周晓东，石 云
(中海油研究总院，北京 100028)
摘要：通过调研海底管道不同形式的伴热技术，归纳了主要伴热形式，并介绍了对应的工程案例。从设计、伴热能力、操作性、伴热系统风险等方面进行综合对比，提出了不同海底管道伴热技术所适应的条件，为开展海底管道伴热设计提供借鉴。
关键词：海底管道；伴热技术；热流体伴热；电伴热；直接电加热
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会出现水合物生成、蜡析出、黏度增大等现象，直接影响油气输送，严重的可能导致管道堵塞，使油气田停产。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，以达到最好的维温效果。
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[1]，如图1所示。主动伴热技术已应用于多个油气田的海底管线上。
图1 海底管道主动伴热技术
1.1 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，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[2]，如图2所示。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。
(a)直接伴热
(b)间接伴热
图2 热流体伴热管道结构型式
热流体直接伴热，由于采用湿式保温层，保温效果较差。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，热流体伴热是很好的选择。
目前，位于北海的Britania油气田、位于墨西哥湾的King油气田及位于马来西亚海域的Puteri油气田[3]均采用的是热流体直接伴热的型式；位于北海的Gulfaks South、Asgard、Skene、Bacchus油气田均采用的是热流体间接伴热型式。
1.2 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3所示。直接电加热产生的热量和电流及交流电阻有关。
图3 直接电加热管道示意图
根据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[4]。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油气田及位于西非海域的Olowi油气田采用了湿式直接电加热型式。位于墨西哥湾的Serrano和Oregano油气田[5]采用的是管中管直接电加热(端部馈电)型式，Habanero和Na Kika油气田采用的是管中管直接电加热(中间馈电)型式。
1.3 电伴热
电伴热的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，从而维持流动介质最合理的工艺温度。
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，而电磁感应电伴热还没有海底管道工程应用，仍处于发展阶段。
1.3.1 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4所示。根据所需热量设置一定数量的伴热电缆，并可以设置备用伴热电缆。
图4 电伴热带伴热示意图
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，可以精确地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5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。
图5 电伴热柔性集束管道示意图
目前，位于北海的Islay油气田已经采用电伴热带伴热[6]；位于西非海域的Dalia油气田[7]和位于巴西海域的Para Terra油气田[8]采用了柔性集束管电伴热带伴热。
1.3.2 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 tracting)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。结构型式如图6所示。
图6 集肤效应电伴热结构型式
根据管径、伴热温度，集肤效应伴热分为单管、双管和三管伴热等。耐热集肤电缆铺设在伴热管内，在伴热管的终端，电缆的芯线和伴热管相连。在电源端，伴热管和集肤电缆分别与交流电源连接，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。
2008年，渤南油气田将集肤效应电伴热应用于海底管线[9]，集肤效应电伴热系统投用后，管道出口温度有5 ℃左右的升高[10]。
1.3.3 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中心的电缆中流动时形成交变磁场，使伴热管壁中形成感应循环涡流。这种循环涡流由于伴热管的交流电阻和磁滞效应最终以热量的形式耗散。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，未发现电磁感应电伴热应用于海底管道的案例。
从设计、伴热能力、操作性及伴热系统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1所示[2]。
表1 海底管道主要伴热方式对比
内容 热流体伴热湿式直接电加热直接电加热-双层管 电伴热带伴热电伴热柔性集束管集肤效应电伴热设计管道型式双层管/集束管单层管双层管双层管柔性管双层管质量重轻重重轻重U值/(W·m-2·K-1)湿式3．0～6．0，干式0．6～6．0湿式：3．0～6．0干式：0．6～6．0干式：0．6～6．0湿式：3．0～6．0干式：0．6～6．0伴热能力伴热效率40%～60%50%～70%95%～100%90%～100%40%～60%90%～100%单热源最大伴热长度与伴热需求及允许压降有关最长43km，受钢材性质、杂散电流、管道腐蚀、电缆能力等限制最长17km20～50km，受伴热带等级限制通常5～10km单电源单向可伴热20km操作性连续伴热可以浅水可以，深水未认证未认证已认证可以可以伴热系统风险环腔腐蚀、热膨胀、屈曲杂散电流腐蚀、电缆老化、连接点失效、电磁干扰、热膨胀、屈曲电弧、杂散电流腐蚀、连接点失效、电磁干扰伴热电缆及连接点失效伴热电缆及连接点失效，抵抗外部荷载能力受限伴热电缆及连接点失效
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，湿式保温效果明显低于干式保温效果。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)热流体伴热的伴热效率较低，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)明显低于直接电加热。
(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。
参考文献：
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[10] 刘莉峰，刘文智. 集肤效应电伴热在渤海某油田高凝混输海管中的应用[J].船舶标准化工程师，2011(5)：47-52.
Study of Subsea Pipeline Heat Tracing Technology
ZHOU Xiao-dong， SHI Yun
(CNOOC Research Institute， Beijing 100028， China)
Abstract:After research on subsea pipeline different heat tracing technology, the major heat tracing technologies were summarized, and the corresponding engineering cases were introduced. The design, heat tracing capability, operability and heat tracing system risk were comprehensive compared. The suitable conditions of different subsea pipeline heat tracing technology were put forward. This paper offers reference for the design of subsea pipeline heat tracing.
Keywords:subsea pipeline; heat tracing technology; hot fluid heating; electric heating; electro-heating directly
中图分类号：TE54
文献标识码：A
文章编号：1004-9614(2017)05-0053-04
作者简介：周晓东(1988—)，硕士，工程师，主要从事边际油田开发、船舶及海洋工程结构设计研发工作。
E-mail：zhouxd5@cnooc.com.cn
收稿日期：2017-03-17
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