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摘 要：稠油注蒸汽热采工艺已在我国辽河、胜利、克拉玛依、河南等油田普遍采用，为了减少注入蒸汽在井筒中的热损失和有效地保护套管，多采用隔热效果优良的隔热油管组成注汽管柱，大大促进了稠油生产，注蒸汽采油是开采稠油的重要手段之一。目前广泛采用隔热油管作为井下注蒸汽管线，为满足市场需求，预应力隔热油管应运而生，而视导热系数人是衡量隔热油管隔热性能的重要参数之一，所以要生产出合格的预应力隔热油管，测试精确的视导热系数测试装置是不可或缺的。
关键词：稠油;热采;隔热油管;视导热系数
一、测试原理
隔热油管视导热系数测试有动态法和稳态法两种测试方法。本文设计的这套视导热系数测试装置使用的便是稳态法，这里重点介绍稳态法测试原理。
稳态法测试是通过测量隔热油管内外管壁之间的热流和温度来计算的。因此为了测试其导热系数，需要在隔热油管内建立一个热流及温度可测的传热系统。在隔热油管视导热系数测装置中，这个传热系统是通过放置在隔热油管内轴线上的电加热棒来建立的，温度监测是采用PT100热电阻，在隔热油管内管内壁及外管外壁分别安装热电阻进行温度监测。电加热棒加热被测隔热油管并在其内外壁之间形成热流与温差，当内外管之间的热流与温度不再随时间变化时，传热就达到了稳定，根据隔热油管内外壁之间的热流与温差来计算隔热油管的视导热系数，稳态测试有科学的理论依据，热流及温度的测量都能达到较高的精度，并且传热系统达到稳定后，环境的变化虽然对隔热油管的外壁温度有影响，但对视导热系数更为敏感的热流量的影响非常小，因此稳态法测试具有较高的精度。
二、设备组成
隔热油管视导热系数测试装置的测试示意图如图1 所示，测试的数据有隔热油管内管内壁温度、外管外壁温度、加热功率、加热杆有效长度及测试时间等。测试装置主要由3 部分组成：主机柜、控制机柜、加热装置，其各部分的组成及功能如下：
1、主机柜
主机柜主要由电脑主机、显示器、打印机、键盘等组成，电脑主机与控制机柜内的控制器通过TCP/IP协议进行通讯，监测视导热系数测试装置的运行状态，采集过程数据，显示视导热系数和温度变化曲线，记录视导热系数，生成测试报表。
上位机采用西门子WINCC组态软件，组态过程监控画面，可方便查看过程数据及变化趋势并记录测试数据，打印测试结果。视导热系数测试装置可以同时测试10根不同规格的隔热油管，可在上位机主界面中统一设置同一规格的隔热油管参数，例如隔热油管的长度，内外径等。也可以在隔热油管测试界面中单独设置每根被测试的隔热油管的参数，还可查看每路隔热油管的加热功率、内管内壁温度、外管外壁温度、当前视导热系数等数据，及加热功率、视导热系数、内外壁温度的实时曲线并可以打印过程曲线，以便对隔热油管性能研究做参考。隔热油管的视导热系数测温完成后，测试装置可自动或手动记录测试结果，每根隔热油管生成测试报表。
2、控制机柜
控制机柜主要由西门子S7-200 SMART PLC、电流互感器、电流表、温度表及其它电气件组成，主要用于过程控制及加热机柜进行通信，采集过程温度、电压、电流等参数。对测试数据进行处理，计算加热功率，测试时间计时，计算隔热管视导热系数等。
控制器对每路测试的隔热油管加热功率进行PID调节，根据《预应力隔热油管》SY/T 5324-2013标准要求，隔热油管内壁温度设定为350℃，当内管内壁温度达到350℃时，减小加热功率，使内管内壁温度恒定在350℃。当内外管之间的热流与温度不再随时间变化时，控制器开始计时，计时时间达到30分钟，默认该隔热油管的视导热系数测温完成，控制器计算视导热系数，根据《预应力隔热油管》标准要求，对隔热油管的性能等级自动分类，触发上位机记录信号，上位机接收测温完成信号，自动记录测试结果并生成测试报表。
每根隔热油管测试完成后控制器会触发安装在控制机柜上的声光报警器，提醒操作人员测试完成，测试人员可根据上位机画面上的提示，及时更换隔热油管 和打印测试报表。加装声光报警功能，可节省人力资源，提高工作效率。
3、加热装置
加热装置由50Kw中频电加热柜和加热杆组成，中频电加柜市场上有各种不同品牌和性能的机柜，可以根据实际需求进行选择。电加热杆是利用涡流效应和肌肤效应制作。将直径4mm紫铜裸线螺旋缠绕，缠绕外径26mm，螺距5mm，总长度为4m。在紫铜线外均匀缠绕3层耐500℃高温玻璃纤维布，防止铜线与金属外壁接触，并将缠绕完玻璃纤维布的螺旋铜线内充入结晶氧化镁粉夯实，确保螺旋铜线直间完全隔开。然后将制作完成的铜线插入到?38×3.5，4米长无缝钢管，一端用M10×20不锈钢螺栓将铜线与无缝钢管连接，另一端采用耐高温胶圈将铜线固定，且与无缝钢管隔离。
三、功能介绍
测试装置利用稳态法进行测试，具有较高的测试精度，采用中频电加热技术，具有加热功率大，加热速度快的特点。每路加热杆加热采用PID调节，精确温控。同时可测试10路隔热油管的视导热系数，每路测试完成自动记录测试结果，具有测试完成提示功能。在一定程度上克服了稳态法测试视导热系数测试时间长，工作效率低的弊端，可提高工作效率。
上位机画面采用WINCC组态软件，具有丰富的组态画面和强大的数据记录功能，全面监控隔热油管视导热系数的测试过程，实时检测视导热系数测试过程中的温度、加热电流、加热功率，测试时间等数据，并可实时显示温度曲线、功率曲线、视导热系数变化曲线，记录视导热系数测试结果，大大提供系统运行过程的可视化，可更加清晰明了的掌握系统运行状态。控制器采用西门子S7-200 SMART可编程逻辑控制器，控制器具有處理速度快，具有完善的PID调节功能等特点，过程控制精确，强大逻辑计算功能，满足各种数据类型及复杂的计算过程，与检测仪表通过TCP/IP协议通讯，通讯速率快，采集的过程数据真实有效，确保视导热系数计算准确可靠。测试装置的特点如下：
（1）采用稳态测试法，测试精度高;
（2）加热功率大，每个支路加热功率可达5KW，加热速度快;
（3）可同时测量1～10 根隔热油管，能满足大批量测试的要求;
（4）测试装置操作简单，测试完成具有提示功能;
（5）测试装置自动记录、存储测试结果，并对隔热油管进行分类。
四、结论
稳态测试理论依据充分，受环境变化的影响小，有较高的精度。经过实际运行验证，该套装测试精度较高，运行稳定，操作简便，易于掌握，该套视导热系数测试装置可以满足工厂视导热系数测试应用。但仍有很多不足之处，例如虽然可同时测试10路，但是稳态法测试时间仍然相对较长，该套装置体积庞大，只适合用于室内测试，且加热杆制作略显粗糙，还有待改进。
参考文献
[1]中华人民共和国石油天然气行业颁布标准 SY/T 5324-2013 预应力隔热油管
[2]李知悦.SJ 隔热管热性能检测系统的电源设计.宵岛化工学院报，1994.
[3]常小军，刘建.程序变增益IP D 温度控制系统.工业过程模型化及控制（第6 卷）·上海交通大学出版社.1994.
[4]杨世铭.传热学.高等教育出版社.1984.
关键词：稠油;热采;隔热油管;视导热系数
一、测试原理
隔热油管视导热系数测试有动态法和稳态法两种测试方法。本文设计的这套视导热系数测试装置使用的便是稳态法，这里重点介绍稳态法测试原理。
稳态法测试是通过测量隔热油管内外管壁之间的热流和温度来计算的。因此为了测试其导热系数，需要在隔热油管内建立一个热流及温度可测的传热系统。在隔热油管视导热系数测装置中，这个传热系统是通过放置在隔热油管内轴线上的电加热棒来建立的，温度监测是采用PT100热电阻，在隔热油管内管内壁及外管外壁分别安装热电阻进行温度监测。电加热棒加热被测隔热油管并在其内外壁之间形成热流与温差，当内外管之间的热流与温度不再随时间变化时，传热就达到了稳定，根据隔热油管内外壁之间的热流与温差来计算隔热油管的视导热系数，稳态测试有科学的理论依据，热流及温度的测量都能达到较高的精度，并且传热系统达到稳定后，环境的变化虽然对隔热油管的外壁温度有影响，但对视导热系数更为敏感的热流量的影响非常小，因此稳态法测试具有较高的精度。
二、设备组成
隔热油管视导热系数测试装置的测试示意图如图1 所示，测试的数据有隔热油管内管内壁温度、外管外壁温度、加热功率、加热杆有效长度及测试时间等。测试装置主要由3 部分组成：主机柜、控制机柜、加热装置，其各部分的组成及功能如下：
1、主机柜
主机柜主要由电脑主机、显示器、打印机、键盘等组成，电脑主机与控制机柜内的控制器通过TCP/IP协议进行通讯，监测视导热系数测试装置的运行状态，采集过程数据，显示视导热系数和温度变化曲线，记录视导热系数，生成测试报表。
上位机采用西门子WINCC组态软件，组态过程监控画面，可方便查看过程数据及变化趋势并记录测试数据，打印测试结果。视导热系数测试装置可以同时测试10根不同规格的隔热油管，可在上位机主界面中统一设置同一规格的隔热油管参数，例如隔热油管的长度，内外径等。也可以在隔热油管测试界面中单独设置每根被测试的隔热油管的参数，还可查看每路隔热油管的加热功率、内管内壁温度、外管外壁温度、当前视导热系数等数据，及加热功率、视导热系数、内外壁温度的实时曲线并可以打印过程曲线，以便对隔热油管性能研究做参考。隔热油管的视导热系数测温完成后，测试装置可自动或手动记录测试结果，每根隔热油管生成测试报表。
2、控制机柜
控制机柜主要由西门子S7-200 SMART PLC、电流互感器、电流表、温度表及其它电气件组成，主要用于过程控制及加热机柜进行通信，采集过程温度、电压、电流等参数。对测试数据进行处理，计算加热功率，测试时间计时，计算隔热管视导热系数等。
控制器对每路测试的隔热油管加热功率进行PID调节，根据《预应力隔热油管》SY/T 5324-2013标准要求，隔热油管内壁温度设定为350℃，当内管内壁温度达到350℃时，减小加热功率，使内管内壁温度恒定在350℃。当内外管之间的热流与温度不再随时间变化时，控制器开始计时，计时时间达到30分钟，默认该隔热油管的视导热系数测温完成，控制器计算视导热系数，根据《预应力隔热油管》标准要求，对隔热油管的性能等级自动分类，触发上位机记录信号，上位机接收测温完成信号，自动记录测试结果并生成测试报表。
每根隔热油管测试完成后控制器会触发安装在控制机柜上的声光报警器，提醒操作人员测试完成，测试人员可根据上位机画面上的提示，及时更换隔热油管 和打印测试报表。加装声光报警功能，可节省人力资源，提高工作效率。
3、加热装置
加热装置由50Kw中频电加热柜和加热杆组成，中频电加柜市场上有各种不同品牌和性能的机柜，可以根据实际需求进行选择。电加热杆是利用涡流效应和肌肤效应制作。将直径4mm紫铜裸线螺旋缠绕，缠绕外径26mm，螺距5mm，总长度为4m。在紫铜线外均匀缠绕3层耐500℃高温玻璃纤维布，防止铜线与金属外壁接触，并将缠绕完玻璃纤维布的螺旋铜线内充入结晶氧化镁粉夯实，确保螺旋铜线直间完全隔开。然后将制作完成的铜线插入到?38×3.5，4米长无缝钢管，一端用M10×20不锈钢螺栓将铜线与无缝钢管连接，另一端采用耐高温胶圈将铜线固定，且与无缝钢管隔离。
三、功能介绍
测试装置利用稳态法进行测试，具有较高的测试精度，采用中频电加热技术，具有加热功率大，加热速度快的特点。每路加热杆加热采用PID调节，精确温控。同时可测试10路隔热油管的视导热系数，每路测试完成自动记录测试结果，具有测试完成提示功能。在一定程度上克服了稳态法测试视导热系数测试时间长，工作效率低的弊端，可提高工作效率。
上位机画面采用WINCC组态软件，具有丰富的组态画面和强大的数据记录功能，全面监控隔热油管视导热系数的测试过程，实时检测视导热系数测试过程中的温度、加热电流、加热功率，测试时间等数据，并可实时显示温度曲线、功率曲线、视导热系数变化曲线，记录视导热系数测试结果，大大提供系统运行过程的可视化，可更加清晰明了的掌握系统运行状态。控制器采用西门子S7-200 SMART可编程逻辑控制器，控制器具有處理速度快，具有完善的PID调节功能等特点，过程控制精确，强大逻辑计算功能，满足各种数据类型及复杂的计算过程，与检测仪表通过TCP/IP协议通讯，通讯速率快，采集的过程数据真实有效，确保视导热系数计算准确可靠。测试装置的特点如下：
（1）采用稳态测试法，测试精度高;
（2）加热功率大，每个支路加热功率可达5KW，加热速度快;
（3）可同时测量1～10 根隔热油管，能满足大批量测试的要求;
（4）测试装置操作简单，测试完成具有提示功能;
（5）测试装置自动记录、存储测试结果，并对隔热油管进行分类。
四、结论
稳态测试理论依据充分，受环境变化的影响小，有较高的精度。经过实际运行验证，该套装测试精度较高，运行稳定，操作简便，易于掌握，该套视导热系数测试装置可以满足工厂视导热系数测试应用。但仍有很多不足之处，例如虽然可同时测试10路，但是稳态法测试时间仍然相对较长，该套装置体积庞大，只适合用于室内测试，且加热杆制作略显粗糙，还有待改进。
参考文献
[1]中华人民共和国石油天然气行业颁布标准 SY/T 5324-2013 预应力隔热油管
[2]李知悦.SJ 隔热管热性能检测系统的电源设计.宵岛化工学院报，1994.
[3]常小军，刘建.程序变增益IP D 温度控制系统.工业过程模型化及控制（第6 卷）·上海交通大学出版社.1994.
[4]杨世铭.传热学.高等教育出版社.1984.