海洋输油管道保温技术研究进展

高志涛，代志双，宋平娜，陈 星

(天津市海王星海上工程技术股份有限公司，天津300384)

0 引言

海底石油管道是将海上原油(或混输原油)输送到陆上(或浮式生产储油卸油船)。海底管道处在海洋冷水环境中，承受一定水深的静压力，且由于海水温度比较低，在管输过程中，若不采取特殊措施，管道中的混输介质以及一些含腊含胶质的高凝点高粘度的原油会随着温度的降低而析出分子量较高和分子量较低的组分，造成输送介质的粘度进一步增大，从而影响输送介质的流动性。对于长距离高压天然气输送管道，天然气介质中的水合物也会因为温度的降低析出似松散冰的固态物质。如果析出的固态物质较多，可能会造成堵塞管道的风险，从而影响海底油气的正常开采和输送。因此，需要对海底管道进行保温处理，以保证管线的正常运行。本文分别从保温材料的结构出发对其进行分类，并从保温管道的结构方面介绍海底输油管道保温技术的应用情况。

1 保温材料

海底的服役环境恶劣，需要具有更高性能的保温材料:低导热系数，较高的耐静水压能力，耐腐蚀能力强，长时间服役条件下具有较好的保温性能，便于施工和生产，在预制和敷设时具有足够高的强度来抵抗各种载荷。

根据结构不同，保温材料可分为实心保温材料、发泡保温材料、空气层型保温材料和复合保温材料。根据基体材料不同，可分为有机类保温材料、无机保温材料以及金属类保温材料。

实心保温材料主要由单一材料组成，没有经过任何的物理加强和改性。发泡保温材料是以高分子材料为基本成分，通过物理或化学方法填充大量气泡制得;复合型保温材料是将不同类型的空心微珠添加到高分子材料中而成型的兼具优异抗压性能和保温性能的复合材料［1］。

目前海底管道中所用的保温材料主要有聚氨酯类保温材料、环氧树脂类保温材料和聚氨酯类保温材料，聚丙烯类保温材料的性能特点见表1，聚氨酯类保温材料的性能特点见表2［2］。此外，环氧树脂泡沫材料在湿式海底管道保温结构(不含防水层)中大约占到5%的份额，其抗压强度高，价格低廉，固化时间短，发泡工艺简单易行，常温固化，耐温性好，可在120℃下长期使用，适用于输送介质温度高于120℃的海底保温管道以及深海输送管道的保温［3，4］。

表1 海底管道聚丙烯类保温材料性能特点

表2 海底管道聚氨酯类保温材料性能特点

相对于实心保温材料和发泡型保温材料而言，复合型保温材料抗压缩性能和蠕变性能优异，具有较低的密度和导热系数，在达到相同保温性能时，用量更少，更适合应用于深海保温管道。但是空心玻璃微珠易碎，对点载荷很敏感。虽然静水抗压强度超过了应用水深的需求，但是在点载荷加载过程中破碎的微珠所产生的载荷最终会使材料的机械性能和热性能变坏。这些载荷包括毛细压力效应、剪切作用、过量充填的玻璃微珠、玻璃微珠产生的沉淀片以及熔体特性在线变化。

某公司通过对管道湿式保温复合聚氨酯原材料、浇注设备、成型模具、浇注工艺的研究，在国内率先研制出湿式保温管道。其预制流程及浇注模制示意图如图1、图2所示。该工艺研制出的聚氨酯保温管道的传热系数较小，抗老化性能优异［7］。

图1 复合聚氨酯海底保温管道预制流程图

图2 钢管聚氨酯保温模具预制示意图

2 保温结构

海洋输油管道在借助材料保温的基础上，结合管道的结构设计，会使其保温性能发挥得更好。目前应用较多的保温结构包括管中管结构、单层保温配重管、集束管系统和保温复合软管等。

2.1 管中管保温结构

管中管保温结构从内到外分别为钢制内管、保温层以及钢制外管。钢制内管的作用是输送油、气等介质;钢制外管的作用是可靠保护保温层，同时也起配重作用。该管中管保温结构具有较高的防护可靠性，能够有效减少钢制内管的热变形，减小其热应力，对保温材料的抗压强度无热数要求。

但管中管保温结构的外套钢管多采用厚壁钢管，钢材用量大，需要对钢管外表面进行多层防腐处理(一般为3层防腐处理)，成本较高。在海上安装铺设时，钢制内管和钢制外管均需要焊接处理，而焊接处理后需要对所有焊口进行无损探伤，施工强度大，导致铺设速度慢，整体工程造价高［6］。

2.2 单层配重保温管

单层配重保温管由内及外分别为钢制内管、防腐保护层、保温层、防护层和混凝土配重层。相对于“管中管”保温结构，单层配重保温管的配重层采用混凝土代替钢制外管，可以节省使用钢材，在保温管最外层也不需进行防腐处理。同时，单层配重保温管只有1层钢制管，可减少铺管过程中的焊接以及无损探伤的工作量，提高了保温管在海上安装铺设的速度，降低了整体管线系统的成本。在浅水海域，单层保温配重管的应用前景较好。国内首次应用单层配重管的是南海北部湾海域的涠洲油田，管线全长34 km，平均水深40 m。

单层配重保温管的传统生产工艺效率低、泡沫保温层密度分布不均匀。针对该缺点，丹麦某公司研制出一种新型的生产工艺，其流程为:FBE静电喷涂+聚氨酯发泡在线喷涂+聚烯烃防水层在线挤出，生产出来的聚氨酯泡沫保温层密度分布均匀，保温效果良好。管端部位的高密度聚乙烯防护层与防腐层可采用聚乙烯胶黏剂进行粘结，该方法可使两层粘结牢固，提高整条管线的安全可靠性［7］。

2.3 集束管系保温系统

海底集束管保温系统主要由承载管、护套管、输油气管、注水管以及电缆等组成。其保温性能优异，能有效避免油气输送过程中蜡质组分和水合物的析出，可为油气输送提供高效经济的保温方案［7］。

海底集束管保温系统的结构大致可分为两种:一种为开放式集束保温管，另一种为封闭式集束保温管，分别如图3、图4所示。与普通海底管线相比，开放式集束保温管线将多根传统的海底管线用夹具或绳索固定在一起，以防止多根传统海管之间的相对窜动和滑移。但其中传统的油气输送管道直接暴露在海水中，在经受载荷时容易遭到损伤和破坏，从而增加污染海洋环境的风险。而封闭式集束保温管为1根大口径的承载管内汇集了多根输油管、输气管、注水管、加热管和电缆，承载管可有效地保护其内部的诸多管线，防止其受到机械载荷和腐蚀。该结构可以有效避免输油管的泄漏，最大程度减轻对海域的环境污染，但其制造工艺复杂，在生产过程中需要综合考虑油气田的产能和集输要求［8］。

图3 开放式集束保温管

图4 封闭式集束保温管

2.4 保温复合软管

虽然钢管保温管道已得到成熟应用，但随着海洋石油开发向着深海领域的拓展，对钢管弯曲性能和铺设提出了更高的要求，钢管已不能完全满足深海领域油气的输送需求，复合式柔性管道由于其防腐蚀、耐高温、柔顺、无配重、易安装等特有性能成为浮式平台生产系统关键元件，在海洋石油的油、气、水输送方面备受关注。针对现有保温技术的缺点开发了新型保温混输软管，能够在海底管线进行油、气、水混输过程中，降低由于管体的热损失造成温降所导致的凝管现象。

该保温混输复合软管的结构由内向外依次有骨架层、内衬层、承压铠装层、耐磨层、承拉铠装层、保温层、中间保护层、铠装保护层和外保护层组成，结构示意图如图5所示。其中保温层采用的是由真空玻璃微珠复合聚丙烯带状结构，并缠绕在承拉铠装层和中间保护层之间。该复合软管的管体内部是一种连续结构，通过较低自身的热传导系数降低软管的总传热系数，达到保温的效果［9］。与钢管保温层的浇注成型保温工艺不同，复合软管的保温层一般通过缠绕方式进行加工，不会因为保温材料浇注固化过程中填充铠装层缝隙而引起复合管道可承受弯曲半径的减小，从而保证复合软管在卷盘放置和盘管铺设中的柔韧性。

图5 保温混输复合软管结构示意图

3 结语

海底油气特别是深海油气将是未来世界油气资源接替的重要区域，复合聚氨酯和复合聚丙烯由于导热系数低、力学性能高、耐腐蚀等成为海底保温管线最主要的保温材料。而采用带有保温层的钢塑复合软管将会是我国深水油气田开发领域发展的方向。为满足国内深水油气输送的需要，急需开发深水海底油气输送管道保温的新材料及新工艺，以缩短国内海管保温技术与国际领先水平之间的差距。

［1］ 刘岳平.聚丙烯泡沫塑料的成型、性能及其应用［J］.工程塑料应用，2001，29(4):47-49.

［2］ 刘承婷.蒸汽管道保温材料与保温结构优化研究［D］.大庆:东北石油大学，2013.

［3］ 蒋晓斌，相郑乐，张晓灵，等.深海管道保温材料现状［J］.管道技术与设备，2010(6):47-50.

［4］ 武应涛.海底输油管道保温技术现状及进展［J］.化学推进剂与高分子材料，2008，6(6):22-25.

［5］ 闫嗣伶，蒋晓斌，张晓灵，等.复合聚氨酯海底保温管道试制［J］.油气储运，2012，31(12):868-876.

［6］ 马良.海底管道建设中的几点设想［J］.中国海洋平台，2000，15(4):37-40.

［7］ 宋儒鑫.深水开发中的海底管道和海洋立管［J］.船舶工业技术经济信息，2003，218(6):31-42.

［8］ 宋儒鑫，王金英.海洋集束管道—油田内部输送的一种精明解决方案［J］.中国造船，2003，44(10):105-120.

［9］ 裴整社，刘栋杰.一种适用于海洋保温混输复合软管:中国，CN103672221A［P］.2014-03-26.