油管隔熱層基礎結構對視導熱系數影響

衛棟，夏季秋

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710065；2.新疆油田分公司物資供應總公司，新疆克拉瑪依 834000）①

在稠油熱采［1－2］過程中，由于蒸汽與周邊開采環境存在溫度差異，而且蒸汽流動時還產生摩擦阻力，所以這一過程中必然有熱能的耗損。其中，井筒的熱能耗損對熱采產生很大影響。為了有效控制稠油熱采注入蒸汽時熱能的大量耗損，油田使用了隔熱油管。隔熱層的基礎結構對隔熱油管的阻熱性能有很大影響，本文對此進行研究，并提出改進措施。

1 隔熱油管結構

隔熱油管的結構如圖1所示。隔熱油管中選擇的管材以及隔熱層的材料都具有較低的導熱系數［3－4］。為了保證隔熱油管在高溫下的抗拉伸和蠕變性能，采用在管材成分中加入少量Cr、Si、Al等合金元素，或者在隔熱油管內外壁表面進行Cr、Si、Al合金化處理［5］。隔熱層則采用具有較高反射率的鋁箔紙和玻璃纖維復合材料層層纏繞，抽出空氣，加入惰性氣體，從而減少熱輻射。如圖2～3所示。

圖1 隔熱油管結構

圖2 隔熱油管隔熱層結構

圖3 玻璃纖維復合材料

2 隔熱油管視導熱系數

通常，隔熱油管的阻熱性能與其總熱阻R 成正比，總熱阻越大，隔熱性能越好。

式中：d為隔熱油管內管內徑；D為隔熱油管外管外徑；λ為隔熱油管視導熱系數。

對于相同尺寸的油管，式（1）中的D、d為常量，λ是直接影響隔熱油管阻熱性能的主要因素。因此，SY5324—1994標準將λ作為隔熱油管評級的主要指標。按其視導熱系數可分為5個等級，如表1所示。

相關資料［6］表明，隔熱層熱阻占隔熱油管總熱阻R的80%，所以研究隔熱層的基礎結構對λ的影響就顯得至關重要。

表1 按視導熱系數劃分隔熱油管性能等級

3 隔熱層基礎結構對視導熱系數影響

3.1 密實度

隔熱層隔熱材料相互纏繞的密實程度是阻熱性能的重要物理性質指標。一般用e 表示，e 越大隔熱材料相互之間纏繞越疏松；反之，越密實。隨著隔熱層氣體壓力的變化，密實度e的阻熱性能也隨之變化。在不同壓力下，隔熱層密實度與視導熱系數之間關系如圖4所示。

圖4 隔熱層密實度e與視導熱系數關系曲線

由圖4可以看出：

1）當p＜10000Pa時，隨著隔熱層密實度的增大，視導熱系數隨之減小，兩者呈負相關性。

2）當p＝10000Pa時，隨著隔熱層密實度增大，視導熱系數基本為平行直線，保持不變。兩者基本不相關。

3）當p＞10000Pa時，隨著隔熱層密實度的增大，視導熱系數隨之增大，兩者呈正相關性。

所以，在隔熱油管的制造過程中，宜使隔熱層各層相互之間密實度變大，即纏繞相對疏松，從而使視導熱系數減小，增加隔熱油管的阻熱性能。

3.2 真空度及殘余氣體

隔熱油管的真空度是指抽真空后，殘余氣體的稀薄程度。經過真空處理，隔熱油管的隔熱層能夠有效降低使用過程中的對流傳熱環節，從而提高隔熱性能。但是，隔熱油管在制造過程中會產生一些氣體，主要為水蒸汽、CO2、O2以及H2等。這些氣體對阻熱性能有較大影響，同時考慮到腐蝕的原因，還會降低隔熱油管的使用壽命。所以，在生產過程中，除了保證隔熱油管內表面光潔外，還要制定適宜的排氣流程，確定合理的除殘氣工藝。

隔熱層在抽真空的同時，還會注入惰性氣體，對于不同規格的隔熱油管，惰性氣體的壓力與視導熱系數之間關系如圖5所示。

圖5 隔熱層注入惰性氣體的壓力與視導熱系數關系曲線

由圖5可以看出：

1）p＜10Pa時，隨著惰性氣體壓力增大，視導熱系數隨之增大，兩者呈正相關性。

2）10Pa＜p＜40Pa時，隨著惰性氣體壓力的增大，視導熱系數隨之減小，而且減小趨勢明顯，兩者呈負相關性。

3）40Pa＜p＜50Pa 時，視導熱系數處于0.015～0.020，此時視導熱系數最小，變化趨勢平緩，阻熱性能最好。

4）當p＞50Pa時，隨著壓力的增大，視導熱系數隨之增大，兩者呈正相關性。

所以，在注入相同惰性氣體的情況下，惰性氣體壓力控制在40～50Pa為宜。

3.3 纏繞層數

隔熱層的纏繞層數對隔熱性能也有影響，但并非是纏繞層數越多，視導熱系數就越小，隔熱層的阻熱性能就越好。纏繞層數與與視導熱系數之間關系如圖6所示。

圖6 隔熱層纏繞層數與視導熱系數關系曲線

由圖6可以看出：

1）在不同壓力作用下，隔熱層纏繞層數與視導熱系數關系曲線基本一致。隔熱層纏繞層數與壓力變化不相關。

2）在相同壓力下，隔熱層纏繞層數為1層時，視導熱系數大幅下降。

3）在相同壓力下，隔熱層纏繞層數為2～4層時，視導熱系數下降趨勢變緩。

4）在相同壓力下，隔熱層纏繞層數為5～7層時，視導熱系數基本保持不變。

所以，隨著纏繞層數的增加，其對視導熱系數的影響越來越小?？紤]到纏繞層數增加的同時，成本也相應增加。基于此，隔熱層纏繞層數控制在5～7層時最為適宜。

3.4 鋁箔紙的反射率

鋁箔紙作為一種絕熱材料，對輻射能的吸收和發射率均較?。?］。發射率與反射率成反比，反射率越高的物質，吸收的熱量越少，放射的熱量越少。所以，選擇高反射率的鋁箔紙是保證隔熱層阻熱性能的重要環節。

鋁箔的反射率高低主要取決于它的表面狀態，與厚度關系不大。不同表面狀態的鋁箔的反射率差異很大，當表面狀態從粗糙變為平滑時，反射率從0.03變為0.08。

另外，鋁箔紙中鋁的純度與反射率密切相關。當鋁的純度不高時，會發生雜質散射而使其輻射吸收增加。要獲得隔熱性能較好的鋁箔紙，其鋁的純度應不低于99.6%。

4 結論

1）隔熱層的基礎結構對油管的隔熱性能有重要影響，本文分析了相關參數與視導熱系數的關系曲線。

2）為了提高隔熱油管的隔熱性能，隔熱層纏繞層數應控制在5～7層，各層相互之間纏繞應相對疏松；工廠應制定適宜的排氣流程，確定合理的除殘氣工藝；給隔熱層注入惰性氣體時，壓力控制在40～50Pa；應選擇高反射率的鋁箔紙。

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