预热投产是新建海底热油管道启输的主要方式,直接关系到新建海管能否安全投入运行。海管具有工况多变、结构复杂、环境特殊、附近温度场难以精确测量等特点,综合分析海管预热和投油过程的研究少,其间温度变化规律不易掌握,导致现场采用的投产方案资源消耗大。因此,仔细研究海底热油管道预热投产过程,形成准确的模拟方法,有助于预判海管投产过程中各参数变化情况,进而全面掌握海管投产初期的运行规律,对制定合理的投产方案、指导现场生产具有重要的现实意义。论文选取渤海油田某新建海底热油管道为研究对象,针对预热投产过程的不稳定流动和传热问题,基于流体力学和传热学基本原理,采用数值模拟方法,深入开展了海管预热投产过程中运行参数的变化行为、影响因素、优化投产方案以及投油时机等研究。具体研究内容和取得的主要成果如下：(1)根据海管实际预热投产流程,分析了海管热力系统组成,建立了海管预热投产物理和数学模型。通过引入清管器运动方程,描述了海管投产时采用清管器隔离油、水的真实情况。求解时,特别研究了原油、清管器、预热水共存阶段,形成了完整的含有清管器的海底热油管道预热投产耦合算法。耦合算法依托Matlab软件编程实现,得到了现场数据的验证。(2)依靠预热模拟算法,研究了所选海管预热过程中热力参数变化行为、不同因素对预热效果的影响以及优化预热方案。结果表明,预热过程中,海管对海泥温度场分布影响小,揭示出预热介质主要用于加热海管各层结构；根据海管热力系统得到的当量总传热系数比反算得到的总传热系数更能真实反映出预热过程中热水和温度的传播情况。就该海管而言,立管温降对出口温度的稳定值影响微弱；海泥物性中,导热系数的改变对出口稳定温度的影响最大。结果还表明,相同加热功率下,高流速、低温度的预热方案更佳。(3)依靠投油模拟算法,研究了海管投油过程中运行参数的变化过程和影响因素,揭示了与陆地埋地管道不同的温度变化行为及原因。结果表明,待原油抵达下游平台,海管出口油温不会出现陆地管道中先下降再升高的现象。结果还表明,油水转换期内,部分原油温度升高,以致出现油头温度比入口油温高的现象。随着与清管器距离和投油时间的延长,升温现象消失。稳定后的沿线油温低于相同位置处的预热水温度。(4)研究了出口预热水温度、最低油头温度和“蓄热量相等”原则在确定海管投油时机中的应用。结果表明,以最低油头温度确定的预热时长远小于其他两种方法,但尚缺乏实例验证；“蓄热量相等”原则也适用于海底管道,耗水量居中,但计算步骤过于繁琐；以出口预热水温度确定的预热时长最大,但方法简单,只要出口水温高于油品凝点,即可保证海管安全投产启输。综合考虑安全性、成功案例以及实施的便捷性,推荐现场以出口水温作为判断能否开始投油的依据。(5)针对现场中可能出现的海管预热后无法立即投产的情况,借助停输模型,研究了延迟投油工况。通过模拟预热水停输降温以及再投油过程,确定出,在投产环境和冬季极冷环境中,该海管最大投油延迟时间分别为107h和89h。(6)考虑到海管具备正反向交替预热条件,在已有算法基础上模拟研究了海管正反双向交替预热及投油过程,探索了不同环境、不同投产方案下海管入口温度、出口温度、油头温度以及散热量等参数的变化行为。结果表明,正反向交替预热可降低净消耗水量,但所需预热时间有所延长。以该方案投油时,出口油温变化过程与反输时间有关,但稳定值和所需时间与正向预热投油方案一致。