2. 山东省油气储运安全省级重点实验室;
3. 青岛市环海油气储运技术重点实验室;
4. 浙江省能源集团城市燃气有限公司
2. Shandong Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation;
3. Qingdao Surrounding Sea Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Technology;
4. City Gas Co., Ltd. of Zhejiang Provincial Energy Group
0 引 言
随着陆上油气资源的日益衰竭,油气资源开发的重点将逐渐向深海区域转移[1]。深海油气管道作为海洋油气田开发的重要组成部分,承担着油气外输的职责,但受到海洋环境的限制,将要长期处在海洋冷水环境中,并承受一定水深的静压力。若保温性能不佳,很容易造成管道堵塞,甚至机械损伤[2]。因此,需要对深海管道保温性能进行研究。
深海管道保温性能的研究方法有数值模拟、现场试验及模拟试验3种。数值模拟研究较易实现,但难以模拟现场实际环境,导致结果与实际差别较大,虽具有一定的参考价值和指导意义,但其工程应用价值不高。现场试验受到现有条件及现场环境限制不易实现,需要耗费大量的人力、财力和物力,且试验结果并不理想。实验室的模拟试验可以弥补上述2种方法的不足。模拟试验可将管道、保温材料以及工作环境等情况结合起来研究,在较低的花费下得到较为理想的试验结果。
在模拟试验研究中,试验装置是模拟试验能够进行的基础及前提条件,关系着试验数据的准确性。笔者对现有的深海管道保温试验装置进行调研对比研究,找出各自的优缺点;同时,针对高压试验装置的设计进行详细介绍,并结合设计中主要关键技术问题,提出相应的解决方法。
1 深海管道保温性能试验装置深海管道保温性能试验装置的主要功能就是为模拟管道所处的海洋环境提供一个场所,并在这个模拟环境下对保温管道的性能进行试验研究。一套成功的深海管道保温性能试验装置必须具备以下条件:①能够较好地模拟海洋环境,包括静水压力、海水温度及洋流条件等;②具有较好的安全性能,满足密封要求;③易于拆装和维修,能够对试验装置内的试验管道及其附属设备进行安装和拆换;④自动化程度高,在试验过程中能够自动控制,并对试验数据进行采集储存。根据试验装置承压的不同,可将目前常用的深海管道保温性能试验装置分为常压试验装置和高压试验装置。
常压试验装置在模拟海洋环境时忽略静水压力,只考虑海水温度和洋流条件等因素。海洋中的管道有的直接暴露在海水中,有的埋在海床里。因此,常压试验装置也有2种:裸露管道试验装置[3]和埋地管道试验装置[4]。常压试验装置安全性能好,投资少,可实现海水外循环,可外部控制海水温度及流速,并对管道实际运行工况进行模拟。但其无法模拟深海高压情况,与实际海洋条件差别较大,无法进行保温材料的抗压及蠕变性能的研究。
高压试验装置可模拟海洋环境下的静水压力,其核心设备是高压舱。根据形式的不同,高压舱可分为卧式和立式2种[5]。立式高压舱可以借用外部支架的力量来承受高压舱内部的巨大压力,相对卧式高压舱来说立式高压舱的密封较容易,可实现快开,但其端盖及试验管件需要通过吊装的方式进行装卸[6],因此对实验室高度要求比较高,一般应用在高大的厂房或者埋地情况。卧式高压舱没有高度限制,试验管件的长度可以取得较长,因此应用较广,目前深海管道保温性能试验装置大部分都采用卧式高压舱。压力等级较高的卧式高压舱端盖不能采用快开机构,一般采用螺栓进行密封[7],借助滑轨或者小车进行装卸[8]。高压试验装置能够较好地模拟实际海洋条件,可对保温材料进行传热测试、抗压测试和蠕变性能测试,试验数据更科学准确,但是对高压舱的密封要求高,不能很好地实现较高压力下高压舱内的海水循环及管道内的流体循环,且投资较高。
2 高压试验装置的设计受到资金和实验室空间的限制,笔者所在课题组搭建了一套小型卧式高压试验装置,用于深海管道保温性能研究。
2.1 主要用途该装置可用于高压低温环境下管道的保温性能和蠕变性能模拟试验,以及高压低温环境下管道压溃模拟试验。
该装置通过电子计算机控制,自动升降高压舱内水压和水温,压力可达30 MPa,温度可达4 ℃,高压低温环境可维持30 d以上;可对试验管件内的输送介质进行加热并维持在给定温度下。在设定的压力和温度下对试验管件进行试验和测试,能够实时监控和了解高压舱内压力和温度以及试验管件内流体的温度情况,以便操作人员进行处理;实时采集和处理试验管件保温层的传热量、温度分布以及形变量。
2.2 总体设计及系统组成根据试验功能要求,可将深海管道保温试验装置分为高压舱、增压系统、冷却系统、试验管件、加热系统、数据采集及控制系统6大部分,如图 1所示。高压舱是该装置的核心设备,用来模拟高压低温的深海环境,主要由高压舱筒体、端盖、连接机构及各种附件组成。设计长度2.5 m,筒体内径0.6 m。筒体外部有冷却夹套,用来给高压舱内水进行冷却换热。高压舱筒体上开有一定量的孔,来满足试验过程中加压、冷却、排水及数据采集的需要。端盖上开有动力和信号出入孔以及管道内介质的排液孔,这些孔可保证管道内加热系统以及各传感器安全正常运行。
增压系统由增压泵、水箱、压力表及各阀门等组成,用来给高压舱加压及维压,设计增压时间为1 h。增压系统要能够实现压力自动调节功能,可根据高压舱内压力变化进行跟踪补偿。冷却系统主要由冷却机组、水箱、冷却夹套、温度计及各阀门等组成,用于冷却高压舱内的水,设计冷却时间为4 h,能够实现温度自动调节控制。
试验管件是试验的主体部分,也是散热量、蠕变量及温度的测量元件。采用2 m长的θ152.4 mm钢管,保温层厚度80 mm,两端用法兰和球形封头进行密封处理,内部布置一定数量的加热器。
加热系统分为3段对试验管件内的输送介质进行加热,每段相对独立,可实现自动控制,设计加热时间为2 h。介质的进入与排出由油泵、油箱和管路系统控制。数据采集及控制系统是试验的中枢部分,该系统实时监控试验的进程,并对试验数据进行采集和处理,通过反馈对加压、冷却及加热过程进行自动控制。
3 关键技术分析 3.1 端部效应的消除试验管件的端部需要开孔进行加热装置及传感器的连接,因此无法做到绝热保温,这样会产生端部效应。端部效应会导致靠近端部处的温度及热流比中间低,这与工程实际情况不符,因此需要将端部效应的影响降到最低甚至消除。试验管件越长,测量的准确度就会越高,端部效应的影响就会越小,然而试验装置也会随之变大变贵。在实验室条件(空间)或者经费限制下,寻找合适的试验管件长度并合理安排传感器来尽可能地消除端部效应尤为重要。
笔者利用FLUENT软件建立试验管件模型,针对极端情况(管道两端不保温)设立相应的边界条件进行模拟试验研究。模拟结果如图 2和图 3所示。
由图可知,随着试验管件长度的增加,管件中间段的稳定区域(热流和温度波动极小的区域)也在不断增大。当管件长度为1 m时,管件中间段只有0.2 m的稳定区域,在该区域进行数据测量显然不足,难以保证试验数据的准确性。当管件为2 m时,管件中间段的稳定区域有0.5 m左右,基本上可保证数据测量的准确性。当管件长度不小于3 m时,中间段稳定区域长度可超过1 m。建议在实验室空间及费用限制下,为消除管道端部效应的影响,试验管件长度应不小于2 m,提供出0.5 m以上的稳定区域用于数据测量,保证所测数据的准确性。很显然,在各方面都不受限制时,应尽量采用长管件进行试验。目前最大的深海试验舱是ShawCor公司建立的模拟服务高压舱(Simulated Service Vessel),该高压舱可容纳长6 m的试验管件[9]。
3.2 高压舱的结构形式及密封考虑到试验装置的空间使用率,高压舱采用大开口结构形式,其优点是能够最大限度地利用舱内的有效空间进行试验研究[10]。
由于采用了大开口结构,高压密封是一个技术难点。如果密封不好,压力场就无法建立,试验将无法进行。由于高压舱内径小于800 mm,使用压力低于32 MPa,温度低于200 ℃,故可采用强制密封形式,依靠拧紧主螺栓使顶盖、密封元件和筒体端部之间具有一定的密封比压,从而实现密封。在笔者的设计中配置了18个M64的主螺栓。
为保证密封效果,设计中采用材质为316L+石墨的齿形垫片。该垫片的密封效果优于金属平垫,一般用精密的车床在金属不锈钢平垫片的2面加工成同心的90°夹角波形的锯齿状沟槽,并用石墨粘贴在垫片的2面,利用软性覆盖层的密封性以及金属的强度和弹性好的优点,还兼有迷宫密封作用,从而保证密封效果。其结构如图 4所示。
3.3 数据采集及控制系统的设计
数据采集及控制系统设计采用多点测量和多区控制技术,连续监测和记录各项测量数据,从而在限定的试验条件下,确保保温材料性能测试的完整性。试验管件被分为3个测试段,其中中间段为主测试段,进行数据采集与处理;两端为辅助测试段,用于参考对比,对试验进行评价及调整。传感器的布置要参考试验管件的分区,并呈周向分布。各测试段相对独立,数据采集及温度控制分别进行。试验管件分区及传感器分布如图 5所示。
4 结 论
(1) 常压试验装置和高压试验装置各有优缺点,适用于不同的研究目的。但在研究深海环境下管道保温性能(传热特性和蠕变特性)中,水压是不可或缺的因素。为保证研究的准确性和科学性,在资金允许的条件下应该选择高压试验装置进行试验研究。
(2) 深海管道保温试验装置可实现自动控制,整个试验过程中可对试验环境信息进行数据采集并传输到控制系统进行反馈处理,同时可以实时进行试验数据(热流、温度和形变量等)的采集、保存和处理。
(3) 高压试验装置在设计时要妥善处理3个技术问题:试验管件端部效应的消除、试验装置的密封和数据采集及控制系统的设计。
(4) 通过FLUENT进行极端情况的模拟可得出,试验管件越长,受端部效应影响越小,试验数据测量越准确。在实验室空间及费用限制下,建议试验管件长度至少要有2 m。
(5) 深海管道保温性能试验装置可以对不同保温材料的性能进行测试对比,获得基础数据;可以测试保温管道内介质温度的降低情况,并得出安全停输时间,防止管道堵塞事故发生;可以实时测量保温材料的压缩蠕变特性,进而对保温材料的可靠性进行评价。
[1] | 田英辉. 单重保温海底管道理论分析及试验研究[D].天津:天津大学,2006. http://cn.bing.com/academic/profile?id=00fd3308996e11419026b3e624aaa39e&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn |
[2] | 高志涛, 代志双. 海洋输油管道保温技术研究进展[J]. 江苏船舶, 2015, 32(1): 25–27. |
[3] | DING K, ZHU H, KONG X, et al. A Real-time thermal test platform for underwater complex structures and heat transfer analysis[J]. International Journal of Online Engineering, 2013, 9(S2): 22–25. |
[4] | 杨显志.海底输油管道传热实验研究[D].大庆:大庆石油学院,2007. http://cn.bing.com/academic/profile?id=7f6d410857561b118f29fabe5b4432cc&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn |
[5] | PHAN V T, CHQUEUSE D, COGNARD J Y, et al. Experimental analysis and modelling of the long term thermo-mechanical behavior of glass/polypropylene syntactic used on thermally insulated offshore pipeline[J]. Progress in Organic Coatings, 2013, 76(2): 341–350. |
[6] | BOUCHONNEAU N, SAUVANT-MOYNOT V, CHOQUEUSE D, et al. Experimental testing and modelling of an industrial insulated pipeline for deep sea application[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2010, 73(1): 1–12. |
[7] | 刘海超, 吕喜军, 相政乐, 等. 海底单层保温管管端热缩防水帽开发试验研究[J]. 石油工程建设, 2012, 37(6): 12–14. |
[8] | 姚志广, 秦延龙, 赵开龙, 等. 深水高压舱典型实验实例研究[J]. 石油工程建设, 2011(增刊1): 14–16. |
[9] | HEYDRICH M.Innovations in testing of deep water insulation[C]//IOPF 2010-4004, Proceedings of 5th International Offshore Pipeline Forum,Oct.2010,Houston,Texas,USA,2010:1-5. |
[10] | 沈永春,万正权,蔡新钢.深海环境模拟试验装置的研制[C]//中国钢结构协会海洋钢结构分会2010年学术会议暨第六届理事会第三次会议论文集,2010:334-340. |