礦物絕緣電伴熱在海洋石油工程中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

李 震， 張 昊， 朱海峰， 薛 松， 劉 茜

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

礦物絕緣電伴熱在海洋石油工程中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

李 震， 張 昊， 朱海峰， 薛 松， 劉 茜

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

目前在海洋工程領(lǐng)域通常使用的電伴熱產(chǎn)品對(duì)在要求高功率輸出和適應(yīng)極端惡劣工況環(huán)境方面還有不足，而礦物絕緣(MI)電伴熱在尼克森油砂項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用，在-40℃的極端低溫和高腐蝕性環(huán)境中發(fā)揮了其優(yōu)異的性能，為要求高功率輸出和適應(yīng)極端惡劣工況環(huán)境的海洋工程領(lǐng)域的電伴熱的應(yīng)用提供了思路。研究了MI電伴熱在海洋石油工程中應(yīng)用的可行性，從主要產(chǎn)品的類(lèi)型特點(diǎn)、工作原理、使用范圍、選型設(shè)計(jì)、安裝應(yīng)用等方面做了簡(jiǎn)單介紹。

海洋石油工程；礦物絕緣(MI)電伴熱；產(chǎn)品分類(lèi)；工作原理；應(yīng)用設(shè)計(jì)

0 引 言

電伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍方案在石油、石化、化工等行業(yè)中一直廣泛應(yīng)用。隨著海工業(yè)務(wù)的拓展，電伴熱的應(yīng)用工況變得復(fù)雜，亟需能夠適應(yīng)極端工作條件，具有耐腐蝕、高功率輸出等優(yōu)點(diǎn)的電伴熱產(chǎn)品。礦物絕緣(MI)電伴熱在尼克森油砂項(xiàng)目中能夠在極端低溫環(huán)境中發(fā)揮其高功率輸出的性能，較好地解決了普通伴熱產(chǎn)品在極端惡劣環(huán)境中輸出功率不足，適應(yīng)性差的問(wèn)題。本文從MI電伴熱的性能、主要產(chǎn)品、與傳統(tǒng)伴熱的比較等方面分析，以研究它在極端溫度、高腐蝕等惡劣環(huán)境中的特性，以此研究其在具有極端溫度、潮濕、高腐蝕工況的海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用的可行性。

1 電伴熱介紹

一般來(lái)說(shuō)，在海洋工程領(lǐng)域，電伴熱指的是電伴熱系統(tǒng)，它包括電伴熱帶、電源盒以及三通、兩通、尾端等各種附件。

1.1 電伴熱帶的結(jié)構(gòu)和工作原理

電伴熱帶產(chǎn)品就伴熱類(lèi)型可以分為自限溫式和恒功率式兩種。

單項(xiàng)恒功率式電伴熱帶輸出功率恒定，單位長(zhǎng)度發(fā)熱量是定值，不隨外界環(huán)境溫度變化，通常需要安裝溫控器來(lái)控制伴熱帶的維持溫度。因此單相恒功率式電伴熱帶適合溫度控制十分嚴(yán)格和需要高功率輸出的場(chǎng)合。單相恒功率式伴熱帶啟動(dòng)電流小，運(yùn)行過(guò)程中基本沒(méi)有功率衰減。

單相自限式伴熱帶有導(dǎo)電塑料、兩根母線和一層絕緣層。單相自限式伴熱帶的導(dǎo)電塑料隨外界環(huán)境溫度變化其電阻率會(huì)改變。當(dāng)環(huán)境溫度變冷時(shí)，導(dǎo)電塑料內(nèi)微分子收縮，使碳粒連接成電路，從而加熱伴熱線，使伴熱線輸出功率提高；當(dāng)溫度升高時(shí)，導(dǎo)電塑料產(chǎn)生的微分子迅速膨脹，使碳粒漸漸分開(kāi)，電阻升高，輸出功率降低[1]。

1.2 電伴熱的優(yōu)點(diǎn)

與使用電加熱器、蒸汽伴熱等保溫方式比較，電伴熱具有以下有優(yōu)點(diǎn)[2]： 發(fā)熱均勻，溫度控制精確；能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)化管理；伴熱效率高，節(jié)約能源；可靠性好，有防爆劑全天候工作能力，使用壽命長(zhǎng)；節(jié)省鋼材，降低設(shè)計(jì)、施工、維修費(fèi)用。

2 MI電伴熱帶簡(jiǎn)介

MI電伴熱帶是一種應(yīng)用于需要高功率輸出、高暴露溫度或高耐環(huán)境腐蝕能力的伴熱帶，為工業(yè)防凍和工藝溫度維持提供了解決方案。MI電伴熱帶可以提供269W/m的輸出功率，將溫度維持在550℃，伴熱帶的最高暴露溫度可以達(dá)到650℃，這些都是傳統(tǒng)電伴熱比較難做到的。

MI電伴熱帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由發(fā)熱導(dǎo)線、絕緣材料和金屬護(hù)套組成，如圖1所示。

圖1 MI電伴熱帶基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of MI electric heating cable

根據(jù)不同的工況和阻燃、防爆、危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)等需求，不同種類(lèi)的MI電伴熱帶使用不同的發(fā)熱導(dǎo)線和金屬護(hù)套。使用的發(fā)熱導(dǎo)線材料有銅和鎳鎘合金，電纜護(hù)套材料有銅、321不銹鋼、合金825等，有些伴熱帶如HCH和HCC還在金屬護(hù)套外加一層高密度聚乙烯(HDPE)或FEP防腐蝕護(hù)套。HDPE防腐蝕護(hù)套可以在80℃時(shí)提供保護(hù)，F(xiàn)EP防腐蝕護(hù)套耐熱溫度可以達(dá)到200℃。

MI電伴熱帶是一種恒功率輸出的電伴熱帶，具有恒功率式電伴熱產(chǎn)品的特點(diǎn)。輸出功率恒定，單位長(zhǎng)度發(fā)熱量恒定，它適用于溫度要求非常嚴(yán)格的場(chǎng)所。因此，MI伴熱帶回路應(yīng)配有溫控器監(jiān)控其溫度，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)切斷電路。它的啟動(dòng)電流比較小，在運(yùn)行過(guò)程中基本上無(wú)功率衰減。

MI伴熱線特性： 耐腐蝕型、高性能輸出、高機(jī)械強(qiáng)度、安全耐火。

3 MI伴熱線的設(shè)計(jì)選型

3.1 MI電伴熱產(chǎn)品選型原則

(1) MI電伴熱帶屬于恒功率式伴熱帶，輸出功率不隨外界環(huán)境變化而改變，因此伴熱帶不允許交叉，以避免管線局部過(guò)熱而引起的絕緣層損壞和管線內(nèi)石油受熱不均。

(2) 為了避免交叉，MI電伴熱帶應(yīng)該盡量選擇用于長(zhǎng)距離直管伴熱。

3.2 伴熱線設(shè)計(jì)所需要的條件

MI電伴熱設(shè)計(jì)需要的通用參數(shù)： 最低環(huán)境溫度；環(huán)境條件，如酸、堿、鹽、霧等腐蝕條件；爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域，如采用NEC或IEC分類(lèi)方式；接線盒、溫控器等附件的防護(hù)等級(jí)。

與管線相關(guān)的參數(shù)包括： 管線號(hào)；介質(zhì)；管徑；保溫材料及保溫層厚度；管線長(zhǎng)度；管線上散熱件的數(shù)量，如閥門(mén)、法蘭、管線支架、過(guò)濾器、泵等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮裕量，安裝時(shí)多纏一些以彌補(bǔ)這部分散熱損失。

溫度要求： 管線的維持溫度、暴露溫度、設(shè)計(jì)溫度。由于MI(礦物絕緣)伴熱帶使用溫控器進(jìn)行溫度控制，為避免溫控器頻繁啟停時(shí)影響正常的工作溫度，維持溫度的設(shè)定和溫控器的安裝位置很重要。

維持溫度要根據(jù)不同介質(zhì)的要求設(shè)計(jì)。對(duì)于原油等凝點(diǎn)較高的介質(zhì)，伴熱帶的目的是防凝。假設(shè)管線的操作溫度是70℃，原油凝點(diǎn)為35℃。設(shè)計(jì)時(shí)如果維持溫度高于70℃，會(huì)導(dǎo)致連續(xù)加熱，從而造成浪費(fèi)；如果設(shè)計(jì)維持溫度為70℃左右，則可能因?yàn)闇囟炔▌?dòng)而頻繁起停；因此比較好的選擇是按照“凝點(diǎn)+溫控精度(5℃)+裕量(5℃)”的原則來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)于水等介質(zhì)，伴熱帶的目的是防凍，因此只要將維持溫度設(shè)計(jì)在高于冰點(diǎn)10℃以上就可以。對(duì)于一些特殊的環(huán)境，伴熱帶的目的是保證操作條件穩(wěn)定，比如防止氣體在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生冷凝，維持溫度的設(shè)定值要高于操作溫度5℃左右。

3.3 MI伴熱產(chǎn)品的選型計(jì)算

3.3.1熱損失計(jì)算

電伴熱的目的是彌補(bǔ)設(shè)備的散熱損耗，因此選擇電伴熱產(chǎn)品時(shí)首先要進(jìn)行熱損失計(jì)算。熱損失計(jì)算有三種方式。第一種是使用通用公式進(jìn)行計(jì)算。管道熱損失計(jì)算的簡(jiǎn)化公式為[3]

(1)

式中：q為單位長(zhǎng)度熱損失；Tp為要求的維持溫度；Ta為最低設(shè)計(jì)環(huán)境溫度；D2為管外徑(包含保溫層)；D1為管內(nèi)徑；k為導(dǎo)熱系數(shù)。上面的簡(jiǎn)化公式依據(jù)是BS 6351—1983,但是準(zhǔn)確性不高，只能做粗略估計(jì)。

第二種方式是根據(jù)廠家提供的熱損失表，根據(jù)管徑、溫差、保溫層厚度等查表獲得。

第三種方式是直接用廠家給的選型軟件進(jìn)行計(jì)算。

無(wú)論采用哪種計(jì)算方式，一般計(jì)算值要乘1.1～1.2的安全系數(shù)作為電伴熱需要彌補(bǔ)的熱損失。

3.3.2產(chǎn)品選型

MI伴熱產(chǎn)品選型要考慮維持溫度、維持溫度下的輸出功率以及護(hù)套最高耐受溫度。簡(jiǎn)單的原則是在一定護(hù)套最高耐受溫度下維持所需的維持溫度時(shí)的發(fā)熱功率不低于熱損失，同時(shí)要考慮該工況下的耐熱性能和耐腐蝕性能。

3.4 電伴熱計(jì)算書(shū)

MI電伴熱的計(jì)算書(shū)由三部分組成： 設(shè)計(jì)條件，即前面提到的設(shè)計(jì)參數(shù)；伴熱設(shè)計(jì)，包括伴熱帶的型號(hào)、長(zhǎng)度、在要求溫度下的輸出功率、啟動(dòng)電流、工作電流、操作功率、工作電壓等；回路編號(hào)，表示伴熱線所在的配電柜的編號(hào)和回路編號(hào)。

4 MI伴熱產(chǎn)品的設(shè)計(jì)配置

一個(gè)MI電伴熱系統(tǒng)包括伴熱帶、接線盒、溫控器以及各種附件。根據(jù)伴熱線與接線箱的接線方式不同，MI電伴熱系統(tǒng)有四種安裝形式。以合金825系列電伴熱產(chǎn)品為例，四種設(shè)計(jì)形式如圖2所示。

MI電伴熱線設(shè)計(jì)形式線芯數(shù)配置A單芯(61系列)B單芯(61系列)D雙芯(32，62系列)E雙芯(32，62系列)

圖2 MI電伴熱線設(shè)計(jì)配置

Fig.2 Configuration of MI electric heating cable

伴熱線組件是一套廠家提供的完整組件，由互相連接的一段發(fā)熱區(qū)和非發(fā)熱區(qū)(冷端線)組成，預(yù)先進(jìn)行端接，適合通過(guò)1個(gè)NPT-螺紋連接件接入接線盒。

5 MI電伴熱的應(yīng)用與展望

5.1 MI電伴熱目前應(yīng)用實(shí)例

由于MI電伴熱帶具有高功率輸出以及耐高溫等特點(diǎn)，目前MI伴熱主要應(yīng)用在極端低溫需要高功率輸出以及操作溫度高需要耐高溫的陸地環(huán)境中。

在尼克森油砂項(xiàng)目中，環(huán)境溫度可以達(dá)到-45℃，而各系統(tǒng)的操作溫度和設(shè)計(jì)溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，如表1所示。

表1 尼克森油砂項(xiàng)目中部分管線的溫度設(shè)置

在表1中，環(huán)境溫度指的是管線長(zhǎng)時(shí)間暴露所在的外在環(huán)境的溫度；運(yùn)行溫度指設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)管線中介質(zhì)的溫度；維持溫度指需要通過(guò)伴熱保持的管線的溫度；設(shè)計(jì)溫度指管線內(nèi)的介質(zhì)短時(shí)間能夠達(dá)到的最高溫度。例如對(duì)于管線29102ET-P1423-01來(lái)說(shuō)，所選取的伴熱產(chǎn)品既要滿足大于56.5W/m的功率輸出，又要承受294℃的高溫。MI伴熱可以提供269W/m的輸出功率，最高暴露溫度達(dá)到650℃，完全可以滿足需要，然而普通的自限溫式的伴熱滿足不了如此高的輸出功率要求。

由于MI電伴熱帶具有伴熱溫度高、發(fā)熱量大、發(fā)熱效率高、發(fā)熱均勻、易于自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，在一些陸地項(xiàng)目中，使用MI電伴熱帶全線等溫預(yù)熱管線，能夠解決低溫黏油管線的“冷油頭”問(wèn)題，能夠大量減小能耗，提高伴熱效率[4]。

此外，MI電伴熱帶使用合金電纜護(hù)層，中間是緊密的氧化鎂絕緣層，內(nèi)層是固體合金或銅導(dǎo)線，這種高含量的鎳鉻合金非常適合高溫條件[5]。所以對(duì)于操作介質(zhì)溫度較高(200℃以上)的管線伴熱，一般也使用MI電伴熱帶進(jìn)行伴熱。

5.2 MI電伴熱帶在海洋工程中的應(yīng)用展望

在我國(guó)渤海、東海、南海的海洋石油平臺(tái)上，現(xiàn)有的伴熱形式大部分為自限溫式伴熱。但是自限溫式電伴熱帶并不能夠適應(yīng)所有的工況條件，伴熱帶的選用必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓r環(huán)境和溫度條件，如圖3所示。

圖3 伴熱類(lèi)型選擇流程Fig.3 Process of selecting electric heating type

目前，隨著海工業(yè)務(wù)范圍的擴(kuò)大，一些海洋工程項(xiàng)目例如亞馬爾LNG項(xiàng)目也大量使用了MI電伴熱帶，以適應(yīng)北極的低溫環(huán)境。

就防腐蝕方面來(lái)說(shuō)，在平臺(tái)設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中電伴熱帶的防腐蝕性能研究較少。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)論是自限溫式電伴熱帶還是MI電伴熱帶的伴熱線芯都不會(huì)與管線直接接觸，同時(shí)管線和伴熱外有保溫層和防水層(見(jiàn)圖4)，避免了電伴熱帶與外界環(huán)境直接接觸，所以很少出現(xiàn)電伴熱帶腐蝕現(xiàn)象。然而在一些陸地項(xiàng)目中使用的集膚效應(yīng)伴熱會(huì)在伴熱管與管線的焊接處出現(xiàn)腐蝕[6]。此外有些MI(礦物絕緣)電伴熱帶還帶有高密度聚乙烯等耐高溫的防腐蝕護(hù)套，所以在即便是在潮濕、高鹽的海洋石油平臺(tái)環(huán)境中，MI(礦物絕緣)電伴熱帶也不會(huì)被腐蝕。

圖4 MI伴熱系統(tǒng)基本組成Fig.4 Basic composition of MI heat tracing system

6 結(jié) 語(yǔ)

MI電伴熱帶具有高功率輸出、耐高溫、耐腐蝕、發(fā)熱均勻等良好性能，能夠在極低的環(huán)境溫度以及極高操作溫度條件下穩(wěn)定工作。在一些陸地項(xiàng)目中，MI電伴熱成功解決了低溫下黏稠介質(zhì)管線保溫、極低溫度下高功率輸出以及高溫介質(zhì)管線伴熱等問(wèn)題，并取得了良好的效果。

雖然目前在國(guó)內(nèi)的海洋石油平臺(tái)中并沒(méi)有大量使用MI電伴熱，但是MI電伴熱確實(shí)可以作為一種備選以應(yīng)對(duì)特殊的工況要求。隨著國(guó)內(nèi)海工業(yè)務(wù)的擴(kuò)張以及LNG業(yè)務(wù)的增加，海工項(xiàng)目業(yè)務(wù)范圍已經(jīng)不止局限于海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造、安裝，也不會(huì)只局限于目前中低緯度海域開(kāi)發(fā)?？梢灶A(yù)見(jiàn)MI電伴熱將會(huì)在合適的條件下發(fā)揮它的作用，來(lái)彌補(bǔ)常用的自限溫式電伴熱的不足。

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ApplicationDesignofMineralInsulatedElectricHeatTracinginOffshoreOilEngineering

LIZhen,ZHANGHao,ZHUHai-feng,XUESong,LIUXi

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Nowadays, normal electric heating tracing in offshore oil engineering cannot provide high power and adapt to extreme hostile working conditions. Mineral insulated (MI) electric heat tracing shows its good performance confronting -40℃ extremely low temperature and high corrosive working condition in Nexen Oil Project. It provides a new idea for electrical heating tracing in offshore oil engineering which requires providing high power and resisting extreme hostile working condition. We study the feasibility of application of MI electric heat tracing in offshore oil engineering and introduce the typical characteristics including main products, working principle, application areas, selection of design, and installation and application.

offshore oil engineering; mineral insulated (MI) electric heat tracing; product classification; working principle; application design

2017-05-02

李震(1990—)，男，學(xué)士，助理工程師，主要從事海洋石油工程方面的研究。

P751

A

2095-7297(2017)03-0145-05