Research on Heat Tracing Technology for Subsea Pipelines

1 引言

原油尤其是稠油在海底管道输送过程中由于温度的降低常常会出现水合物生成、蜡析出、粘度增大等现象，直接影响到油气的正常输送，严重的可能导致管道堵塞使油气田停产，造成极大的经济损失。为了维持生产操作及停输期间管道内的温度，通常需要对海底管道采取维温措施。

由于存在热损失，单纯的采用被动保温往往很难达到维温的要求。主动伴热，就是通过外界对海底管道提供的热量与海底管道的热损失相当或更高，使海底管道维持在一定温度运行。在实际工程中，通常将被动保温技术和主动伴热技术相结合，以达到较好的维温效果。

2  海底管道主动伴热技术

海底管道主动伴热技术根据采用的热源不同，可以分为热流体和电两种形式，如图2-1所示。在世界范围内，主动伴热技术已经应用于多个油气田的海底管线上。

2.1   热流体伴热

热流体伴热是一种传统的伴热方法，该方法是通过热流体和油气管线内介质的热交换及管线外保温层共同作用下保证油气管线内介质正常的输送温度。

根据管线结构型式的不同，热流体可以在管中管环腔或集束管伴热管道中流动，分别称为直接伴热和间接伴热。常用热流体有海水、生产水、乙二醇水溶液、蒸汽等。热流体热量来源可以是锅炉等加热设备或废热回收系统。

热流体直接伴热，由于采用湿式保温层，保温效果相对较差。而对于热流体间接伴热来说，由于采用的是干式保温，保温效果较好。但目前集束管道需要特定的建造场地，且安装方法及应用水深受限。

当平台上有充足的余热可以利用时，热流体伴热会是一种很好的选择。

目前，位于北海的Britania、位于墨西哥湾的King及位于马拉西亚海域的Puteri均采用的是热流体直接伴热的型式；位于北海的GulfaksSouth、Asgard、Skene、Bacchus均采用的是热流体间接伴热型式。

2.2 直接电加热

直接电加热是在管壁上直接通电流，管道作为导体导电，由于管道材料的交流电阻而发热，如图2.2-1所示。直接电加热产热量的多少和电流及交流电阻大小有关。

根据采用管道结构型式的不同，直接电加热可以分为湿式直接电加热和管中管直接电加热。湿式直接电加热针对的是单层管道，电缆分别和管道的两端相连。管中管直接电加热针对的是双层管结构，电缆分别和内外管相连，根据接线位置的不同又可以分为端部馈电和中间馈电两种方式。

直接电加热采用湿式保温的保温效果较差，采用干式保温的保温效果较好。由于直接电加热是在管壁上直接通交流电，因而存在交流腐蚀风险，需要对防腐进行特殊设计，并进行定期的检查和维护。目前，直接电加热型式的电效率较低，尚未得到能够长期使用的有效性验证。

目前，位于北海的Alve、Norne、Asgard、Huldra、Kristin、Urd、Ormen Lange、Tyrihans、Morvin、Skarv、Skuld及位于西非海域的Olowi采用了湿式直接电加热型式。位于墨西哥湾的Serrano和Oregano采用的是管中管直接电加热（端部馈电）型式，Habanero和Na Kika采用的是管中管直接电加热（中间馈电）型式。

2.3   电伴热

电伴热作为一种有效的管道保温及防冻方案，一直被广泛应用。其工作原理是通过伴热媒介散发一定的热量，通过直接或间接的热交换补充被伴热管道的损失，以达到升温、保温或防冻的正常工作要求。电伴热是用电缆/伴热管的电、磁效应对伴热电缆/伴热管加热，进而将热量传递给被伴热管，补充被伴热流体在工艺流程中所散失的热量，从而维持流动介质合理的工艺温度。

根据电伴热不同的热量产生机理又可以分为电伴热带伴热、集肤效应电伴热和电磁感应电伴热。目前，前两种伴热型式已经有海底管道工程应用，而电磁感应电伴热尚没有海底管道工程应用，仍处于发展阶段。

2.3.1   电伴热带伴热

电伴热带伴热通常将伴热电缆缠绕在双层管的内管上，如图2.3-1所示。根据所需热量的多少设置一定数量的伴热电缆，并可以设置备用伴热电缆。

电伴热带伴热一般采用干式保温，具有较好的保温效果，热效率较高。电伴热带对管线的纵向和环向加热比较均匀，操作性较好，可以精确的控制和调整加热能量，并可以通过光纤监控伴热温度。但电伴热带管线采用卷管法铺设时，管线直径受到铺管船能力限制。

此外，将伴热电缆与柔性集束管道相结合，就形成了可以应用于立管段的电伴热柔性集束管道，如图2.3-2所示。可以用于动态立管段的主动伴热。但保温效果较差，与湿式保温类似。

目前，位于北海的Islay已经采用电伴热带伴热；位于西非海域的Dalia和位于巴西海域的Para Terra采用了柔性集束管电伴热带伴热。

2.3.2  集肤效应电伴热

管道集肤效应电伴热技术是一种新的金属管道加热方法，简称SECT（SKIN ELECTRIC CORRENT TRACING）法。集肤效应电伴热系统主要由工艺管道、伴热管道和耐热集肤电缆、保温层及保护外壳四部分组成。伴热管为具有铁磁性的钢管，耐热集肤电缆穿在伴热管中，外面是保温层和保护外壳。结构型式如根据管径的大小，伴热温度的高低，集肤效应伴热分为单管、双管和三管伴热等。耐热集肤电缆穿在伴热管内，在伴热管的终端，电缆的芯线和伴热管相连。在电源端，伴热管和集肤电缆之间连接交流电压，交流电流流经耐热集肤电缆和伴热管时，由于伴热管的铁磁特性和临近效应，集肤效应现象迫使电流只能在伴热管的内壁流动，产生热能，而伴热管的外表面没有电流，伴热管因此可以安全的接地。

集肤效应系统的阻抗小，又能够承受高电压，因此集肤效应系统特别适合长输管线。根据不同的应用，从单一供电点，集肤效应系统就可以向长距离管线提供伴热。但采用铺管船施工程序比较复杂。

我国渤南油气田于2008年在国内将集肤效应电伴热应用于海底管线，也成为世界上用铺管船方式铺设的集肤效应海底管线，集肤效应电伴热系统投用后，管道出口温度有5度左右的升高。

2.3.3  电磁感应电伴热

电磁感应电伴热系统基本构成和集肤效应电伴热类似，区别在于远端接线的方式。对于电磁感应电伴热，远端的三根伴热电缆相互连接并接地，形成中性点。

当交流电流在位于伴热管的电缆中流动时形成交变磁场，使伴热管壁中感应循环涡流。这种循环涡流由于伴热管的交流电阻和磁滞效应以热量的形式耗散。这些热量通过伴热管传递到主管线上，进而对流体进行加热。

目前为止，尚未发现电磁感应电伴热应用于海底管道的案例。

3  分析

从设计、伴热效率、操作性及风险等方面对上述几种主要海底管道伴热型式进行对比，如表3-1所示。

经综合比较分析，建议海底管道伴热方式选择和设计时考虑如下内容：

1）保温层的保温效果直接和伴热效率相关，一般情况下，湿式保温效果要大大低于干式保温效果。通常，在进行伴热系统设计时，要综合考虑保温系统对整个海底管道热传导的影响；

2）对于热流体伴热，伴热效率要明显低于其它伴热方式，且需要考虑热流体对伴热管道引起的腐蚀问题。当平台上有足够的余热可以利用时，热流体伴热具有很大的优势；

3）直接电加热的电效率较低，需要对防腐进行特殊设计，并进行定期的检查和维护。目前已有案例中，绝大多数直接电加热管线均是短期使用，极少长期使用；

4）电伴热温度梯度小，热稳定时间较长，适合长期使用，其所需的热量(电功率)大大低于直接电加热；

5）电伴热具有使用范围广、热效率高、节约能源、无污染，使用寿命长、能实现遥控和自动控制等优点，是伴热技术的发展方向。