率高等特點(diǎn)，在過去近三十年中在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是隨著世界各地深水油田的開發(fā)，單層保溫管道的應(yīng)用也逐漸由淺水走向深水，2004年墨西哥灣的THUNDERHORSE管道工程中，設(shè)計(jì)水深達(dá)到了2200米[2]。對(duì)于單層輸油管道和立管，對(duì)其機(jī)械性能和保溫性能的要求通常隨著水深的增加而增加。因此，傳統(tǒng)的用于淺水的泡沫保溫材料以及相關(guān)的設(shè)計(jì)和檢測技術(shù)不再適用于深水工程環(huán)境。深水單層保溫管道在設(shè)計(jì)上，面臨著更大的挑戰(zhàn)，如對(duì)保溫材料的機(jī)械性能有更高的要求，增加額外的保溫層厚度，增加制造難度，增加穩(wěn)定性設(shè)計(jì)難度，對(duì)鋪管船要求更高等[1]。了解單層保溫管道在世界深水領(lǐng)域應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)，對(duì)中國南海深水油田開發(fā)的技術(shù)儲(chǔ)備具有重要的意義。

2 保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 單層保溫管系統(tǒng)功能要求

深水海底單層保溫管道一般為輸油管道，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮很多因素，從管道功能上要滿足保溫性能、防水性能、防腐蝕性能、抵抗高溫性能、抗彎抗壓抗沖擊性能、靜水壓力下的蠕變性能等等。歸根到底最主要是兩個(gè)方面的要求，一方面是安全的要求，無論是在建造、安裝還是在正常生產(chǎn)的情況下，管道都要在建造、安裝的施工載荷和環(huán)境載荷及功能載荷的作用下保證自身的完整性不被破壞，另一方面是生產(chǎn)的要求，管道要保證具有在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)順利輸送原油到達(dá)目的地的正常功能，并且性能穩(wěn)定。因此單層保溫管道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在管道的安全性和流動(dòng)保障方面。除此之外還應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效應(yīng)（比如材料是否對(duì)環(huán)境有污染等）。

2.2 常見結(jié)構(gòu)

經(jīng)過二十多年的實(shí)踐與總結(jié)，深水單層保溫管道逐漸形成了較為成熟的結(jié)構(gòu)形式，能夠較好地達(dá)到管道安全與流動(dòng)保障的功能。深水海底單層保溫管道的常見結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，[6]。其中圖11（a）為高溫時(shí)應(yīng)用的保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中防腐層一般采用熔結(jié)環(huán)氧樹脂涂層（FBE），主要起到防腐的作用。粘接層主要是將熔結(jié)環(huán)氧樹脂涂層與相鄰的涂層粘接起來。實(shí)體層、復(fù)合材料層和保溫層的材料耐溫強(qiáng)度逐漸降低，以適應(yīng)高溫條件下的溫度從管道內(nèi)部到管道外部的逐漸降低的漸變式分布，都起到相應(yīng)的保溫作用，對(duì)管道總的強(qiáng)度也有一定的貢獻(xiàn)。隔水層是在海水由于意外進(jìn)入到管道保溫層時(shí)起到阻止海水進(jìn)一步向管道內(nèi)部擴(kuò)散的作用。防護(hù)層一方面起到機(jī)械保護(hù)的作用，防止保溫層受到來自外界的機(jī)械損傷，另一方面阻止保溫層與海水接觸。圖1（b）中外保溫層起到了保溫和防水及機(jī)械保護(hù)的三重作用，其它層的功能與圖1（a）中相似。（b）

圖1 深水海底單層保溫管道基本結(jié)構(gòu)3 保溫材料的選擇

保溫材料的選擇，需要考慮很多因素，比如成本，是否有污染，防腐蝕性能，是否方便制造、加工，疲勞壽命、化學(xué)穩(wěn)定性，密度，是否有相應(yīng)的使用記錄等等。

3.1 保溫材料主要性能要求

用于深水海底保溫管道的材料除了要具有穩(wěn)定高效的保溫性能以外，還要滿足在深水條件下的特定要求，比如深水油田的外壓增大要求保溫材料具有更高地強(qiáng)度，深水管道鋪設(shè)方式要求材料能承受較大的應(yīng)變和集中載荷等等。

3.1.1 保溫性能

單層保溫管道是通過設(shè)計(jì)保溫系統(tǒng)阻止原油熱量損失來保證原油的流動(dòng)性，并根據(jù)保溫管道工作環(huán)境的要求來確定保溫管道所要達(dá)到的保溫級(jí)別。

影響保溫性能的主要參數(shù)是組成各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)k值和材料的厚度，材料的導(dǎo)熱系數(shù)跟其溫度和密度有密切的關(guān)系。

3.1.2 吸水率

材料的吸水率對(duì)對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)K值的影響非常大。水的導(dǎo)熱系數(shù)約0.54W/ mK，是常用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的3倍。如果保溫材料的吸水率太大，材料中的含水量將會(huì)逐漸增多，從而導(dǎo)致保溫性能大大降低。3.1.3 抗拉、抗壓屈服強(qiáng)度

用于深水保溫管的保溫材料要有更高的抗拉屈服強(qiáng)度和抗壓屈服強(qiáng)度。一方面，在深水條件下管道的靜水壓力要比淺水條件下大得多；另一方面，深水條件下鋪管往往需要較大的張力，同時(shí)鋪管設(shè)備與管道之間會(huì)產(chǎn)生較大的擠壓，這些都對(duì)保溫材料的抗拉屈服強(qiáng)度和抗壓屈服強(qiáng)度提出了要求。[8]

3.1.4 高溫適應(yīng)能力

溫度改變對(duì)材料的保溫性能和機(jī)械性能都有影響，一方面溫度越高聚合物保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，基本上呈線性關(guān)系；另一方面溫度升高到一定程度會(huì)使保溫材料產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。