保溫支架在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

趙立新（中國(guó)石油西北油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心）

1 概述

在油田生產(chǎn)各個(gè)系統(tǒng)輸送油、水、氣、蒸汽及其他各種介質(zhì)的過(guò)程中，地面管線是主要的生產(chǎn)設(shè)備。地面管線除了管線本身之外，其附屬的設(shè)備還有很多，包括支架、支墩和閥門等。無(wú)論設(shè)備保溫還是管道保溫，支架安裝都是第一道工序[1]。

支架是地面管線的重要支撐部件，起到支撐管線及保證管線穩(wěn)固的作用，通常分為固定式和活動(dòng)式，固定支架指管道與管托之間是固定的，不產(chǎn)生相對(duì)位移；滑動(dòng)支架則指管道與管托之間可以產(chǎn)生相對(duì)位移[2]。常用的主要有兩種，一種是鋼板焊制的鋼支座，一種是隔熱支架[3]。

管線支架通常為倒T字形鋼板結(jié)構(gòu)，固定支架的底板固定在地面的水泥支墩上，活動(dòng)支架的底板放置在水泥支墩的預(yù)埋鋼板上，支架的豎直鋼板（立板）焊接于管線上。

當(dāng)管線輸送高溫介質(zhì)時(shí)，管線的表面溫度很高，熱量會(huì)很快傳遞到與高溫管線連接的支架和地面支墩，由于支架存在熱橋效應(yīng)，至使其散熱損失嚴(yán)重[4]，因此支架的保溫隔熱效果對(duì)于減少管線總體散熱、降低管線能耗具有重要作用。

對(duì)于固定式支架，由于受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的限制，目前均采取與管線相同的保溫方式，基本可以滿足保溫設(shè)計(jì)要求。但對(duì)于活動(dòng)式支架，由于需要考慮熱脹冷縮導(dǎo)致的管線拉伸和移動(dòng)，所以無(wú)法像固定支架一樣，采取和管線相同的保溫方式，必須采取專門的保溫結(jié)構(gòu)或保溫方式。

2 現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8174—2008《設(shè)備及管道絕熱效果的測(cè)試與評(píng)價(jià)》中，對(duì)設(shè)備、管道及其附件的允許最大散熱損失有明確規(guī)定，具體要求見(jiàn)表1[5]。

如果管線的支架不進(jìn)行保溫，其散熱損失將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，即使在保溫的情況下，如果保溫結(jié)構(gòu)不合理，支架的散熱損失仍然會(huì)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，因此必須采用適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)保溫。實(shí)際生產(chǎn)中，相近測(cè)試條件下，不同保溫狀態(tài)管線支架的散熱損失情況見(jiàn)表2。

簡(jiǎn)單保溫的管線支架未采用保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅僅采用保溫材料包覆鋼制管線支架的外表面。從表2數(shù)據(jù)看，簡(jiǎn)單保溫的管線支架雖然相比未保溫的鋼制支架有著明顯的保溫效果，但還是不能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許的最大散熱損失要求。

隨著油田節(jié)能管理工作的不斷深入，原先不被重視的高溫管線支架散熱的問(wèn)題受到了關(guān)注，其隔熱保溫性能也列入了生產(chǎn)施工要求，促使各生產(chǎn)企業(yè)不斷開(kāi)發(fā)出新的高效保溫支架應(yīng)用于油田生產(chǎn)的高溫管線，由此也促進(jìn)了高溫管線用支架隔熱保溫技術(shù)的提高。

表1 常年運(yùn)行工況允許最大散熱損失

表2 不同保溫狀態(tài)管線支架的散熱損失對(duì)比

3 管線保溫支架的基本結(jié)構(gòu)

采用不同的保溫方式或保溫結(jié)構(gòu)，支架的保溫效果差別很大。從現(xiàn)有各類保溫支架產(chǎn)品的保溫隔熱原理看，主要分為三種類型。即：穿靴式、隔斷式、復(fù)合式。

穿靴式保溫支架的基本結(jié)構(gòu)原理是給活動(dòng)式支架“穿”上一個(gè)保溫靴。通過(guò)隔斷鋼制支架與環(huán)境和地面支墩的接觸，實(shí)現(xiàn)隔熱保溫的效果，該結(jié)構(gòu)同時(shí)還具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。保溫靴內(nèi)襯絕熱材料，外部是鋼制外套，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 穿靴式保溫支架原理

隔斷式保溫支架的基本結(jié)構(gòu)原理是將支架分割為上、中、下三個(gè)部分，上部可焊接管線，下部連接地面支墩，中間是高強(qiáng)度隔熱材料。上、下兩部分為鋼制結(jié)構(gòu)，分別通過(guò)螺栓或鉚釘與中間的高強(qiáng)度隔熱材料連接。這樣焊接于管線的上部鋼制部分與支撐于地面支墩的下部鋼制部分被完全隔斷。上部鋼制部分可以被管線的保溫結(jié)構(gòu)完全包覆，減少了散熱損失，中部的隔熱材料阻斷了上部鋼制部分的高溫繼續(xù)向下傳遞，因此下部的鋼制支撐部分的表面溫度和散熱損失都比較小，支架總體的散熱損失也比較小。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

復(fù)合式保溫支架的原理是將穿靴式和隔斷式兩種保溫支架的結(jié)構(gòu)整合起來(lái)，內(nèi)部采用隔斷式結(jié)構(gòu)，外部再包覆“保溫靴”。這種結(jié)構(gòu)可極大降低支架的表面溫度，減少散熱損失。

圖2 隔斷式保溫支架原理

幾種結(jié)構(gòu)的保溫支架各有所長(zhǎng)，也都有一些不足。穿靴式保溫支架整體結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固，可以較好承受管線位移帶來(lái)的徑向與橫向載荷，但其隔熱效果受內(nèi)部填充隔熱材料性能的影響較大，產(chǎn)品尺寸也比較大。隔斷式保溫支架的隔熱效果比較好，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，但其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受中部隔熱材料的影響較大，尤其對(duì)大管徑的管線，需要合理設(shè)計(jì)中部隔熱材料的結(jié)構(gòu)尺寸才能保證足夠的強(qiáng)度。復(fù)合式保溫支架的隔熱效果遠(yuǎn)好于穿靴式和隔斷式，但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本比較高。

4 各種保溫支架的效果對(duì)比

在油田各類高溫管線上，現(xiàn)在使用的保溫支架多種多樣，其基本原理不外乎以上的三種形式，但具體產(chǎn)品細(xì)節(jié)也不完全相同。比如有的穿靴式保溫支架屬于半穿靴，即僅對(duì)底板部分進(jìn)行穿靴保溫，而立板部分沒(méi)有保溫；隔斷式保溫支架三部分的連接，有的采用鋼板插入絕熱材料，有的采用鋼板外卡固定于絕熱材料。

不同的產(chǎn)品由于設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的不同、使用的材料不同，導(dǎo)致保溫隔熱的效果也不同，甚至差異比較大。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，保證相近的測(cè)試條件下，根據(jù)GB/T 17357—2008《設(shè)備及管道絕熱層表面熱損失現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定熱流計(jì)法和表面溫度法》中規(guī)定的方法[6]，實(shí)際測(cè)試的各種類型保溫支架散熱損失見(jiàn)表3。

表3 各類保溫支架的隔熱保溫效果

從表3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果看，復(fù)合式保溫支架的絕熱效果要遠(yuǎn)優(yōu)于單純的隔斷式和穿靴式保溫支架，支架本身的散熱損失僅為隔斷式的31.6%、穿靴式的14.4%。

5 保溫支架的經(jīng)濟(jì)效益分析

如果1 km管線需要設(shè)置100個(gè)活動(dòng)式支架，使用復(fù)合式保溫支架相比隔斷式、穿靴式、簡(jiǎn)單保溫及未保溫支架，每年可減少散熱損失1.6、4.7、14.5、235.6 t標(biāo)煤。如果供熱源是以天然氣為燃料，由此產(chǎn)生的節(jié)能效益約為1985元、5800元、18 000元、295 000元，見(jiàn)表4。

表4 管線支架不同保溫狀態(tài)下的能耗與經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

雖然不同的保溫支架由于結(jié)構(gòu)和材料不同，其生產(chǎn)成本也有所差別，但在油田生產(chǎn)中因采購(gòu)批量大，實(shí)際上生產(chǎn)單位可以利用買方市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)一控制采購(gòu)供貨的價(jià)格。因此在保證產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，可以盡量選用保溫效果更好的支架產(chǎn)品。

以某油田為例，進(jìn)入該油田使用的保溫支架，市場(chǎng)統(tǒng)一采購(gòu)價(jià)均為300元，根據(jù)復(fù)合式、隔斷式、穿靴式等三種保溫支架不同保溫效果計(jì)算的節(jié)能效益，與簡(jiǎn)單保溫情況相比，保溫支架的投資回收期分別為1.7年、1.9年、2.4年。

6 保溫支架的選用與評(píng)價(jià)指標(biāo)

保溫支架的結(jié)構(gòu)和材料決定了產(chǎn)品的性能，對(duì)于不同溫度和管徑的高溫管線，適用的產(chǎn)品也不相同。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，穿靴式保溫支架能夠應(yīng)用于油田生產(chǎn)現(xiàn)有主要規(guī)格的高溫管線，管線最高溫度可以達(dá)到450℃；受結(jié)構(gòu)及材料影響，隔斷式和復(fù)合式保溫支架最高管線溫度為300℃，最大應(yīng)用管徑為DN250 mm，見(jiàn)表5。

對(duì)于油田生產(chǎn)企業(yè)，總是希望最大限度降低高溫注汽管線及管線支架的散熱損失，但考慮到保溫支架生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際能力，從促進(jìn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和水平提升的角度出發(fā)，需要合理制定保溫支架的產(chǎn)品性能要求指標(biāo)，其中最關(guān)鍵的就是保溫支架的絕熱效果指標(biāo)。

表5 保溫支架最高使用溫度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試各種類型保溫支架散熱損失的結(jié)果數(shù)據(jù)，在綜合分析大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建議在管線溫度300℃條件下，不同管徑使用的保溫支架絕熱效果指標(biāo)如表6。

表6 環(huán)境溫度25℃下允許最大散熱損失值

7 結(jié)論

油田高溫管線用保溫支架有多種結(jié)構(gòu)形式，各種形式的保溫支架各有自身特點(diǎn)，適用于不同的工作環(huán)境。其中復(fù)合式保溫支架的節(jié)能效果最好。生產(chǎn)單位應(yīng)結(jié)合自身管線設(shè)備特點(diǎn)，優(yōu)選經(jīng)濟(jì)合理的保溫支架，達(dá)到節(jié)能增效的最佳效果。