隔熱管外連型結構與直連型結構的熱損失差異

杜韌之

摘要：本文通過介紹一種新的隔熱管結構，即直連型隔熱管，其通過將焊縫無限接近來獲得全長保溫的效果。通過兩種結構多個測溫點的熱損失實驗分析，最終得出兩種結構的熱損失差異結論。

關鍵詞：隔熱管;結構差異;熱損

隔熱管是注蒸汽開采石油的重要設備，可以減少注蒸汽過程中的熱損失，提高注汽、采油效率，也能保護油井套管以及固井水泥環免受熱應力損害。

常見的隔熱管采用外連接形式，其主要由以下材料組成（見圖1）：1、外管;2、內管;3、隔熱材料;4、堵頭;5、接箍;6、接箍密封圈。

在管體部位，由于內、外管之間的真空腔中存在隔熱材料，熱蒸汽的熱量不易散失。然而，隔熱管在接箍處熱損失較大，通過前人實驗得出接箍與隔熱管外壁處存在長度約為0.5m的熱橋。

接箍區域的熱應力最大，經過多次蒸汽吞吐作業最易形成不安全區域。本來就容易在下井過程中被大鉗咬傷的接箍更加容易引起應力集中造成斷裂。同時，接箍散失的熱能及偏梯形螺紋泄漏的熱蒸汽會充滿油、套管環空，使套管柱產生很大的熱應力，加速管套的損壞。

本文提出一種新型的直連型結構方案，意在大幅度解決接箍位置對井筒熱損失所帶來的影響，同時分析比對二者注汽熱損失的差異。

1 直連型結構綜述

本文描述的直連型結構為內管直連，一其一端為公扣端，一端為母扣端。外螺紋端內管端部鐓粗車外螺紋，外螺紋端外管焊接在內管加厚區。內螺紋端內管端部鐓粗車內螺紋，內螺紋端外管端部擴口后焊接在內管端部。在作業現場實現公母扣嚙合形成直連。

這種連接結構，熱量只能通過焊縫從內管傳遞到外管，其他空間都有真空保溫層包覆。可以最大程度減小導熱面積，防止形成類似接箍的熱點，保證蒸汽熱量不易散失。

2 熱損失對比實驗

對2種結構隔熱管進行熱損失對比實驗。

管子就位后對其進行編號：

直連實驗1：普通E級隔熱隔熱管，放置于3號檢測工位。

直連實驗2：普通E級隔熱隔熱管，放置于4號檢測工位。

直連實驗3：E級直連型全長保溫隔熱管，放置于5號檢測工位。

直連實驗4：D級直連型全長保溫隔熱管，放置于6號檢測工位。

用加熱棒將管子內壁溫度加熱至350°C并保溫70分鐘，測量熱電偶對應的外壁溫度及周邊外壁溫度。

從左至右定義A1、A2、A3、A4為直連實驗1的四個周邊測溫點（如圖5）。以此類推定義后三個試驗管的周邊測溫點。

試驗管連接中心外壁溫度隨時間變化情況如圖6所示。

傳統隔熱管接箍處的熱損失占總體熱損失的比例可以通過下面公式來進行計算：

管體部分的熱損失：

其中U是指傳熱系數，對管體來說，由于進行了保溫處理，視導熱系數為0.002 W/（m.℃），管體的傳熱系數公式如下：

接箍處的熱損失：

對接箍來說，由于沒有進行保溫處理，因此導熱系數就是材料本身的導熱系數，為45 W/（m.℃），在測量熱損失的同時還要考慮對流換熱，因此傳熱系數的公式如下：

由于直連型全長保溫隔熱管在連接方式上由于沒有了接箍的存在，因此在連接處只有通過焊縫產生一部分熱損失，這部分熱損失的計算公式如下：

A1、B1、C1、D1溫度一開始差距不大，都是散熱較多的區域。C2、D2溫度非常高，其中C2甚至不亞于A2、B2。在直連型隔熱管各區域中，C2溫度遠大于連接中心溫度，D2溫度接近連接中心溫度，C3、D3小于連接中心溫度。橫向對比，直連型全長保溫隔熱管各區域溫度要低于普通隔熱油管。

C2、D2、與C3、D3雖然對稱在中心點左右兩側，但溫度差距明顯。位于焊縫處的C2、D2溫度比C3、D3高了40°C左右。C3、D3與C4、D4的溫度也遠小于A3、B3、與A4、B4。

3 結論

傳統隔熱管與直連型隔熱管的管體熱損失是一樣的;

直連型隔熱管連接處的熱損失只有傳統隔熱管接箍處熱損失的 5% -15% ;

內管直連型全長保溫隔熱油管螺紋連接處靠近過渡區的那一端、以及過渡區右側的原管區的溫度要遠遠小于普通隔熱管對應區域的溫度，隔熱優勢明顯。

參考文獻：

[1]提高隔熱油管技術壽命的有效設計[J]. 趙從楷.??石油機械.?1994（08）

[2]提高隔熱油管機械壽命的有效設計[J]. 趙從楷.??石油機械.?1994（09）

[3]內連接隔熱油管隔熱性能分析及應用[J]. 張杰，劉志龍，萬芬.??工業加熱.?2018（01）

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