礦物絕緣電伴熱在海洋石油工程中的應用設計

李 震， 張 昊， 朱海峰， 薛 松， 劉 茜

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

礦物絕緣電伴熱在海洋石油工程中的應用設計

李 震， 張 昊， 朱海峰， 薛 松， 劉 茜

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

目前在海洋工程領域通常使用的電伴熱產品對在要求高功率輸出和適應極端惡劣工況環境方面還有不足，而礦物絕緣(MI)電伴熱在尼克森油砂項目中廣泛應用，在-40℃的極端低溫和高腐蝕性環境中發揮了其優異的性能，為要求高功率輸出和適應極端惡劣工況環境的海洋工程領域的電伴熱的應用提供了思路。研究了MI電伴熱在海洋石油工程中應用的可行性，從主要產品的類型特點、工作原理、使用范圍、選型設計、安裝應用等方面做了簡單介紹。

海洋石油工程；礦物絕緣(MI)電伴熱；產品分類；工作原理；應用設計

0 引 言

電伴熱作為一種有效的管道保溫及防凍方案在石油、石化、化工等行業中一直廣泛應用。隨著海工業務的拓展，電伴熱的應用工況變得復雜，亟需能夠適應極端工作條件，具有耐腐蝕、高功率輸出等優點的電伴熱產品。礦物絕緣(MI)電伴熱在尼克森油砂項目中能夠在極端低溫環境中發揮其高功率輸出的性能，較好地解決了普通伴熱產品在極端惡劣環境中輸出功率不足，適應性差的問題。本文從MI電伴熱的性能、主要產品、與傳統伴熱的比較等方面分析，以研究它在極端溫度、高腐蝕等惡劣環境中的特性，以此研究其在具有極端溫度、潮濕、高腐蝕工況的海洋工程領域的應用的可行性。

1 電伴熱介紹

一般來說，在海洋工程領域，電伴熱指的是電伴熱系統，它包括電伴熱帶、電源盒以及三通、兩通、尾端等各種附件。

1.1 電伴熱帶的結構和工作原理

電伴熱帶產品就伴熱類型可以分為自限溫式和恒功率式兩種。

單項恒功率式電伴熱帶輸出功率恒定，單位長度發熱量是定值，不隨外界環境溫度變化，通常需要安裝溫控器來控制伴熱帶的維持溫度。因此單相恒功率式電伴熱帶適合溫度控制十分嚴格和需要高功率輸出的場合。單相恒功率式伴熱帶啟動電流小，運行過程中基本沒有功率衰減。

單相自限式伴熱帶有導電塑料、兩根母線和一層絕緣層。單相自限式伴熱帶的導電塑料隨外界環境溫度變化其電阻率會改變。當環境溫度變冷時，導電塑料內微分子收縮，使碳粒連接成電路，從而加熱伴熱線，使伴熱線輸出功率提高；當溫度升高時，導電塑料產生的微分子迅速膨脹，使碳粒漸漸分開，電阻升高，輸出功率降低[1]。

1.2 電伴熱的優點

與使用電加熱器、蒸汽伴熱等保溫方式比較，電伴熱具有以下有優點[2]： 發熱均勻，溫度控制精確；能夠實現遠程控制，自動化管理；伴熱效率高，節約能源；可靠性好，有防爆劑全天候工作能力，使用壽命長；節省鋼材，降低設計、施工、維修費用。

2 MI電伴熱帶簡介

MI電伴熱帶是一種應用于需要高功率輸出、高暴露溫度或高耐環境腐蝕能力的伴熱帶，為工業防凍和工藝溫度維持提供了解決方案。MI電伴熱帶可以提供269W/m的輸出功率，將溫度維持在550℃，伴熱帶的最高暴露溫度可以達到650℃，這些都是傳統電伴熱比較難做到的。

MI電伴熱帶結構簡單，由發熱導線、絕緣材料和金屬護套組成，如圖1所示。

圖1 MI電伴熱帶基本結構Fig.1 Basic structure of MI electric heating cable

根據不同的工況和阻燃、防爆、危險區域等級等需求，不同種類的MI電伴熱帶使用不同的發熱導線和金屬護套。使用的發熱導線材料有銅和鎳鎘合金，電纜護套材料有銅、321不銹鋼、合金825等，有些伴熱帶如HCH和HCC還在金屬護套外加一層高密度聚乙烯(HDPE)或FEP防腐蝕護套。HDPE防腐蝕護套可以在80℃時提供保護，FEP防腐蝕護套耐熱溫度可以達到200℃。

MI電伴熱帶是一種恒功率輸出的電伴熱帶，具有恒功率式電伴熱產品的特點。輸出功率恒定，單位長度發熱量恒定，它適用于溫度要求非常嚴格的場所。因此，MI伴熱帶回路應配有溫控器監控其溫度，當溫度過高時會切斷電路。它的啟動電流比較小，在運行過程中基本上無功率衰減。

MI伴熱線特性： 耐腐蝕型、高性能輸出、高機械強度、安全耐火。

3 MI伴熱線的設計選型

3.1 MI電伴熱產品選型原則

(1) MI電伴熱帶屬于恒功率式伴熱帶，輸出功率不隨外界環境變化而改變，因此伴熱帶不允許交叉，以避免管線局部過熱而引起的絕緣層損壞和管線內石油受熱不均。

(2) 為了避免交叉，MI電伴熱帶應該盡量選擇用于長距離直管伴熱。

3.2 伴熱線設計所需要的條件

MI電伴熱設計需要的通用參數： 最低環境溫度；環境條件，如酸、堿、鹽、霧等腐蝕條件；爆炸性危險區域，如采用NEC或IEC分類方式；接線盒、溫控器等附件的防護等級。

與管線相關的參數包括： 管線號；介質；管徑；保溫材料及保溫層厚度；管線長度；管線上散熱件的數量，如閥門、法蘭、管線支架、過濾器、泵等。設計時應考慮裕量，安裝時多纏一些以彌補這部分散熱損失。

溫度要求： 管線的維持溫度、暴露溫度、設計溫度。由于MI(礦物絕緣)伴熱帶使用溫控器進行溫度控制，為避免溫控器頻繁啟停時影響正常的工作溫度，維持溫度的設定和溫控器的安裝位置很重要。

維持溫度要根據不同介質的要求設計。對于原油等凝點較高的介質，伴熱帶的目的是防凝。假設管線的操作溫度是70℃，原油凝點為35℃。設計時如果維持溫度高于70℃，會導致連續加熱，從而造成浪費；如果設計維持溫度為70℃左右，則可能因為溫度波動而頻繁起停；因此比較好的選擇是按照“凝點+溫控精度(5℃)+裕量(5℃)”的原則來設計。對于水等介質，伴熱帶的目的是防凍，因此只要將維持溫度設計在高于冰點10℃以上就可以。對于一些特殊的環境，伴熱帶的目的是保證操作條件穩定，比如防止氣體在運輸過程中發生冷凝，維持溫度的設定值要高于操作溫度5℃左右。

3.3 MI伴熱產品的選型計算

3.3.1熱損失計算

電伴熱的目的是彌補設備的散熱損耗，因此選擇電伴熱產品時首先要進行熱損失計算。熱損失計算有三種方式。第一種是使用通用公式進行計算。管道熱損失計算的簡化公式為[3]

(1)

式中：q為單位長度熱損失；Tp為要求的維持溫度；Ta為最低設計環境溫度；D2為管外徑(包含保溫層)；D1為管內徑；k為導熱系數。上面的簡化公式依據是BS 6351—1983,但是準確性不高，只能做粗略估計。

第二種方式是根據廠家提供的熱損失表，根據管徑、溫差、保溫層厚度等查表獲得。

第三種方式是直接用廠家給的選型軟件進行計算。

無論采用哪種計算方式，一般計算值要乘1.1～1.2的安全系數作為電伴熱需要彌補的熱損失。

3.3.2產品選型

MI伴熱產品選型要考慮維持溫度、維持溫度下的輸出功率以及護套最高耐受溫度。簡單的原則是在一定護套最高耐受溫度下維持所需的維持溫度時的發熱功率不低于熱損失，同時要考慮該工況下的耐熱性能和耐腐蝕性能。

3.4 電伴熱計算書

MI電伴熱的計算書由三部分組成： 設計條件，即前面提到的設計參數；伴熱設計，包括伴熱帶的型號、長度、在要求溫度下的輸出功率、啟動電流、工作電流、操作功率、工作電壓等；回路編號，表示伴熱線所在的配電柜的編號和回路編號。

4 MI伴熱產品的設計配置

一個MI電伴熱系統包括伴熱帶、接線盒、溫控器以及各種附件。根據伴熱線與接線箱的接線方式不同，MI電伴熱系統有四種安裝形式。以合金825系列電伴熱產品為例，四種設計形式如圖2所示。

MI電伴熱線設計形式線芯數配置A單芯(61系列)B單芯(61系列)D雙芯(32，62系列)E雙芯(32，62系列)

圖2 MI電伴熱線設計配置

Fig.2 Configuration of MI electric heating cable

伴熱線組件是一套廠家提供的完整組件，由互相連接的一段發熱區和非發熱區(冷端線)組成，預先進行端接，適合通過1個NPT-螺紋連接件接入接線盒。

5 MI電伴熱的應用與展望

5.1 MI電伴熱目前應用實例

由于MI電伴熱帶具有高功率輸出以及耐高溫等特點，目前MI伴熱主要應用在極端低溫需要高功率輸出以及操作溫度高需要耐高溫的陸地環境中。

在尼克森油砂項目中，環境溫度可以達到-45℃，而各系統的操作溫度和設計溫度遠高于環境溫度，如表1所示。

表1 尼克森油砂項目中部分管線的溫度設置

在表1中，環境溫度指的是管線長時間暴露所在的外在環境的溫度；運行溫度指設備正常運行時管線中介質的溫度；維持溫度指需要通過伴熱保持的管線的溫度；設計溫度指管線內的介質短時間能夠達到的最高溫度。例如對于管線29102ET-P1423-01來說，所選取的伴熱產品既要滿足大于56.5W/m的功率輸出，又要承受294℃的高溫。MI伴熱可以提供269W/m的輸出功率，最高暴露溫度達到650℃，完全可以滿足需要，然而普通的自限溫式的伴熱滿足不了如此高的輸出功率要求。

由于MI電伴熱帶具有伴熱溫度高、發熱量大、發熱效率高、發熱均勻、易于自動控制的優點，在一些陸地項目中，使用MI電伴熱帶全線等溫預熱管線，能夠解決低溫黏油管線的“冷油頭”問題，能夠大量減小能耗，提高伴熱效率[4]。

此外，MI電伴熱帶使用合金電纜護層，中間是緊密的氧化鎂絕緣層，內層是固體合金或銅導線，這種高含量的鎳鉻合金非常適合高溫條件[5]。所以對于操作介質溫度較高(200℃以上)的管線伴熱，一般也使用MI電伴熱帶進行伴熱。

5.2 MI電伴熱帶在海洋工程中的應用展望

在我國渤海、東海、南海的海洋石油平臺上，現有的伴熱形式大部分為自限溫式伴熱。但是自限溫式電伴熱帶并不能夠適應所有的工況條件，伴熱帶的選用必須結合當地的工況環境和溫度條件，如圖3所示。

圖3 伴熱類型選擇流程Fig.3 Process of selecting electric heating type

目前，隨著海工業務范圍的擴大，一些海洋工程項目例如亞馬爾LNG項目也大量使用了MI電伴熱帶，以適應北極的低溫環境。

就防腐蝕方面來說，在平臺設計和建造過程中電伴熱帶的防腐蝕性能研究較少。一般來說，無論是自限溫式電伴熱帶還是MI電伴熱帶的伴熱線芯都不會與管線直接接觸，同時管線和伴熱外有保溫層和防水層(見圖4)，避免了電伴熱帶與外界環境直接接觸，所以很少出現電伴熱帶腐蝕現象。然而在一些陸地項目中使用的集膚效應伴熱會在伴熱管與管線的焊接處出現腐蝕[6]。此外有些MI(礦物絕緣)電伴熱帶還帶有高密度聚乙烯等耐高溫的防腐蝕護套，所以在即便是在潮濕、高鹽的海洋石油平臺環境中，MI(礦物絕緣)電伴熱帶也不會被腐蝕。

圖4 MI伴熱系統基本組成Fig.4 Basic composition of MI heat tracing system

6 結 語

MI電伴熱帶具有高功率輸出、耐高溫、耐腐蝕、發熱均勻等良好性能，能夠在極低的環境溫度以及極高操作溫度條件下穩定工作。在一些陸地項目中，MI電伴熱成功解決了低溫下黏稠介質管線保溫、極低溫度下高功率輸出以及高溫介質管線伴熱等問題，并取得了良好的效果。

雖然目前在國內的海洋石油平臺中并沒有大量使用MI電伴熱，但是MI電伴熱確實可以作為一種備選以應對特殊的工況要求。隨著國內海工業務的擴張以及LNG業務的增加，海工項目業務范圍已經不止局限于海洋石油平臺的設計、建造、安裝，也不會只局限于目前中低緯度海域開發。可以預見MI電伴熱將會在合適的條件下發揮它的作用，來彌補常用的自限溫式電伴熱的不足。

[1] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程電氣、儀控、通信設計(第三冊)[M].北京： 石油工業出版社,2007： 289-290.

Guidelines for Offshore Oil Engineering Design Editorial Committee. Electrical, instrument control and communication design foroffshore oil engineering (Volume Ⅲ) [M]. Beijing： Petroleum Industry Press, 2007： 289-290.

[2] 郭宏，李艷.海洋工程中電伴熱的選型及應用[J].中國海洋平臺，2002,17(3)： 36.

Guo Hong, Li Yan. The choosing type and application for the electrical heat tracing system in offshore [J]. China Offshore Platform, 2002,17(3)： 36.

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Liu Zhi-wei, Guo Jian-hui. Design of electric heat tracing in international project [J]. Science and Technology Innovation Herald, 2009(2)： 119.

[4] 趙曉剛，周毅，趙健宇.輸油管道MI電伴熱優化設計與應用[J].油氣儲運，2016，35(8)： 833.

Zhao Xiao-gang, Zhou Yi, Zhao Jian-yu. Optimal design and application of MI electrical heat tracing in oil pipeline [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2016,35(8)： 833.

[5] 楊育紅，岳偉挺.熱工儀表與管道的電伴熱保溫系統的應用[J].水利電力機械，2007，29(12)： 15.

Yang Yu-hong, Yue Wei-ting. Application of electric tracer heating system in instrument and metrical pipelines [J]. Water Conservancy & Electric Power Machinery, 2007,29(12)： 15.

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Wang Yu-fu, Wang Hong, Ma Xiang-li, et al. Local corrosion of skin electric current tracing pipeline [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2011,24(2)： 73.

ApplicationDesignofMineralInsulatedElectricHeatTracinginOffshoreOilEngineering

LIZhen,ZHANGHao,ZHUHai-feng,XUESong,LIUXi

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Nowadays, normal electric heating tracing in offshore oil engineering cannot provide high power and adapt to extreme hostile working conditions. Mineral insulated (MI) electric heat tracing shows its good performance confronting -40℃ extremely low temperature and high corrosive working condition in Nexen Oil Project. It provides a new idea for electrical heating tracing in offshore oil engineering which requires providing high power and resisting extreme hostile working condition. We study the feasibility of application of MI electric heat tracing in offshore oil engineering and introduce the typical characteristics including main products, working principle, application areas, selection of design, and installation and application.

offshore oil engineering; mineral insulated (MI) electric heat tracing; product classification; working principle; application design

2017-05-02

李震(1990—)，男，學士，助理工程師，主要從事海洋石油工程方面的研究。

P751

A

2095-7297(2017)03-0145-05