国外深水单层保温管道应用现状

雷震名 徐志辉 郑羽 刘伟 崔少敏 王国强 苑健康

【摘要】随着海上深水油田的不断开发，深水单层保温管道技术具有越来越重要的地位。本文对国外深水单层保温管道的保温结构进行了研究，对适用于深水条件的保温材料应该具有的特性进行了分析，并对常用深水保温材料的性能进行了对比。本文还结合实际工程对深水单层保温管道从设计到安装到运行时实际工作状态确定的整个过程进行了描述。

【关键词】单层保温管道 深水 聚丙烯 导热系数 海底管道

1 引言

单层保温管道作为保温系统的一种重要解决方案，由于成本低、安装效率高等特点，在过去近三十年中在世界各地得到了广泛的应用。尤其是随着世界各地深水油田的开发，单层保温管道的应用也逐渐由浅水走向深水，2004年墨西哥湾的THUNDERHORSE管道工程中，设计水深达到了2200米[2]。对于单层输油管道和立管，对其机械性能和保温性能的要求通常随着水深的增加而增加。因此，传统的用于浅水的泡沫保温材料以及相关的设计和检测技术不再适用于深水工程环境。深水单层保温管道在设计上，面临着更大的挑战，如对保温材料的机械性能有更高的要求，增加额外的保温层厚度，增加制造难度，增加稳定性设计难度，对铺管船要求更高等[1]。了解单层保温管道在世界深水领域应用的先进技术，对中国南海深水油田开发的技术储备具有重要的意义。

2 保温系统结构

2.1 单层保温管系统功能要求

深水海底单层保温管道一般为输油管道，其结构设计要考虑很多因素，从管道功能上要满足保温性能、防水性能、防腐蚀性能、抵抗高温性能、抗弯抗压抗冲击性能、静水压力下的蠕变性能等等。归根到底最主要是两个方面的要求，一方面是安全的要求，无论是在建造、安装还是在正常生产的情况下，管道都要在建造、安装的施工载荷和环境载荷及功能载荷的作用下保证自身的完整性不被破坏，另一方面是生产的要求，管道要保证具有在设计寿命内顺利输送原油到达目的地的正常功能，并且性能稳定。因此单层保温管道设计的关键技术主要集中在管道的安全性和流动保障方面。除此之外还应该考虑经济性和社会效应（比如材料是否对环境有污染等）。

2.2 常见结构

经过二十多年的实践与总结，深水单层保温管道逐渐形成了较为成熟的结构形式，能够较好地达到管道安全与流动保障的功能。深水海底单层保温管道的常见结构如图1所示[2]，[6]。其中图11（a）为高温时应用的保温系统结构，其中防腐层一般采用熔结环氧树脂涂层（FBE），主要起到防腐的作用。粘接层主要是将熔结环氧树脂涂层与相邻的涂层粘接起来。实体层、复合材料层和保温层的材料耐温强度逐渐降低，以适应高温条件下的温度从管道内部到管道外部的逐渐降低的渐变式分布，都起到相应的保温作用，对管道总的强度也有一定的贡献。隔水层是在海水由于意外进入到管道保温层时起到阻止海水进一步向管道内部扩散的作用。防护层一方面起到机械保护的作用，防止保温层受到来自外界的机械损伤，另一方面阻止保温层与海水接触。图1（b）中外保温层起到了保温和防水及机械保护的三重作用，其它层的功能与图1（a）中相似。（b）

图1 深水海底单层保温管道基本结构3 保温材料的选择

保温材料的选择，需要考虑很多因素，比如成本，是否有污染，防腐蚀性能，是否方便制造、加工，疲劳寿命、化学稳定性，密度，是否有相应的使用记录等等。

3.1 保温材料主要性能要求

用于深水海底保温管道的材料除了要具有稳定高效的保温性能以外，还要满足在深水条件下的特定要求，比如深水油田的外压增大要求保温材料具有更高地强度，深水管道铺设方式要求材料能承受较大的应变和集中载荷等等。

3.1.1 保温性能

单层保温管道是通过设计保温系统阻止原油热量损失来保证原油的流动性，并根据保温管道工作环境的要求来确定保温管道所要达到的保温级别。

影响保温性能的主要参数是组成各层材料的导热系数k值和材料的厚度，材料的导热系数跟其温度和密度有密切的关系。

3.1.2 吸水率

材料的吸水率对对材料的导热系数K值的影响非常大。水的导热系数约0.54W/ mK，是常用保温材料导热系数的3倍。如果保温材料的吸水率太大，材料中的含水量将会逐渐增多，从而导致保温性能大大降低。3.1.3 抗拉、抗压屈服强度

用于深水保温管的保温材料要有更高的抗拉屈服强度和抗压屈服强度。一方面，在深水条件下管道的静水压力要比浅水条件下大得多；另一方面，深水条件下铺管往往需要较大的张力，同时铺管设备与管道之间会产生较大的挤压，这些都对保温材料的抗拉屈服强度和抗压屈服强度提出了要求。[8]

3.1.4 高温适应能力

温度改变对材料的保温性能和机械性能都有影响，一方面温度越高聚合物保温材料导热系数越大，基本上呈线性关系；另一方面温度升高到一定程度会使保温材料产生软化现象。