硅樹脂基復合泡沫在水下多相流量計保溫中的適用性分析*

胡曉明 王海兵 石 磊 潘艷芝 張大為 趙月前 曹 曼

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2. 海默科技(集團)股份有限公司 甘肅蘭州 730070)

水下多相流量計是水下油氣生產系統的重要組成部分，可實時在線測量水下油氣單井的油、氣、水產量[1-4]，對于油氣藏生產優化和流動安全保障具有重要意義。水下生產系統在整個生產周期內都可能面臨計劃或非計劃關斷。水下多相流量工作環境外部為高壓低溫海水，內部為高壓高溫流體。當臨時關井時，內外溫差會造成管道內部熱量持續散失，如果不采取保溫措施，內部流體的溫度急劇下降，可能導致原油結蠟或水合物生成，造成輸油管道堵塞，使后續作業風險提高。而水下多相流量計多含有節流件，若其內部出現結蠟或水合物等，將無法采用清管球進行清理。因此，基于油田開發方式、油田特性及油品參數等條件對水下多相流量計結構進行保溫設計，有利于提高其測量精度及整個設備的安全性、可靠性和使用壽命。

濕式保溫是目前主流的水下生產系統相關設備的保溫方式[5]，相應的濕式保溫材料也得到了很大開發和廣泛應用[6-8]。目前常用的水下設備及管道保溫的聚合物材料有擠壓聚丙烯、硫化橡膠、聚氨酯、環氧樹脂、復合泡沫塑料等，其中硅樹脂基復合泡沫是FMC公司于2002年開發的濕式保溫材料，具有密度低、耐高溫(溫度最高可達200余攝氏度)等特征[7]?！笆濉逼陂g，中國依托國家科技重大專項進行了復合聚氨酯原材料的研發[9]，并在水下管匯樣機進行了濕式保溫涂覆施工和海上測試[10]。為打破水下多相流量計長期被國外公司所壟斷的局面，中國在“十三五”期間開展了水下多相流量計的國產化研究[11-12]，并在流花油田實現了工程應用[13-14]。

本文依托水下多相流量計國產化研究項目，基于所研發的水下多相流量計的結構特點，建立了水下多相流量計保溫效果分析模型，針對硅樹脂基復合泡沫材料對水下多相流量計濕式保溫效果進行了仿真分析，并將保溫設計理論計算結果與相關規范進行了對比，進一步驗證了采用硅樹脂基復合泡沫作為水下多相流量計濕式保溫材料的適用性，最后論述了所研發的國產水下多相流量計的現場應用情況，為水下多相流量計的保溫設計提供了參考。

1 水下多相流量計及保溫材料

本文所研究的國產水下多相流量計主要結構包括源防護罩、本體(含保溫層)、溫壓傳感器、差壓傳感器、電子倉、電接頭等(圖 1)。

圖1 水下多相流量計整體結構Fig .1 Structure of subsea multiphase flow meter

水下多相流量計的電子倉內部元件有散熱要求，需與海水直接接觸散熱，故不能添加保溫涂層。另外，焊頸法蘭和源防護罩不與內部流體直接接觸，為了確保不會因為外部環境溫度降低直接導致內部工作流體溫度降低，因此將焊頸法蘭和源防護罩的側面加保溫涂層，而端面和緊固件部分不添加保溫涂層。因此，水下多相流量計的仿真分析及計算基于上述圖1黃色所示的涂層位置進行。

本文所依托的目標油氣田開發項目的保溫材料選用硅樹脂基復合泡沫，整個水下生產系統各設施的保溫層厚度為50.8 mm。為與其他水下設施保持一致，水下多相流量計保溫材料選用硅樹脂基復合泡沫，保溫層厚度也取50.8 mm。表1為水下多相流量計保溫設計中所涉及的各種材料的熱力學參數。

表1 水下多相流量計保溫設計材料熱力學參數Table 1 Thermodynamic parameters of materials used for insulation design of subsea multiphase flow meter

2 保溫效果仿真分析

2.1 仿真模型

為了反映停機后流量計內部介質溫度變化，選取水下多相流量計為分析模型，同時在本體外表面、溫壓傳感器、源側防護罩和電子倉焊頸法蘭圓周面處添加保溫材料。流量計外部海水溫度為7.9 ℃，流速為0.45 m/s，其對應的熱對流系數為1.2×10-3W/(mm2·K)；內部流道介質最高溫度為110 ℃，最低溫度為77 ℃，為此按照介質溫度的最高值和最低值2種工況分別進行保溫效果的分析校核。形成水合物的臨界溫度為11 ℃，探頭適宜使用溫度應不超過70 ℃，最大關井時間為5 h。根據上述要求，建立水下多相流量計保溫效果分析模型(圖2a，標黃色部分為保溫區)，采用自由網格劃分方式得到其網格模型(圖2b)。

圖2 水下多相流量計保溫效果分析模型Fig .2 Model for thermal insulation effect analysis of subsea multiphase flow meter

2.2 介質最高溫度工況仿真分析

設置初始介質溫度為110 ℃，海水溫度為7.9 ℃，在水體的外表面施加熱對流參數1.2×10-3W/(mm2·K)。經過有限元分析，得到穩態下及停機5 h時水下多相流量計溫度場分布，分別如圖 3、4所示。

從圖3c可以看出，水下多相流量計在正常工作狀態下，探頭最高溫度為64.9 ℃，發生在探頭端部靠近本體側；從圖4c可以看出，在停機5 h時，流量計內部介質溫度最小值為57.7 ℃，高于水合物形成的臨界溫度(11 ℃)。可以看出，流量計外表面相應位置添加50.8 mm的硅樹脂基復合泡沫，在停機5 h內不會形成水合物，滿足設計要求；從圖4d可以看出，在停機5 h時，探頭最高溫度為56.1 ℃，在探頭最高允許使用溫度范圍內，滿足設計要求。

圖3 水下多相流量計穩態下的溫度場分布(高溫工況)Fig .3 Temperature field distribution of subsea multiphase flow meter in steady state(high temperature condition)

圖4 水下多相流量計停機5 h時整體溫度場分布(高溫工況)Fig .4 Temperature field distribution of subsea multiphase flow meter for 5 hours after shutdown(high temperature condition)

2.3 介質最低溫度工況仿真分析

設置初始介質溫度為77 ℃，海水溫度為7.9 ℃，在水體的外表面施加熱對流參數1.2×10-3W/(mm2·K)。經有限元分析，得到穩態下及停機5 h時的溫度場分布，分別如圖 5、6所示。

從圖5c可以看出，水下多相流量計在正常工作狀態下，探頭最高溫度為46.5 ℃，發生在探頭端部靠近本體側；從圖6c 可以看出，在停機5 h時，流量計內部介質溫度最小值為41.8 ℃，高于水合物形成的臨界溫度(11 ℃)。因此，流量計外表面相應位置添加50.8 mm的硅樹脂基復合泡沫，在停機5 h內不會形成水合物，滿足設計要求；從圖6d 可以看出，在停機5 h時，探頭最高溫度為40.7 ℃，在探頭最高允許使用溫度范圍內，滿足設計要求。

圖5 水下多相流量計穩態下的溫度場分布(低溫工況)Fig .5 Temperature field distribution of subsea multiphase flow meter insulation design in steady state(low temperature condition)

圖6 水下多相流量計停機5 h時溫度場分布(低溫工況)Fig .6 Overall temperature distribution of subsea multiphase flow meter for 5 hours after shutdown(low temperature condition)

3 保溫層厚度理論計算及分析

材料的導熱系數可通過傅立葉方程式計算，即

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Q為所傳遞的熱量，W；K為導熱系數，W/(m·K)；A為接觸面積，m2；ΔT為溫差，K；d為熱量傳遞距離，m；R為總熱阻值，(m2· K)/W。導熱系數作為材料本身的特性，同大小、形狀、厚度無關，只跟材料本身成分相關。

根據EN 673標準[15]，U值(評價材料在單位面積上允許熱量通過的能力，W/(m2·K))的計算式如下：

(3)

式(3)中：he、hi分別為外部、內部介質的導熱系數，W/(m2·K)；ht為總熱導率，W/(m2·K)，其計算式為

(4)

式(4)中：dj為材料層厚度， m；rj為各層材料的熱阻，(m·K)/W；M為材料層的數量，j表示材料所在層數，j=1，2，… ，M。

由于在水下環境中，流量計內、外導熱系數(he、hi分別為油和水)較大。因此，在水下多相流量計傳熱系數計算時，U值的計算式可簡化為

(5)

本文所研究的水下多相流量計本體材料為F51，導熱系數K=16 W/(m·K)，計算時取中部最薄處，外徑260 mm，內徑66 mm，可求得中部最薄處厚度d為97 mm。

由式(1)、(2)可得

(6)

將數據代入式(6)，可求得水下多相流量計本體總熱阻值R為0.006(m2·K)/W，將其代入式(5)即可求得流量計本體材料的U值為167 W/(m2·K)。

可以看出，金屬傳熱系數較大，同理傳感器殼體傳熱系數也很大，無法直接實現隔熱保溫效果，容易成為系統冷點。為避免水下多相流量計成為水下生產系統的冷點，須添加一定厚度的隔熱涂層。根據工程實踐經驗，要求水下多相流量計的U值不大于6 W/(m2·K)。

為驗證水下多相流量計保溫效果的仿真分析結果，進一步對50.8 mm厚度的硅樹脂基復合泡沫所對應的U值進行計算。添加涂層后，設R1為涂層熱阻，R為本體熱阻，d1表示硅樹脂基復合泡沫的涂層厚度(即50.8 mm)，已知硅樹脂基復合泡沫材料的K值為0.167 W/(m·K)，則根據式(6)得到涂層熱阻R1為0.304(m2·K)/W。由前所述本體熱阻R為0.006(m2·K)/W，則水下多相流量計涂層熱阻和本體熱阻之和R總=R1+R=0.310 (m2·K)/W。將其代入式(5)，即可求得添加50.8 mm厚度的硅樹脂基復合泡沫作為水下多相流量計的保溫層后，流量計對應的U值為3.26 W/(m2·K)，不高于6 W/(m2·K)，滿足水下多相流量計的保溫設計要求。

4 國產水下多相流量計現場應用情況

本文研制的國產水下多相流量計最終應用在流花21-2油田，與進口的水下多相流量計并聯安裝在水下管匯上進行倒井計量[14]?，F場按照上述保溫設計方案，選用50.8 mm厚度的硅樹脂基復合泡沫對水下多相流量計進行了保溫(圖7)。該設備已于2021年8月初完成投產調試，目前正在平穩運行中，測試結果與進口水下多相流量計很接近，其中液量誤差與客戶預期差距小于3%。

圖7 國產水下多相流量計現場安裝圖Fig .7 Site installation drawing of domestic subsea multiphase flow meter

5 結論

1) 以硅樹脂基復合泡沫作為水下多相流量計濕式保溫材料，其保溫涂層厚度選用水下生產系統常用的保溫層厚度(50.8 mm)，仿真分析結果表明：在內部流道介質最高溫度(110 ℃)和最低溫度(77 ℃)2種工況下，無論是穩態還是停機5 h的情況下，水下多相流量計內部介質溫度均高于水合物形成的臨界溫度，伽馬探頭處的最高溫度在允許范圍內，滿足設計要求。此外，通過理論計算，得出50.8 mm厚度的硅樹脂基復合泡沫材料對應的U值為3.26 W/(m2·K)，也滿足水下多相流量計U值不大于6 W/(m2·K)的設計要求。

2) 目前所研制的國產水下多相流量計在油田現場運行良好，也充分說明采用50.8mm厚度的硅樹脂基復合泡沫作為水下多相流量計濕式保溫材料的適用性。