保温支架在油田生产中的应用

赵立新（中国石油西北油田节能监测中心）

1 概述

在油田生产各个系统输送油、水、气、蒸汽及其他各种介质的过程中，地面管线是主要的生产设备。地面管线除了管线本身之外，其附属的设备还有很多，包括支架、支墩和阀门等。无论设备保温还是管道保温，支架安装都是第一道工序[1]。

支架是地面管线的重要支撑部件，起到支撑管线及保证管线稳固的作用，通常分为固定式和活动式，固定支架指管道与管托之间是固定的，不产生相对位移；滑动支架则指管道与管托之间可以产生相对位移[2]。常用的主要有两种，一种是钢板焊制的钢支座，一种是隔热支架[3]。

管线支架通常为倒T字形钢板结构，固定支架的底板固定在地面的水泥支墩上，活动支架的底板放置在水泥支墩的预埋钢板上，支架的竖直钢板（立板）焊接于管线上。

当管线输送高温介质时，管线的表面温度很高，热量会很快传递到与高温管线连接的支架和地面支墩，由于支架存在热桥效应，至使其散热损失严重[4]，因此支架的保温隔热效果对于减少管线总体散热、降低管线能耗具有重要作用。

对于固定式支架，由于受结构强度要求的限制，目前均采取与管线相同的保温方式，基本可以满足保温设计要求。但对于活动式支架，由于需要考虑热胀冷缩导致的管线拉伸和移动，所以无法像固定支架一样，采取和管线相同的保温方式，必须采取专门的保温结构或保温方式。

2 现状与存在问题

国家标准GB/T 8174—2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》中，对设备、管道及其附件的允许最大散热损失有明确规定，具体要求见表1[5]。

如果管线的支架不进行保温，其散热损失将远远大于国家标准的要求，即使在保温的情况下，如果保温结构不合理，支架的散热损失仍然会高于国家标准要求，因此必须采用适当的方式来保温。实际生产中，相近测试条件下，不同保温状态管线支架的散热损失情况见表2。

简单保温的管线支架未采用保温结构设计，仅仅采用保温材料包覆钢制管线支架的外表面。从表2数据看，简单保温的管线支架虽然相比未保温的钢制支架有着明显的保温效果，但还是不能达到国家标准允许的最大散热损失要求。

随着油田节能管理工作的不断深入，原先不被重视的高温管线支架散热的问题受到了关注，其隔热保温性能也列入了生产施工要求，促使各生产企业不断开发出新的高效保温支架应用于油田生产的高温管线，由此也促进了高温管线用支架隔热保温技术的提高。

表1 常年运行工况允许最大散热损失

表2 不同保温状态管线支架的散热损失对比

3 管线保温支架的基本结构

采用不同的保温方式或保温结构，支架的保温效果差别很大。从现有各类保温支架产品的保温隔热原理看，主要分为三种类型。即：穿靴式、隔断式、复合式。

穿靴式保温支架的基本结构原理是给活动式支架“穿”上一个保温靴。通过隔断钢制支架与环境和地面支墩的接触，实现隔热保温的效果，该结构同时还具有一定的结构强度。保温靴内衬绝热材料，外部是钢制外套，具体结构见图1。

图1 穿靴式保温支架原理

隔断式保温支架的基本结构原理是将支架分割为上、中、下三个部分，上部可焊接管线，下部连接地面支墩，中间是高强度隔热材料。上、下两部分为钢制结构，分别通过螺栓或铆钉与中间的高强度隔热材料连接。这样焊接于管线的上部钢制部分与支撑于地面支墩的下部钢制部分被完全隔断。上部钢制部分可以被管线的保温结构完全包覆，减少了散热损失，中部的隔热材料阻断了上部钢制部分的高温继续向下传递，因此下部的钢制支撑部分的表面温度和散热损失都比较小，支架总体的散热损失也比较小。具体结构见图2。

复合式保温支架的原理是将穿靴式和隔断式两种保温支架的结构整合起来，内部采用隔断式结构，外部再包覆“保温靴”。这种结构可极大降低支架的表面温度，减少散热损失。

图2 隔断式保温支架原理

几种结构的保温支架各有所长，也都有一些不足。穿靴式保温支架整体结构比较坚固，可以较好承受管线位移带来的径向与横向载荷，但其隔热效果受内部填充隔热材料性能的影响较大，产品尺寸也比较大。隔断式保温支架的隔热效果比较好，产品结构紧凑，但其结构强度受中部隔热材料的影响较大，尤其对大管径的管线，需要合理设计中部隔热材料的结构尺寸才能保证足够的强度。复合式保温支架的隔热效果远好于穿靴式和隔断式，但产品结构复杂，制造成本比较高。

4 各种保温支架的效果对比

在油田各类高温管线上，现在使用的保温支架多种多样，其基本原理不外乎以上的三种形式，但具体产品细节也不完全相同。比如有的穿靴式保温支架属于半穿靴，即仅对底板部分进行穿靴保温，而立板部分没有保温；隔断式保温支架三部分的连接，有的采用钢板插入绝热材料，有的采用钢板外卡固定于绝热材料。

不同的产品由于设计细节的不同、使用的材料不同，导致保温隔热的效果也不同，甚至差异比较大。在实验室内，保证相近的测试条件下，根据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》中规定的方法[6]，实际测试的各种类型保温支架散热损失见表3。

表3 各类保温支架的隔热保温效果

从表3的实测数据结果看，复合式保温支架的绝热效果要远优于单纯的隔断式和穿靴式保温支架，支架本身的散热损失仅为隔断式的31.6%、穿靴式的14.4%。

5 保温支架的经济效益分析

如果1 km管线需要设置100个活动式支架，使用复合式保温支架相比隔断式、穿靴式、简单保温及未保温支架，每年可减少散热损失1.6、4.7、14.5、235.6 t标煤。如果供热源是以天然气为燃料，由此产生的节能效益约为1985元、5800元、18 000元、295 000元，见表4。

表4 管线支架不同保温状态下的能耗与经济效益对比

虽然不同的保温支架由于结构和材料不同，其生产成本也有所差别，但在油田生产中因采购批量大，实际上生产单位可以利用买方市场优势，统一控制采购供货的价格。因此在保证产品质量要求的前提下，可以尽量选用保温效果更好的支架产品。

以某油田为例，进入该油田使用的保温支架，市场统一采购价均为300元，根据复合式、隔断式、穿靴式等三种保温支架不同保温效果计算的节能效益，与简单保温情况相比，保温支架的投资回收期分别为1.7年、1.9年、2.4年。

6 保温支架的选用与评价指标

保温支架的结构和材料决定了产品的性能，对于不同温度和管径的高温管线，适用的产品也不相同。经现场试验，穿靴式保温支架能够应用于油田生产现有主要规格的高温管线，管线最高温度可以达到450℃；受结构及材料影响，隔断式和复合式保温支架最高管线温度为300℃，最大应用管径为DN250 mm，见表5。

对于油田生产企业，总是希望最大限度降低高温注汽管线及管线支架的散热损失，但考虑到保温支架生产企业的实际能力，从促进市场竞争、促进产品质量和水平提升的角度出发，需要合理制定保温支架的产品性能要求指标，其中最关键的就是保温支架的绝热效果指标。

表5 保温支架最高使用温度

根据实验室测试各种类型保温支架散热损失的结果数据，在综合分析大量实验数据的基础上，建议在管线温度300℃条件下，不同管径使用的保温支架绝热效果指标如表6。

表6 环境温度25℃下允许最大散热损失值

7 结论

油田高温管线用保温支架有多种结构形式，各种形式的保温支架各有自身特点，适用于不同的工作环境。其中复合式保温支架的节能效果最好。生产单位应结合自身管线设备特点，优选经济合理的保温支架，达到节能增效的最佳效果。