GSPU保温管节点补口用红外加热装置的研制与应用

贾　振，孙建鑫，相政乐，赵　利，吕喜军，武占文，彭传伟中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津300452



GSPU保温管节点补口用红外加热装置的研制与应用

贾振，孙建鑫，相政乐，赵利，吕喜军，武占文，彭传伟
中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

摘要：针对深水玻璃微珠复合聚氨酯（GSPU）保温管的节点结构特点及加热要求，研制出了一套适用于GSPU保温管节点补口的红外辐射加热装置。在简要介绍了该加热装置设计的基本要求和GSPU保温管节点结构的基础上，较详细论述了加热装置的主体结构、附加结构的设计方案，并给出了加热装置结构设计的功率计算公式。在此基础上研制了一套加热装置并对其加热效果进行了测试，结果显示该装置可在4 min内将节点所需加热部位的温度加热至预定温度，且与传统加热方式相比节能61％，效率提高一倍以上，可满足GSPU保温管节点补口施工的加热要求。

关键词：GSPU保温管；节点补口；加热装置；红外辐射

玻璃微珠复合聚氨酯（GSPU）保温管在国外深水油气田中得到了广泛的应用，笔者所在公司对其已经进行了相应的国产化研究，其生产加工工艺已经比较成熟，单管性能完全能够满足深水输油管道的各项指标要求［1］。然而在GSPU保温管的节点补口方面，由于采用浇注型聚氨酯弹性体材料（CPU）来进行填充补口，填充层（CPU）与本体保温层（GSPU）之间存在界面粘接效果不理想，甚至出现界面开裂等问题，无法满足湿式聚氨酯保温管的海底安全运行要求，这在很大程度上限制了其推广应用。

大量的试验室模拟试验发现，在节点补口之前事先对GSPU主体涂层接触面进行有效的预热，提高界面反应能力和粘接活性，可以显著提高填充层与本体保温层之间的粘接力，从而避免界面粘接融合效果差，甚至出现界面开裂渗水等情况。

红外加热采用辐射方式进行传热，升温迅速，热效率高，节能环保，而且红外线具有一定的穿透力（材料内层分子骨架同时受激振动生热），能够实现深层热辐射，特别适用于GSPU这种导热系数小的保温材料在一定厚度内的有效加热［2- 3］。因而，为实现节点部位的快速、有效、均匀加热，开发了一套适用于GSPU保温管节点补口的红外辐射加热装置，在深水管道节点补口施工领域具有重要的工程应用价值。

1　节点补口红外加热装置设计

1.1基本设计要求

加热装置能够与GSPU保温管节点结构良好匹配，确保被加热面温升均匀；可实现快速加热，需在少于5 min时间内将节点管端加热至（80±5）℃，且要实现保温层一定深度范围内的同时升温，避免出现表层烧焦而内层温度不够的问题。

1.2GSPU保温管节点结构［4- 5］

深水GSPU保温管的节点即两管的连接部位，其结构见图1。

图1　GSPU保温管节点结构

1.3主体结构设计

以钢管直径219 mm，保温层厚度75 mm，斜面角度45°的节点作为加热对象进行红外加热装置的结构设计。图2所示为红外加热装置与节点被加热面的尺寸示意，其中红色部分为红外辐射加热装置，蓝色部分为主体GSPU涂层部位，黄色部分为需要加热的界面。由于管端斜面的存在，要保证被加热面受热均匀，加热装置的辐射面需与被加热面维持相同距离，即d1= d2，因此加热装置整体结构设计为圆台型。同时，考虑设备现场操作的便捷性，加热装置设计为合页固定式的两瓣开合结构，闭合处由搭扣锁定。

图2　红外加热装置与节点加热面尺寸示意

红外辐射加热装置的主体结构为异型不锈钢云母加热圈，该结构以1～2 mm厚度的不锈钢作为外壳，内嵌双层高绝缘型且耐高温的云母板进行绝缘，中间均匀绕以标准规格的镍铬合金电阻丝作为发热体。由于加热圈内的发热体为镍铬合金电阻丝，增强壳体又为不锈钢，二者均属于金属材料，红外辐射性能较差，为强化加热装置的辐射传热效果，需在距离被加热面最近的不锈钢内表面涂刷红外辐射涂料。通过辐射涂料对辐射传热过程进行强化，可以有效缩短加热时间，起到良好的节能效果，本设计拟采用以氧化锆作为热辐射功能填料的红外辐射涂料来提高红外辐射效率［6］。此外，为增加红外辐射效率，还需在复合加热层外表面布置一层经氧化处理过的铝板作为反射层。同时，为减少热量散失，提升加热效率，确保施工人员安全，整个装置的外表面需覆盖一层绝缘、耐高温保温层（一般选取3～5 cm厚的硅酸铝棉）。因此，装置结构组成由内至外分别为：红外辐射涂层、不锈钢内壳、复合加热层（云母层+加热丝层）、反射层、不锈钢外壳、保温层、保温层外壳，其结构见图3。

图3　加热装置各层截面示意

1.4附加结构

（1）连接结构。为方便安装和拆卸，结构主体设计为两瓣式开合结构，由合页实现连接。每半圆结构上设置搭扣和把手，方便操作人员安装、固定与拆卸加热装置。

（2）调整螺栓。考虑到钢管与保温层的同心度不一，为使加热装置对不同节点均具有良好的匹配效果，可在其边缘安装调整螺栓来提高实用性。

（3）绝缘插座。为便于运输、安装、拆卸及确保使用安全，应采用绝缘陶瓷即插式插座，且将插座集中布置于连接合页一侧。绝缘插座与合页间距应合理设计，以保证模具开启时接线端不相互碰触。

经初步设计后的单个加热装置整体结构见图4。

1.5加热装置结构设计的功率计算公式

对于不同管径的GSPU保温管而言，需要加热的节点结构具有相似性，为便于计算不同加热装置的设计功率，对该类节点补口用红外辐射加热装置的功率计算公式进行了分析和推导。

图4　红外辐射加热装置整体结构

对于GSPU节点来说，需要加热的面包括两部分（参考图2中所示的黄色部分），并且要求能加热一定的厚度（根据实际模拟试验测试，该厚度一般要求不小于10 mm）。设节点部位钢管外径为D1，GSPU保温层外径为D2，加热圆柱面长为L，加热深度为d，单位均为m，斜面角度定为45°固定不变，由于加热深度相对较小，可以近似认为是一薄层，则需加热的GSPU材料体积V近似为：

材料升温总共所需能量为：

式中：Q为材料升温所需能量，J；ρ为材料密度，kg/m3；V为材料体积，m3；Cp为比热容，J/（kg·K）；T0、T1为材料初始温度、加热目标温度，K。

红外辐射加热装置的电功率可按下式进行估算。

式中：P为加热装置电功率，kW；Q为材料升温所需能量，J；t为加热用时，min；η为加热装置的总效率；η1为装置辐射效率，一般取0.5～0.7；η2为面积利用率，指辐射器表面与被辐射面面积之比，经合理结构设计，可达0.9；η3为红外线吸收率，对于GSPU材料经验值取0.4～0.5。

本文以保温层外径372 mm、钢管外径219 mm 的GSPU保温管节点补口为例计算加热装置的功率。要求加热L = 100 mm长的圆柱面，加热厚度深至10 mm，在5 min之内由25℃加热至90℃，所用的GSPU材料的比热容为1 600 J/（kg·K），密度为1 160 kg/m3。将以上参数依次代入式（1）、（2）、

（3）进行计算，可得到单个加热装置的功率约为3.58 kW。由于每套设备包括两个加热装置，所以针对该GSPU管节点补口，每套装置设计加热功率应为8 kW。

1.6其他设计

（1）控制调节柜。可采用同常规红外加热设备类似的控制调节柜、集成电源开关、加热开关等，具有温度设定、温度显示、功率调整、过热报警等功能，实现外接电源的输入和加热元件电源的输出。

（2）温度传感器的选择。为保证温度传感器与测温表面的紧密接触，准确测量表面加热温度并及时反馈，设计采用了弹簧压紧式温度传感器。所用温度传感器主要参数为：测温范围0～250℃，测量精度±1℃。传感器导线采用抗干扰、耐高温传输导线，测温数据传输实时、快速、准确。导线有效长度不小于5 m，以使控制柜与加热装置维持一定安全距离。所设计的节点补口红外辐射加热装置使用示意见图5。

图5　节点补口红外加热设备使用示意

2　工艺试验测试与工程应用

使用所开发的红外辐射加热装置，在模拟节点上进行了现场工艺试验，对其实际加热效果进行了测试。图6为本项目制作完成的红外加热设备，图7为红外加热后的节点补口效果。

图6　红外加热设备实物

图7　红外加热后的补口效果

使用该装置对节点部位进行加热，距加热表面10 mm深处的温度随时间变化的曲线见图8，从图中可以看出，该处温度升至节点补口施工时所需的80℃，用时约为2.5 min。由于在具体施工过程中，加热完成后装置拆卸及准备下道工序所需时间约为3 min，这段时间加热完成的节点温度会发生一定程度的下降，为使在节点补口时温度维持在80℃，经多次试验得出设置目标温度为120℃时，3 min后节点温度可维持在80℃左右。从图8可以看出，即便节点部位需加热至120℃，用时也不会超过4 min。测试结果表明，按照本文所述设计方案加工制作的红外辐射加热设备能够完全符合节点补口时的加热要求。

图8　红外加热时10 mm深处的升温曲线

表1所示为对管道节点达到相同加热效果时，传统应用最多的热风加热装置（循环型工业热风机，功率调至10 kW）与该红外辐射加热装置的加热数据比较。从表1可以看出，将GSPU保温层同样加热至120℃时，采用红外装置仅需3.5 min，能耗约为0.46 kW·h，加热深度可达10 mm；而热风加热则需要7 min，能耗约为1.17 kW·h，加热深度却低于2 mm。在加热深度远大于热风加热的情况下，红外辐射加热用时缩短50％以上，能耗降幅更是达到了61％。因此，使用本设计开发的红外辐射加热设备对GSPU管节点进行加热不仅高效节能，而且解决了传统方式加热深度不足、表面温度易散失、加热活化效果不明显的问题，也即解决了节点位置保温层之间界面粘接的关键问题。

表1　热风加热与红外加热装置加热数据比较

3　结束语

开发的红外辐射加热设备可在4 min之内将10 mm深度处所需的加热部位加热至120℃，能够实现清洁、快速、均匀、深层加热，有效提升节点补口质量；同时，使用该设备对节点进行加热，比传统的热风加热方式提升施工效率50％以上，节能可达61％，在GSPU湿式保温管节点补口领域具有良好的工程应用前景。

参考文献

［1］张晓灵，杨家栋，吴文通，等.海洋管道湿式保温技术国产化研究［J］.中国海上油气，2014，26（1）：66- 69.

［2］张红磊，韩文礼.国外海洋管道防腐保温技术现状与发展趋势［J］.石油工程建设，2009，35（1）：26- 29.

［3］刘亮喜.远红外加热干燥技术在烘箱和烘道中的应用［J］.上海节能，1999，9（10）：15- 17.

［4］相政乐，蒋晓斌，张晓灵，等.海底保温管道技术发展概况［J］.国外油田工程，2010，26（10）：56- 59.

［5］孔瑞林，张晓灵，吴文通，等. GSPU深水湿式保温管节点填充工艺［J］.管道技术与设备，2014（6）：32- 34.

［6］欧阳德，赵修建，胡铁山.红外辐射涂料节能效果的试验研究［J］.工业炉，2001，23（2）：44- 46.

［7］范祖尧.现代机械设备设计手册（第三卷）非标准机械设备设计［M］.北京：机械工业出版社，1996：20 228- 20 230.

Development and Application of Infrared Heating Equipment Used in Field Joint Coating of GSPUThermal Insulation Pipes

JIAZhen，SUN Jianxin，XIANG Zhengle，ZHAO Li，LYE Xijun，WU Zhanwen，PENG Chuanwei
CNOOC Energy Technology &Service Pipe Engineering Co.，Tianjin 300452，China

Abstract：In accordance with the structural features and heating requirements of the field joint of glass microsphere syntactic polyurethane（GSPU）insulated deep water pipes，it is needed to develop an infrared radiation heating equipment applied to the field joint coating. In this paper，the structural design scheme and power calculation formula of the heating equipment are introduced. On this basis，a set of heating equipment is successfully developed and its heating efficiency is tested. The test result shows that this equipment can heat the required position to target temperature within 4 min.Moreover，this equipmentcansave 61％powerconsumptionanddouble the heatingefficiencycomparedwithtraditional heating methods，effectively satisfying the heating requirements for field joint coating of GSPU thermal insulation pipes.

Keywords：GSPU insulation pipe；field joint coating；heating equipment；infrared radiation

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.019

作者简介：

贾振（1983-），男，山东德州人，工程师，2009年毕业于中国石油大学（华东）有机合成专业，现从事海管防腐、保温、配重研发及产品质量控制工作。Email：sunjianxinjianji@163.com

收稿日期：2015- 11- 13