GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口用紅外加熱裝置的研制與應(yīng)用

賈　振，孫建鑫，相政樂(lè)，趙　利，呂喜軍，武占文，彭傳偉中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

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GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口用紅外加熱裝置的研制與應(yīng)用

賈振，孫建鑫，相政樂(lè)，趙利，呂喜軍，武占文，彭傳偉
中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

摘要：針對(duì)深水玻璃微珠復(fù)合聚氨酯（GSPU）保溫管的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加熱要求，研制出了一套適用于GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口的紅外輻射加熱裝置。在簡(jiǎn)要介紹了該加熱裝置設(shè)計(jì)的基本要求和GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，較詳細(xì)論述了加熱裝置的主體結(jié)構(gòu)、附加結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并給出了加熱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功率計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上研制了一套加熱裝置并對(duì)其加熱效果進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示該裝置可在4 min內(nèi)將節(jié)點(diǎn)所需加熱部位的溫度加熱至預(yù)定溫度，且與傳統(tǒng)加熱方式相比節(jié)能61％，效率提高一倍以上，可滿足GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口施工的加熱要求。

關(guān)鍵詞：GSPU保溫管；節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口；加熱裝置；紅外輻射

玻璃微珠復(fù)合聚氨酯（GSPU）保溫管在國(guó)外深水油氣田中得到了廣泛的應(yīng)用，筆者所在公司對(duì)其已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)化研究，其生產(chǎn)加工工藝已經(jīng)比較成熟，單管性能完全能夠滿足深水輸油管道的各項(xiàng)指標(biāo)要求［1］。然而在GSPU保溫管的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口方面，由于采用澆注型聚氨酯彈性體材料（CPU）來(lái)進(jìn)行填充補(bǔ)口，填充層（CPU）與本體保溫層（GSPU）之間存在界面粘接效果不理想，甚至出現(xiàn)界面開裂等問(wèn)題，無(wú)法滿足濕式聚氨酯保溫管的海底安全運(yùn)行要求，這在很大程度上限制了其推廣應(yīng)用。

大量的試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口之前事先對(duì)GSPU主體涂層接觸面進(jìn)行有效的預(yù)熱，提高界面反應(yīng)能力和粘接活性，可以顯著提高填充層與本體保溫層之間的粘接力，從而避免界面粘接融合效果差，甚至出現(xiàn)界面開裂滲水等情況。

紅外加熱采用輻射方式進(jìn)行傳熱，升溫迅速，熱效率高，節(jié)能環(huán)保，而且紅外線具有一定的穿透力（材料內(nèi)層分子骨架同時(shí)受激振動(dòng)生熱），能夠?qū)崿F(xiàn)深層熱輻射，特別適用于GSPU這種導(dǎo)熱系數(shù)小的保溫材料在一定厚度內(nèi)的有效加熱［2- 3］。因而，為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)部位的快速、有效、均勻加熱，開發(fā)了一套適用于GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口的紅外輻射加熱裝置，在深水管道節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口施工領(lǐng)域具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1　節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口紅外加熱裝置設(shè)計(jì)

1.1基本設(shè)計(jì)要求

加熱裝置能夠與GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)良好匹配，確保被加熱面溫升均勻；可實(shí)現(xiàn)快速加熱，需在少于5 min時(shí)間內(nèi)將節(jié)點(diǎn)管端加熱至（80±5）℃，且要實(shí)現(xiàn)保溫層一定深度范圍內(nèi)的同時(shí)升溫，避免出現(xiàn)表層燒焦而內(nèi)層溫度不夠的問(wèn)題。

1.2GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)［4- 5］

深水GSPU保溫管的節(jié)點(diǎn)即兩管的連接部位，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.3主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以鋼管直徑219 mm，保溫層厚度75 mm，斜面角度45°的節(jié)點(diǎn)作為加熱對(duì)象進(jìn)行紅外加熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖2所示為紅外加熱裝置與節(jié)點(diǎn)被加熱面的尺寸示意，其中紅色部分為紅外輻射加熱裝置，藍(lán)色部分為主體GSPU涂層部位，黃色部分為需要加熱的界面。由于管端斜面的存在，要保證被加熱面受熱均勻，加熱裝置的輻射面需與被加熱面維持相同距離，即d1= d2，因此加熱裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓臺(tái)型。同時(shí)，考慮設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)操作的便捷性，加熱裝置設(shè)計(jì)為合頁(yè)固定式的兩瓣開合結(jié)構(gòu)，閉合處由搭扣鎖定。

圖2　紅外加熱裝置與節(jié)點(diǎn)加熱面尺寸示意

紅外輻射加熱裝置的主體結(jié)構(gòu)為異型不銹鋼云母加熱圈，該結(jié)構(gòu)以1～2 mm厚度的不銹鋼作為外殼，內(nèi)嵌雙層高絕緣型且耐高溫的云母板進(jìn)行絕緣，中間均勻繞以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鎳鉻合金電阻絲作為發(fā)熱體。由于加熱圈內(nèi)的發(fā)熱體為鎳鉻合金電阻絲，增強(qiáng)殼體又為不銹鋼，二者均屬于金屬材料，紅外輻射性能較差，為強(qiáng)化加熱裝置的輻射傳熱效果，需在距離被加熱面最近的不銹鋼內(nèi)表面涂刷紅外輻射涂料。通過(guò)輻射涂料對(duì)輻射傳熱過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化，可以有效縮短加熱時(shí)間，起到良好的節(jié)能效果，本設(shè)計(jì)擬采用以氧化鋯作為熱輻射功能填料的紅外輻射涂料來(lái)提高紅外輻射效率［6］。此外，為增加紅外輻射效率，還需在復(fù)合加熱層外表面布置一層經(jīng)氧化處理過(guò)的鋁板作為反射層。同時(shí)，為減少熱量散失，提升加熱效率，確保施工人員安全，整個(gè)裝置的外表面需覆蓋一層絕緣、耐高溫保溫層（一般選取3～5 cm厚的硅酸鋁棉）。因此，裝置結(jié)構(gòu)組成由內(nèi)至外分別為：紅外輻射涂層、不銹鋼內(nèi)殼、復(fù)合加熱層（云母層+加熱絲層）、反射層、不銹鋼外殼、保溫層、保溫層外殼，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　加熱裝置各層截面示意

1.4附加結(jié)構(gòu)

（1）連接結(jié)構(gòu)。為方便安裝和拆卸，結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)為兩瓣式開合結(jié)構(gòu)，由合頁(yè)實(shí)現(xiàn)連接。每半圓結(jié)構(gòu)上設(shè)置搭扣和把手，方便操作人員安裝、固定與拆卸加熱裝置。

（2）調(diào)整螺栓?？紤]到鋼管與保溫層的同心度不一，為使加熱裝置對(duì)不同節(jié)點(diǎn)均具有良好的匹配效果，可在其邊緣安裝調(diào)整螺栓來(lái)提高實(shí)用性。

（3）絕緣插座。為便于運(yùn)輸、安裝、拆卸及確保使用安全，應(yīng)采用絕緣陶瓷即插式插座，且將插座集中布置于連接合頁(yè)一側(cè)。絕緣插座與合頁(yè)間距應(yīng)合理設(shè)計(jì)，以保證模具開啟時(shí)接線端不相互碰觸。

經(jīng)初步設(shè)計(jì)后的單個(gè)加熱裝置整體結(jié)構(gòu)見圖4。

1.5加熱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功率計(jì)算公式

對(duì)于不同管徑的GSPU保溫管而言，需要加熱的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有相似性，為便于計(jì)算不同加熱裝置的設(shè)計(jì)功率，對(duì)該類節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口用紅外輻射加熱裝置的功率計(jì)算公式進(jìn)行了分析和推導(dǎo)。

圖4　紅外輻射加熱裝置整體結(jié)構(gòu)

對(duì)于GSPU節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，需要加熱的面包括兩部分（參考圖2中所示的黃色部分），并且要求能加熱一定的厚度（根據(jù)實(shí)際模擬試驗(yàn)測(cè)試，該厚度一般要求不小于10 mm）。設(shè)節(jié)點(diǎn)部位鋼管外徑為D1，GSPU保溫層外徑為D2，加熱圓柱面長(zhǎng)為L(zhǎng)，加熱深度為d，單位均為m，斜面角度定為45°固定不變，由于加熱深度相對(duì)較小，可以近似認(rèn)為是一薄層，則需加熱的GSPU材料體積V近似為：

材料升溫總共所需能量為：

式中：Q為材料升溫所需能量，J；ρ為材料密度，kg/m3；V為材料體積，m3；Cp為比熱容，J/（kg·K）；T0、T1為材料初始溫度、加熱目標(biāo)溫度，K。

紅外輻射加熱裝置的電功率可按下式進(jìn)行估算。

式中：P為加熱裝置電功率，kW；Q為材料升溫所需能量，J；t為加熱用時(shí)，min；η為加熱裝置的總效率；η1為裝置輻射效率，一般取0.5～0.7；η2為面積利用率，指輻射器表面與被輻射面面積之比，經(jīng)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可達(dá)0.9；η3為紅外線吸收率，對(duì)于GSPU材料經(jīng)驗(yàn)值取0.4～0.5。

本文以保溫層外徑372 mm、鋼管外徑219 mm 的GSPU保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口為例計(jì)算加熱裝置的功率。要求加熱L = 100 mm長(zhǎng)的圓柱面，加熱厚度深至10 mm，在5 min之內(nèi)由25℃加熱至90℃，所用的GSPU材料的比熱容為1 600 J/（kg·K），密度為1 160 kg/m3。將以上參數(shù)依次代入式（1）、（2）、

（3）進(jìn)行計(jì)算，可得到單個(gè)加熱裝置的功率約為3.58 kW。由于每套設(shè)備包括兩個(gè)加熱裝置，所以針對(duì)該GSPU管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口，每套裝置設(shè)計(jì)加熱功率應(yīng)為8 kW。

1.6其他設(shè)計(jì)

（1）控制調(diào)節(jié)柜。可采用同常規(guī)紅外加熱設(shè)備類似的控制調(diào)節(jié)柜、集成電源開關(guān)、加熱開關(guān)等，具有溫度設(shè)定、溫度顯示、功率調(diào)整、過(guò)熱報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)外接電源的輸入和加熱元件電源的輸出。

（2）溫度傳感器的選擇。為保證溫度傳感器與測(cè)溫表面的緊密接觸，準(zhǔn)確測(cè)量表面加熱溫度并及時(shí)反饋，設(shè)計(jì)采用了彈簧壓緊式溫度傳感器。所用溫度傳感器主要參數(shù)為：測(cè)溫范圍0～250℃，測(cè)量精度±1℃。傳感器導(dǎo)線采用抗干擾、耐高溫傳輸導(dǎo)線，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確。導(dǎo)線有效長(zhǎng)度不小于5 m，以使控制柜與加熱裝置維持一定安全距離。所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口紅外輻射加熱裝置使用示意見圖5。

圖5　節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口紅外加熱設(shè)備使用示意

2　工藝試驗(yàn)測(cè)試與工程應(yīng)用

使用所開發(fā)的紅外輻射加熱裝置，在模擬節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)，對(duì)其實(shí)際加熱效果進(jìn)行了測(cè)試。圖6為本項(xiàng)目制作完成的紅外加熱設(shè)備，圖7為紅外加熱后的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口效果。

圖6　紅外加熱設(shè)備實(shí)物

圖7　紅外加熱后的補(bǔ)口效果

使用該裝置對(duì)節(jié)點(diǎn)部位進(jìn)行加熱，距加熱表面10 mm深處的溫度隨時(shí)間變化的曲線見圖8，從圖中可以看出，該處溫度升至節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口施工時(shí)所需的80℃，用時(shí)約為2.5 min。由于在具體施工過(guò)程中，加熱完成后裝置拆卸及準(zhǔn)備下道工序所需時(shí)間約為3 min，這段時(shí)間加熱完成的節(jié)點(diǎn)溫度會(huì)發(fā)生一定程度的下降，為使在節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口時(shí)溫度維持在80℃，經(jīng)多次試驗(yàn)得出設(shè)置目標(biāo)溫度為120℃時(shí)，3 min后節(jié)點(diǎn)溫度可維持在80℃左右。從圖8可以看出，即便節(jié)點(diǎn)部位需加熱至120℃，用時(shí)也不會(huì)超過(guò)4 min。測(cè)試結(jié)果表明，按照本文所述設(shè)計(jì)方案加工制作的紅外輻射加熱設(shè)備能夠完全符合節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口時(shí)的加熱要求。

圖8　紅外加熱時(shí)10 mm深處的升溫曲線

表1所示為對(duì)管道節(jié)點(diǎn)達(dá)到相同加熱效果時(shí)，傳統(tǒng)應(yīng)用最多的熱風(fēng)加熱裝置（循環(huán)型工業(yè)熱風(fēng)機(jī)，功率調(diào)至10 kW）與該紅外輻射加熱裝置的加熱數(shù)據(jù)比較。從表1可以看出，將GSPU保溫層同樣加熱至120℃時(shí)，采用紅外裝置僅需3.5 min，能耗約為0.46 kW·h，加熱深度可達(dá)10 mm；而熱風(fēng)加熱則需要7 min，能耗約為1.17 kW·h，加熱深度卻低于2 mm。在加熱深度遠(yuǎn)大于熱風(fēng)加熱的情況下，紅外輻射加熱用時(shí)縮短50％以上，能耗降幅更是達(dá)到了61％。因此，使用本設(shè)計(jì)開發(fā)的紅外輻射加熱設(shè)備對(duì)GSPU管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加熱不僅高效節(jié)能，而且解決了傳統(tǒng)方式加熱深度不足、表面溫度易散失、加熱活化效果不明顯的問(wèn)題，也即解決了節(jié)點(diǎn)位置保溫層之間界面粘接的關(guān)鍵問(wèn)題。

表1　熱風(fēng)加熱與紅外加熱裝置加熱數(shù)據(jù)比較

3　結(jié)束語(yǔ)

開發(fā)的紅外輻射加熱設(shè)備可在4 min之內(nèi)將10 mm深度處所需的加熱部位加熱至120℃，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔、快速、均勻、深層加熱，有效提升節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口質(zhì)量；同時(shí)，使用該設(shè)備對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加熱，比傳統(tǒng)的熱風(fēng)加熱方式提升施工效率50％以上，節(jié)能可達(dá)61％，在GSPU濕式保溫管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口領(lǐng)域具有良好的工程應(yīng)用前景。

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Development and Application of Infrared Heating Equipment Used in Field Joint Coating of GSPUThermal Insulation Pipes

JIAZhen，SUN Jianxin，XIANG Zhengle，ZHAO Li，LYE Xijun，WU Zhanwen，PENG Chuanwei
CNOOC Energy Technology &Service Pipe Engineering Co.，Tianjin 300452，China

Abstract：In accordance with the structural features and heating requirements of the field joint of glass microsphere syntactic polyurethane（GSPU）insulated deep water pipes，it is needed to develop an infrared radiation heating equipment applied to the field joint coating. In this paper，the structural design scheme and power calculation formula of the heating equipment are introduced. On this basis，a set of heating equipment is successfully developed and its heating efficiency is tested. The test result shows that this equipment can heat the required position to target temperature within 4 min.Moreover，this equipmentcansave 61％powerconsumptionanddouble the heatingefficiencycomparedwithtraditional heating methods，effectively satisfying the heating requirements for field joint coating of GSPU thermal insulation pipes.

Keywords：GSPU insulation pipe；field joint coating；heating equipment；infrared radiation

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.019

作者簡(jiǎn)介：

賈振（1983-），男，山東德州人，工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）有機(jī)合成專業(yè)，現(xiàn)從事海管防腐、保溫、配重研發(fā)及產(chǎn)品質(zhì)量控制工作。Email：sunjianxinjianji@163.com

收稿日期：2015- 11- 13