论文部分内容阅读
摘要：含保温材料的海管在我国海洋油田开发中较为常见，但近年保温海管遭遇船锚外力或管材腐蚀穿孔的情况屡有出现，导致海管保温层进水造成保温失效，不但增加维修费用、给油田带来停产损失，更重要的是漏油风险所带来的环境恶果及危险无法估测。本文以针对某条在行海管运行参数的分析情况为例，提供了一种通过对在运行海管的热力计算来检验单层保温管道是否发生保温失效的方法，作为有效的检测配合手段，为海底单层保温管运行的完整性管理提供数据支持和有效预警。
关键词：保温海管 破损 保温失效 热力模拟 完整性管理
1 概述
保温海管在海洋油田开发有着良好应用，通常保温层材料有：高密度聚氨酯泡沫、改性聚氨酯泡沫及橡胶制品等。
保温管道保温失效原因通常有以下几种[1]：
（1）海底管道腐蚀
（2）波流冲刷作用
（3）机械破坏/第三方活动
（4）海床运动
（5）管材缺陷和焊缝缺陷
在很多情况下，海底管道失效都是由上述各种原因中的几种共同作用引起，同时还与海底管道运行年限和运行环境密切相关。以上每种因素都会对单层保温管道带来严重而不可逆的破坏，致使介质不能有效输送，给海洋环境带来极大威胁。
目前随着国家对环境重视程度日益提高，海底管道的完整性管理的重要性突显，通过内检测、外检测以及超声波导等技术配合，对管道寿命进行有效评估成为近年来发展的一项先进技术。这种检测手段获得的数据准确，观察直观，对了解管道腐蚀状况、评估管道寿命以及确定抑制腐蚀计划等都具有重要意义，当然费用不菲且需要现场配合相应的调度指挥工作，对正常生产有一定的扰动，因此开展检测工作的频率是现场操作者极为关心的问题。
下面针对某渤海海域的在行海管，分析操作运行的相关参数记录，提供了一种通过对在运行海管进行水热力计算来检验单层保温管道是否发生保温失效的方法，作为有效的检测配合手段，通过对现场记录日志数据的模拟计算，发现异常后可及时配合实施内检测，为海底单层保温管运行的完整性管理提供数据支持和有效预警。
2 数学模型与原理
总传热系数K系指当油流与周围介质的温差为1℃时，单位时间内通过单位传热表面所传递的热量，用以表示油流至周围介质的散热强弱。在计算热管道沿线的温降时，K值的正确确定是个关键。
以埋地热油管为例，管道散热的传递过程是由三部分组成的，即油流至管壁的放热，钢管壁、沥青绝缘层或保温层的热传导和管外壁至周围土壤的传热（包括土壤的导热和土壤对大气及地下水的放热）。在稳定传热的情况下，即热管路经过长期运行，已在管内外建立了稳定的温度场时，在同一时间内各部分所传递的热量相等，其热平衡关系可表示为:[2]
KπD（Ty－T0）=α1πdn（Ty－Tb1）= =α2πDw (Tbi+1-T0)
式中 Dw——管路最外围的直径，米；
di，Di——钢管、沥青绝缘层及保温层的内径和外径，米；
λi——与上述各层相应的导热系数，瓦/（米2•开）或千卡/（米•时•℃）；
Ty——油温，开或℃；
T0——埋深处的自然地温，开或℃；
Tb1——钢管内壁的温度，开或℃；
Tbi，Tbi+1——钢管、沥青绝缘层及保温层内外壁温度，开或℃；
α1——油流至管内壁的放热系数，瓦/（米2•开）或千卡/（米•时•℃）；
α2——管外壁至土壤的放热系数，瓦/（米2•开）或千卡/（米•时•℃）。
当海管发生破损时，海水会进入保温层。由于海水的导热系数远高于保温材料的导热系数，因此总传热系数K值会升高，也就发生了保温失效的情况。
根据上述数学模型，通过将实际生产的运行参数反算出总传热系数与管道规格设计计算出的总传热系数进行对比，其偏离程度能够客观地反应出海管是否遇到保温失效的问题，为确定海管是否出现破损提供了理论依据。
3 单层保温管保温失效案例研究
某渤海海域油田管道规格如下：整条钢管铺设在海床下1.5m处，管径8″，壁厚12.7mm，保温层厚度50mm，保温层密度80～100kg/m3。通过上述公式计算可知，其正常运行时的总传热系数应为1.1 W/(m2•℃)。
采集到该海管在某年4、5、6月份实际运行参数如表1。
表1 管道实际运行参数
日期 入口压力MpaG 入口温度
℃ 入口油量
m3/d 出口压力
MpaG 出口温度
℃
0401 3.7 60 4917 0.2 38
0419 3.7 60 5128 0.2 39.1
0423 3.7 60 4720 0.2 39.7
0429 3.7 60 4728 0.2 40.2
0506 3.8 60 4721 0.2 40
0511 3.8 60 4910 0.2 40
0520 3.8 60 4919 0.2 40.5
0602 3.8 59 4911 0.2 41
0615 3.6 58 4916 0.2 42.4
0620 3.6 57 4925 0.2 42.7
通过对上述管道实际总传热系数进行推算，结果见表2。
表2 反算总传热系数
日期 总传热系数W/(m2•℃)
20110401 5.7
20110419 5.6
20110423 4.9
20110429 4.8
20110506 4.8
20110511 5.0
20110520 4.9
20110602 4.6
20110615 4.0
20110620 3.7
通过模拟计算，发现按照设计数值原本应为1.1 W/(m2•℃)的总传热系数升高到3.7~5.7，明显异常。根据这个理论模拟依据，作业者对该管进行了内检测，检测结果发现海管表面的保温层有多处发生穿孔破损现象，与模拟计算吻合。
4 结论
单层保温管道遭遇意外如受船锚外力或管材腐蚀穿孔的情况屡有出现，导致海管的保温层进水造成保温失效，不但增加维修费用、给油田带来了停产损失，更重要的是漏油风险所带来的环境恶果及危险无法估测。
通过对上述案例的计算结果及分析，可以明确通过热力模拟，对比实际生产的运行参数反算出总传热系数与管道规格设计计算出的总传热系数，通过两个数据的偏离程度，能客观地反应出海管是否遇到保温失效。为单层保温海管的生产操作者提供了一种通过对在运行海管进行热力计算来检验管道是否发生保温失效的方法，能够作为检测手段来配合和指导海底单层保温管运行的完整性管理，起到提供数据支持和有效预警作用。
参考文献
[1] 金伟良.海底管道失效原因分析及其对策.科技通报, 2004
[2] 苗承武. 输油管道设计与管理. 石油工业出版社, 2001
第一作者
江欣，1981年6月出生，女，2005年毕业于中国石油大学（北京），研究生学历，工程师，现就职于海洋石油工程股份有限公司，从事海洋油气田复杂管网、深水海管流动保障、高凝高粘原油管输和动态储气分析等方面的设计工作。
关键词：保温海管 破损 保温失效 热力模拟 完整性管理
1 概述
保温海管在海洋油田开发有着良好应用，通常保温层材料有：高密度聚氨酯泡沫、改性聚氨酯泡沫及橡胶制品等。
保温管道保温失效原因通常有以下几种[1]：
（1）海底管道腐蚀
（2）波流冲刷作用
（3）机械破坏/第三方活动
（4）海床运动
（5）管材缺陷和焊缝缺陷
在很多情况下，海底管道失效都是由上述各种原因中的几种共同作用引起，同时还与海底管道运行年限和运行环境密切相关。以上每种因素都会对单层保温管道带来严重而不可逆的破坏，致使介质不能有效输送，给海洋环境带来极大威胁。
目前随着国家对环境重视程度日益提高，海底管道的完整性管理的重要性突显，通过内检测、外检测以及超声波导等技术配合，对管道寿命进行有效评估成为近年来发展的一项先进技术。这种检测手段获得的数据准确，观察直观，对了解管道腐蚀状况、评估管道寿命以及确定抑制腐蚀计划等都具有重要意义，当然费用不菲且需要现场配合相应的调度指挥工作，对正常生产有一定的扰动，因此开展检测工作的频率是现场操作者极为关心的问题。
下面针对某渤海海域的在行海管，分析操作运行的相关参数记录，提供了一种通过对在运行海管进行水热力计算来检验单层保温管道是否发生保温失效的方法，作为有效的检测配合手段，通过对现场记录日志数据的模拟计算，发现异常后可及时配合实施内检测，为海底单层保温管运行的完整性管理提供数据支持和有效预警。
2 数学模型与原理
总传热系数K系指当油流与周围介质的温差为1℃时，单位时间内通过单位传热表面所传递的热量，用以表示油流至周围介质的散热强弱。在计算热管道沿线的温降时，K值的正确确定是个关键。
以埋地热油管为例，管道散热的传递过程是由三部分组成的，即油流至管壁的放热，钢管壁、沥青绝缘层或保温层的热传导和管外壁至周围土壤的传热（包括土壤的导热和土壤对大气及地下水的放热）。在稳定传热的情况下，即热管路经过长期运行，已在管内外建立了稳定的温度场时，在同一时间内各部分所传递的热量相等，其热平衡关系可表示为:[2]
KπD（Ty－T0）=α1πdn（Ty－Tb1）= =α2πDw (Tbi+1-T0)
式中 Dw——管路最外围的直径，米；
di，Di——钢管、沥青绝缘层及保温层的内径和外径，米；
λi——与上述各层相应的导热系数，瓦/（米2•开）或千卡/（米•时•℃）；
Ty——油温，开或℃；
T0——埋深处的自然地温，开或℃；
Tb1——钢管内壁的温度，开或℃；
Tbi，Tbi+1——钢管、沥青绝缘层及保温层内外壁温度，开或℃；
α1——油流至管内壁的放热系数，瓦/（米2•开）或千卡/（米•时•℃）；
α2——管外壁至土壤的放热系数，瓦/（米2•开）或千卡/（米•时•℃）。
当海管发生破损时，海水会进入保温层。由于海水的导热系数远高于保温材料的导热系数，因此总传热系数K值会升高，也就发生了保温失效的情况。
根据上述数学模型，通过将实际生产的运行参数反算出总传热系数与管道规格设计计算出的总传热系数进行对比，其偏离程度能够客观地反应出海管是否遇到保温失效的问题，为确定海管是否出现破损提供了理论依据。
3 单层保温管保温失效案例研究
某渤海海域油田管道规格如下：整条钢管铺设在海床下1.5m处，管径8″，壁厚12.7mm，保温层厚度50mm，保温层密度80～100kg/m3。通过上述公式计算可知，其正常运行时的总传热系数应为1.1 W/(m2•℃)。
采集到该海管在某年4、5、6月份实际运行参数如表1。
表1 管道实际运行参数
日期 入口压力MpaG 入口温度
℃ 入口油量
m3/d 出口压力
MpaG 出口温度
℃
0401 3.7 60 4917 0.2 38
0419 3.7 60 5128 0.2 39.1
0423 3.7 60 4720 0.2 39.7
0429 3.7 60 4728 0.2 40.2
0506 3.8 60 4721 0.2 40
0511 3.8 60 4910 0.2 40
0520 3.8 60 4919 0.2 40.5
0602 3.8 59 4911 0.2 41
0615 3.6 58 4916 0.2 42.4
0620 3.6 57 4925 0.2 42.7
通过对上述管道实际总传热系数进行推算，结果见表2。
表2 反算总传热系数
日期 总传热系数W/(m2•℃)
20110401 5.7
20110419 5.6
20110423 4.9
20110429 4.8
20110506 4.8
20110511 5.0
20110520 4.9
20110602 4.6
20110615 4.0
20110620 3.7
通过模拟计算，发现按照设计数值原本应为1.1 W/(m2•℃)的总传热系数升高到3.7~5.7，明显异常。根据这个理论模拟依据，作业者对该管进行了内检测，检测结果发现海管表面的保温层有多处发生穿孔破损现象，与模拟计算吻合。
4 结论
单层保温管道遭遇意外如受船锚外力或管材腐蚀穿孔的情况屡有出现，导致海管的保温层进水造成保温失效，不但增加维修费用、给油田带来了停产损失，更重要的是漏油风险所带来的环境恶果及危险无法估测。
通过对上述案例的计算结果及分析，可以明确通过热力模拟，对比实际生产的运行参数反算出总传热系数与管道规格设计计算出的总传热系数，通过两个数据的偏离程度，能客观地反应出海管是否遇到保温失效。为单层保温海管的生产操作者提供了一种通过对在运行海管进行热力计算来检验管道是否发生保温失效的方法，能够作为检测手段来配合和指导海底单层保温管运行的完整性管理，起到提供数据支持和有效预警作用。
参考文献
[1] 金伟良.海底管道失效原因分析及其对策.科技通报, 2004
[2] 苗承武. 输油管道设计与管理. 石油工业出版社, 2001
第一作者
江欣，1981年6月出生，女，2005年毕业于中国石油大学（北京），研究生学历，工程师，现就职于海洋石油工程股份有限公司，从事海洋油气田复杂管网、深水海管流动保障、高凝高粘原油管输和动态储气分析等方面的设计工作。