极地平台管线的保温设计与传热分析

李宏伟  董迎恺  周鹏

（中国石油大学石油工程学院，山东青岛，266580）

摘  要：为研究极地海洋平台管道与周围环境的耦合传热，以某段燃油管道为研究对象，建立管道、保温层与周围环境的三维模型。首先对几种常用的绝热材料进行了对比，然后通过fluent软件对不同环境温度、不同风速、不同保温层厚度，以及不同管线布置情况下的管道进行了数值模拟，并与理论计算结果进行对比，比较了其对热量损失的影响。研究结果表明：风速大小对热量损失的作用不甚明显，而外界环境温度和保温层厚度对热量损失有着显著影响，管线布置也存在一定的影响。该结果对降低极地平台管道的热量损失提供了理论依据。

关键词：极地海洋平台  燃油管道   热量损失  耦合传热  保温防寒

中图分类号：P752            文献标识码： A         

Design of thermal insulation for pipes in polar platform

Li Hongwei  Dong Yingkai  Zhou Peng

（College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Abstract: To study the coupling heat transfer between the polar ocean platform pipeline and the surrounding environment, a certain fuel pipeline was taken as the research object in this paper, and a three-dimensional model of pipeline, insulation layer and surrounding environment was established. Firstly, some common thermal insulation materials was investigated, then, numerical stimulation was adopted to analysis the temperature filed around the pipeline with different ambient temperature, different wind speed, different insulation thickness, and different pipeline layout, and the effect on heat loss was analyzed. The results show that: the effect of wind speed is not obvious, and the ambient temperature and the thickness of the insulation layer has significant influence on the heat loss, the distribution of pipe also has certain influence on it. The result provides a theoretical basis for reducing heat loss in the polar platform pipelines.

Key words: fuel pipeline；heat loss；couple heat transfer；thermal insulation

1 引言

随着全球对能源的需求日益增长，现代科技的不断发展，全球石油与油气消费者的目光逐渐转向能源丰富的极地地区。2008年7月23日，据美国地质调查局（USGS）发布的《环北极资源评估报告》，北极地区石油储量占全球未开采石油的百分之十三，天然气资源占全球的百分之三十^[1-3]。尽管评估显示北极油气资源的储量相当可观^[1]，但是要对北极油气资源进行规模开发，则会遇到众多技术上的问题，其中平台设备的保温防寒设计就是一个关键性的问题。目前，对工艺管道保温的研究已有不少，胡卓焕等^[4]对LNG运输管道进行了耦合传热数值模拟，分析了环境温度、保温层厚度，Reynold数对管道热损失的影响，但计算中未考虑管道之间的布置对热损失的影响。魏玉满^[8]对提出了热管保温材料的选择和保温层经济厚度的计算方法，但未通过理论计算和数值模拟进行验证。刘承婷等^[10]对蒸汽管道保温材料进行了性能对比，模拟了不同环境因素、保温材料、保温层厚度对保温效果的影响。包臣等^[12]对管道保温层温度场进行了数值模拟，但空气与保温层外表面的对流换热是取定值计算的，未考虑风速对对流换热系数的影响。

结合工程实际工况建立了极地环境工作的燃油管道三维稳态传热模型。所设计的管道保温方式需保证能够应对-45的环境温度，且管道内介质温度高达300，使得燃油管道内部温度与环境温度之间存在着极大的温差，管道在工作期间与外界环境进行热量交换，造成极大的热量损失^[4]。在这一复杂的传热过程中，保温层的厚度变化会对传热过程产生很大的影响。

以平台某燃油管道为例，分析比较了不同环境温度、不同风速、不同保温层厚度以及不同管线布置情况对热量损失计算的影响，进一步分析实际工况下管道的耦合传热。最终，得出具备一定理论依据和科学依据的保温方案。

2 理论分析

2.1 保温材料的选取

保温绝热材料的取舍，既要考虑材料的性能是否满足设备或管道的运行工艺要求，也要考虑绝热工程造价和绝热施工工艺等诸方面因素^[5]。由于极地地区环境恶劣，气温很低，应考虑选用高效保温材料对高温管道进行保温。目前，常用的高温管道保温材料有微孔硅酸钙、超细玻璃棉、聚氨酯硬质泡沫塑料、聚苯乙烯硬质泡沫塑料、聚异氰脲酸酯等制品，以上几种保温材料采用稳态法测固体导热系数，实验装置如图1所示。

图1 稳态法测固体导热系数装置图

Fig.1 Steady-state method for measuring the thermal conductivity of solid

导热系数实验原理：单位时间内的传热速率，与物体的横截面积S和两个面A、B的温度差值成正比。即:

式中为待测样品的导热系数，；为待测样品的厚度，。

为了更加明确看出不同材料导热系数随温度的变化规律，测定了以上几种保温材料100~600时的导热系数，绘制出导热系数随温度的变化曲线，如图2所示。

图2 保温材料导热系数随温度变化关系曲线

Fig.2 The thermal conductivity of different thermal insulation materials varies with temperature

从图2中可以看出，超细玻璃棉在此温度区间导热系数相对于其它四种保温材料不稳定，导热系数随温度上升较快，而微孔硅酸钙、聚氨酯硬质泡沫塑料、聚苯乙烯硬质泡沫塑料、聚异氰脲酸酯热稳定性良好，且聚异氰脲酸酯导热系数最低，隔热性能最佳。因此，初步选取聚异氰脲酸酯（PIR）作为管道的保温材料。

2.2 管道保温层厚度的计算方法

由《工业设备及管道绝热工程设计规范》，确定保温层厚度通常有以下三种方法：（1）按允许保温层外表面散热值计算确定；（2）按控制表面温度计算确定；（3）按经济厚度法计算确定^[6]-[7]。

本文采用第一种方法计算，按允许表面散热值计算确定^[6]：

式中，和分别为保温层的外径和燃油管道的外径，；为保温层材料的导热系数，其数值随环境温度变化而变化，；和分别为外界环境温度和管道内部介质温度，；为保温层外表面所允许的最大热量损失，在管路的保温设计中，保温层的热流密度取规范GB50264-2013所规定的允许最大散热损失，；为保温层外表面与外界环境之间的对流换热系数，；为保温层厚度，。

在绝热工程设计时，为简化计算，选用以下经验公式计算自然对流和强制对流换热过程的综合换热系数^[6]-[7]：

单根敷设：

并排敷设：

式中，为环境风速，单位为。

得到保温层厚度后，需对管道的热损失值进行校核：

最大允许散热损失量如表1所示^[6]-[7]。

表1 最大允许散热损失量

Table 1 the allowable maximum heat loss

2.3 保温层厚度理论计算

首先以平台上某燃油管道为例，其内径为319,外径325，导热系数=54。管内介质温度为300（管道壁温近似取300），由表1可知允许的最大散热量为186，理论计算时环境温度取-30~-60区间计算；由CCS规范查得，平台作业工况设计风速36，自存工况设计风速51.5，理论计算时取此区间风速计算,计算结果如表2所示。燃油管道的传热模型如图3所示。

图 3  管道传热模型

Fig.3 Heat transfer model of pipeline

表 2  单根(并排)不同风速和不同环境温度情况下，保温层理论计算厚度

Table 2Theoretical calculation thickness of insulation layer under the different wind speed and the different ambient temperature for single (abreast) pipe

根据上述理论计算结果，选取保温层厚度85，表面热损失校核结果如表3所示。

表 3 单根（并排）不同风速和不同环境温度情况下，表面散热损失验算值

Table 3The heat loss of the check under the different wind speed and the different ambient temperature for single (abreast) pipe

风速/(m/s)	温度/(℃)
	-30	-35	-40	-45	-50	-55	-60
36	182.99 (181.89)	184.66 (183.55)	186.29 (185.17)	187.88 (186.77)	189.46 (188.33)	190.98 (189.85)	192.47 (191.35)
41	183.06 (182.00)	184.72 (183.66)	186.35 (185.28)	187.94 (186.88)	189.51 (188.44)	191.04 (189.97)	192.53 (191.46)
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