油田稠油注汽管线保温技术应用

赵立新（中国石油天然气集团公司西北油田节能监测中心）

1 概况

保温材料及保温技术广泛用于油田稠油生产系统、处理站加热设备及管线等领域，由于输送介质温度高，注汽管线常年运行且环境相对恶劣，采用不同保温材料及保温工艺，管线的散热损失相差甚至超过3倍；因此，选择合适的保温材料、不断提升和改进保温技术具有重要的现实意义。为此，新疆油田针对不同材料、保温工艺、使用年限的稠油注汽管线，开展保温状态测试和分析研究。根据大量详实的检测数据，对同种材料和工艺、不同使用年限的稠油注汽管线，以及不同材料、保温工艺的管线保温性能进行的对比分析，证实了采用纳米气凝胶毡与复合硅酸盐毡的复合保温结构在保温性能稳定性和长期运行经济性上具有明显优势。

2 保温技术应用分析

新疆油田已建稠油注汽管线1 000 km左右，在长期的生产实践中，保温材料及保温技术也在不断地改进和提升。稠油注汽管线保温从早期的岩棉、玻璃棉逐步过渡到复合硅酸盐瓦，又根据生产实际逐步转向复合硅酸盐浆料、复合硅酸盐管壳，直到保温性能优异的纳米气凝胶毡及其复合结构[1]。

2.1 保温材料对比

1）岩棉、玻璃棉。保温效果好，保温材料导热系数仅为0.03～0.04 W/(m·K)，但在长期使用过程中，容易出现粉化、脱落的问题，可能导致大范围的保温失效[2]。

2）复合硅酸盐瓦（膨胀珍珠岩瓦）。为避免岩棉、玻璃棉的粉化、脱落现象，新疆油田公司与保温产品生产企业合作，参考膨胀珍珠岩瓦制造工艺生产出复合硅酸盐瓦。该产品具有强度高、安装方便、成本低的优点，但也存在保温性能差，导热系数为0.065 W/(m·K)左右，长期使用后接缝处漏热严重、局部破损等问题。

3）复合硅酸盐浆料。与普通的复合硅酸盐涂料略有不同，其中添加了发泡成分，采用现场涂抹方式施工。虽然材料本身的导热系数仅为0.06 W/(m·K)左右，但是得益于施工方式的保证，具有结构紧密、长期使用漏热点少、综合保温效果好的优点。同时也受施工方式影响，导致该保温材料的施工周期长且受季节限制，单位成本较高。

4）复合硅酸盐管壳。保温效果较好，施工简便，但保温材料抗压性能不足，容易损坏，单位成本较高。

5）纳米气凝胶毡及其复合结构。采用纳米气凝胶毡与复合硅酸盐毡的复合保温结构，底层采用纳米气凝胶毡，外层覆盖一层或多层复合硅酸盐毡，既充分利用了纳米气凝胶毡高温导热系数极低的优势，又合理降低了单位建设成本，综合保温效果好。

2.2 应用效果

注汽管线常年运行，运行环境相对恶劣，全油田稠油注汽管线的年散热损失热量超过15×104t标煤，采用不同保温材料及保温工艺，管线的散热损失相差甚至超过3倍。

为优选经济合理的保温技术，新疆油田公司开展了稠油注汽管线散热损失的测试分析与研究。本次测试选取具有代表性的稠油注汽管线17 条，测试、研究不同材料和工艺在相同使用年限情况下的注汽管线保温性能对比，研究相同材料和工艺在不同使用年限情况下的注汽管线保温性能变化，分析其保温性能的变化规律。其中，包括双层复合硅酸盐瓦管线6条（600 km）、复合硅酸盐浆料管线6条（104.7 km）、纳米气凝胶+复合硅酸盐毡管线5 条（75.4 km）。17条注汽管线基本情况见表1。

2.2.1 分析方法

对保温技术的应用效果的分析主要依据稠油注汽管线散热损失的测试结果，通过对比不同保温技术的注汽管线散热损失的大小评价各类技术的保温水平。

1）用热像仪对选取的管段拍摄热像图，通过观察注汽管线的漏热情况定性分析其保温状况，注汽管线的散热损失测试示意图见图1。

2）依据GB/T 17357—2008《设备及管道绝热层表面热损失现场测定热流计法和表面温度法》，测试注汽管线的散热损失。在注汽管线的直管段上，每间隔10 m 选取一个保温测点，同时就近选取一个弯头测点，采用表面温度计法对选取的管线、弯头进行散热测试。测试期间同时对管线周围的环境温度、风速进行测试。

图1 注汽管线的散热损失测试示意图

2.2.2 红外热成像定性分析

1）双层复合硅酸盐瓦。通过对双层复合硅酸盐瓦直管段和弯头进行红外图像的观察与分析（图2、图3），结果如下：对直管段采用双层复合硅酸盐瓦保温，对弯头采用复合硅酸盐毡包裹保温，防护层使用镀锌铁皮；管段局部保温材料出现破损，保温瓦接缝温度偏高，造成局部高温（125.6 ℃），在10 m 直管段上最多出现14 个漏热点；部分弯头和直管连接处温度偏高（110.5 ℃），热漏损失较大；直管段散热损失约占管线总损失的74%，弯头散热损失约占管线总损失的26%[3]（每5～8 m 直管配合一个弯头）。

图2 双层复合硅酸盐瓦直管段

表1 17条注汽管线基本情况

图3 双层复合硅酸盐瓦弯头

2）复合硅酸盐浆料。通过对复合硅酸盐浆料直管段和弯头进行红外图像的观察与分析（图4、图5），结果如下：注汽管线直管段和弯头采用复合硅酸盐浆料（NT-2）保温，防护层使用镀锌铁皮；直管段保温结构比较均匀，最高温度达17.1 ℃（2010年），未出现漏热点；弯头部分保温结构比较均匀，最高温度达19.6 ℃（2009 年）；直管段散热损失约占管线总损失的79%，弯头散热损失约占管线总损失的21%。

图4 复合硅酸盐浆料直管段

图5 复合硅酸盐浆料弯头

3）纳米气凝胶。通过对纳米气凝胶直管段和弯头进行红外图像的观察与分析（图6、图7），结果如下：对直管段和弯头采用双层纳米气凝胶外层包裹复合硅酸盐毡保温，防护层使用镀锌铁皮；直管段保温结构比较均匀，最高温度达25.1 ℃（2009年），未出现漏热点；弯头部分保温结构比较均匀，最高温度达32.0 ℃（2009 年）；直管段散热损失约占管线总损失的72%，弯头散热损失约占管线总损失的28%。

图6 纳米气凝胶直管段

图7 纳米气凝胶弯头

2.2.3 散热损失分析

通过实际测试注汽管线表面温度、环境温度、风速等数据，依据GB/T 17357—2008 计算出17 条注汽管线散热损失测试结果见表2。

1）保温效果变化规律数据。由表2 可知，双层硅酸盐瓦保温的平均散热损失为145.4 W/m，复合硅酸盐浆料保温的平均散热损失为86.3 W/m，纳米气凝胶保温的平均散热损失为86.0 W/m。

双层复合硅酸盐瓦保温的散热损失较大，且管线接缝处漏热严重。纳米气凝胶和复合硅酸盐浆料的保温效果相对较好，二者散热损失均小于双层硅酸盐瓦散热损失[4]。

通过对比三种保温材料的散热损失和管线状态，结果如下：保温材料和结构是注汽管线保温效果的主要影响因素，施工质量同样重要；保温材料随着时间增长，保温效果有不同程度衰减，平均年散热损失增加比率为：双层复合硅酸盐瓦4.6%，复合硅酸盐浆料2.3%，纳米气凝胶2.5%。不同使用年限的注汽管线保温性能变化见图8。

表2 17条注汽管线散热损失测试结果

图8 不同使用年限的注汽管线保温性能变化

2）散热经济损失对比数据。根据不同保温材料的结构及散热损失，注汽管线散热经济损失测算见表3。

由表3可知，双层复合硅酸盐瓦单位管线长度的散热及经济损失比纳米气凝胶或复合硅酸盐浆料约多60%。

3）保温经济性对比数据。根据不同保温技术的造价及每年的散热经济损失，可以得出注汽管线在使用年限内累计的经济损失测算见表4。

由表4可知：采用纳米气凝胶和复合硅酸盐浆料的管线造价略高于双层复合硅酸盐瓦，最大造价差值为14.7 万元/km；注汽管线运行6 年后，双层复合硅酸盐瓦管线运行的总经济损失比纳米气凝胶管线约多41 万元/km，并且由于使用年限增加，材料性能不断下降，保温结构也会发生损坏等问题，经济损失的差值实际上会越来越大。

综上所述，注汽管线保温的建设和运行维护成本，决定了注汽管线长期运行的经济性，不同保温材料和结构及使用年限对保温效果的影响具有一定的规律性。

4）复合硅酸盐管壳与纳米气凝胶对比。复合硅酸盐管壳用于注汽管线保温是近期开始的试验项目。为验证其保温效果，在同一条注汽管线上选取了四段，同时敷设造价相近的纳米气凝胶与复合硅酸盐毡的复合保温结构，以及多层复合硅酸盐毡保温结构，通过实际测试两种保温结构的散热损失来评价其保温效果。复合硅酸盐管壳与纳米气凝胶复合结构散热损失测算见表5。

表3 注汽管线散热经济损失测算

表4 注汽管线使用年限内累计经济损失测算

表5 复合硅酸盐管壳与纳米气凝胶复合结构散热损失测算

从表5可以看出，在造价相同的条件下，纳米气凝胶复合保温结构的平均管道线热流密度为64.3 W/m2，复合硅酸盐管壳保温结构的平均管道线热流密度为78.3 W/m2，高出纳米气凝胶复合保温结构17.9%，纳米气凝胶复合保温结构的保温效果明显优于复合硅酸盐管壳保温结构[5]。

3 结论和认识

通过对岩棉玻璃棉、复合硅酸盐瓦、复合硅酸盐浆料、复合硅酸盐管壳、纳米气凝胶毡及其复合结构等保温技术的对比分析，由于材料特性及保温效果的原因，在今后稠油注汽管线保温技术的选择上，基本可以排除岩棉玻璃棉及复合硅酸盐瓦两种保温技术；从长期投资的经济效益考虑，推荐采用纳米气凝胶复合保温结构，对异形管段或管道附件，也可以采用复合硅酸盐浆料的保温技术。

在进行注汽管线保温设计时，应注重优化保温结构，规范并严格执行管线保温材料的技术标准，加强对保温施工的监督监管，规范施工方法，提高管线保温结构的施工质量和寿命，从多方面改进和调高注汽管线的保温效果，减少散热经济损失。