浅水海洋工程结构物电伴热的设计与应用

王朝卿，薛松，张连杰，王杨健，王毅

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

用于工业的电伴热带，一般分为恒功率电伴热带，自限温电伴热带，MI加热电缆，电伴热复合管束和集肤效应电伴热系统。恒功率电伴热带的单位长度的输出功率是恒定的，使用伴热带越长，输出的功率越大，且不会因周围的环境温度变化而改变。加热单元的长度由伴热带的输出功率与使用环境决定。自限温电伴热带的输出功率可以根据周围的环境温度变化而改变，不需要温度控制器，可以自动限温。并具有启动速度快，能源消耗低，热效率高，安装方便，施工简单等优点。MI加热电缆的外护套为合金材料，对氯化物、酸、碱、盐环境具有良好的抗腐蚀性。可适应极端恶劣工况环境，用于高温管线以及高暴露温度管线和设备伴热。MI加热电缆不可以任意截断，需要订做，长度确定后不可更改。电伴热复合管是一种将管线、电伴热带、保温材料和护套集于一体的伴热保温形式，电伴热带预先置入，保温材料和防水护套在工厂完成。

集肤效应电伴热系统的工作原理基于交流电的“集肤效应”和“邻近效应”，由于碳钢管线具有极强的磁性，即使在工频电压下也会产生显著的集肤效应，系统在“热管”内产生的热能是电流在“热管”的内表面流回时通过阻抗以及伴热电缆本身产生的，而“热管”的外表面没有电压或电流。所谓集肤效应，当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小的一种电磁现象。所谓邻近效应，是双线传输线的两导体中，交流电流相互向相邻导体接近的现象。当给体统通电时，电流从导线一端到达导线另一端，在集肤效应以及邻近效应的作用下电流被集中在热管的内壁表面，而正是这薄薄的内壁和伴热线本身产生的热量来满足伴热的需要。由于自限温电伴热带具有能源消耗低，热效率高，安装方便，施工简单等优点，在浅水海洋工程结构物得到了广泛应用，下面对自限温电伴热带的设计与应用作进一步阐述。

1 电伴热系统构成

电伴热系统包含小功率伴热盘，电源线，电伴热电源盒，电伴热带，三通，两通，尾端以及其它辅助配件。

2 自限温电伴热带的工作原理

当温度升高时，导电塑料产生微分子的膨胀，碳粒渐渐分开，引起电路中断，电阻上升，伴热带会自动减少功率输出。当温度变冷时，塑料又恢复到微分子收缩状态，碳粒相应连接起来，形成电路，伴热带发热功率又自动上升。自限温伴热带具有其他伴热设备所没有的好处，它控制的温度不会过高亦不会过低，因为温度是自动调节的[1]。

3自限温电伴热带的结构

自限温电伴热带结构包括含氟聚合物外护套，镀锡铜编织层，绝缘层，自调控导电塑料芯体以及母线铜导线1。

自限温电伴热带由纳米导电碳粒和两根平行母线外加绝缘层构成，由于这种平行结构，所有自限温电伴热线均可以在现场被切割成任何长度，采用两通或三通接线盒连接。在每根伴热线内，母线之间的电路数随温度的影响而变化，当伴热带周围的温度变冷时，导电塑料产生微分子的收缩而使碳粒连接形成电路，电流经过这些电路，使伴热带发热。

4 自限温电伴热带的计算与选型

电伴热主要是用于补偿管线与设备由于外界环境造成的热量损失，所以电伴热的选型，主要是计算需要伴热管线与设备的散热量。

其中涉及到以下参数：

Dg（mm）管线规格

TM（℃）管线/设备的维持温度

TA（℃）最低环境温度

S（m2）设备表面积

保温层材质和厚度（mm）

4.1 管线的散热量计算：QT=f*QB

常用的金属管线散热量见表1。

表1 金属管线散热量表

常用的保温材质系数见表2。

表2 保温材质系数表

例如一段管线的管径为12"，保温材料为岩面，保温厚度为50mm，管线的维持温度要求350C，最低环境温度为-180C，计算每米管线的散热量。

△T=35-（-15）=500C

根据表1可以查到QB=50.7W/m，根据表2可以查到岩面的保温系数f =1.22，则可求到12"管线采用50mm厚的岩面保温，单位长度的散热量为：

QT=f*QB=47.65x1.22=58.133（W/m）

如果管线在室内，管线的散热量可以乘以0.9的系数。

根据管线散热量的计算结果，查看电伴热厂家的产品手册，就可以选择适合于相应管线的伴热带了[2]。

4.2 管线伴热三维图的设计：

伴热三维图依据管线三维图设计，将每段管线拼接，并包含管线附带的阀门，管支架，法兰等信息。

伴热三维图涵盖材料表，电源盒编号，管线编号，管线规格，管线长度，法兰数量，管支架数量，保温厚度，维持温度，最低环境温度和设备伴热带用量等数据。

三维图中伴热带的长度根据管线长度，伴热比以及管线附件计算，法兰按照管线直径的2倍，弯头按照管线直径的1.5倍，管支架按照管线直径的3倍计算伴热带的长度。

4.3 为了便于施工，节省材料费用与人工，伴热图纸的设计应考虑以下原则：

4.3.1伴热三维图的回路根据管线系统划分，如果部分管线较短，基于节省成本考虑，可以合并在相连的其它系统回路。

4.3.2 为减少故障点和便于施工，尽量减少伴热两通，伴热三通的使用，如果回路比较短4～5M可绕双线。

4.3.3 管道上仪表伴热线加1.5M伴热线。差压表和压力控制阀等设备需加5米伴热线,并在图纸上体现。

4.3.4 一类一区：在施工允许的条件下，此区域尽量不设置电源盒。井口区不得设置伴热接线盒。

4.3.5 对于非金属，PVC管道，需要在伴热带下方增加铝箔胶带，此信息要体现到施工图纸上。

4.3.6 电伴热接线盒安装位置考虑方便施工与维护，如果要求放置在甲板面以上的，需在电源盒布置图中给的坐标值比甲板面高300mm，并尽量低于1700mm。便于现场识别和施工。

4.3.7 在管线长度满足的情况下，伴热带长度要求达到最大允许长度的85%～90%。

4.3.8 无连接点的较短伴热管线，需单独成回路，后用动力电缆串接附近电源盒。

4.3.9 现场设备以及散泵，散滤器等设备，应用三通或者两通与管伴热带连接，不再单独用动力电缆连接电源盒。就近合并较短的伴热回路，启动电流不超32A即可，以节省电缆和供电开关。

图1 伴热电源盒引至甲板

4.3.10 如开排系统的管线的伴热电源盒在地漏槽位置，可将电源盒引至甲板以上位置，以便后期的维护和维修，从管线到电源盒的电伴热带需要使用保温材料进行包裹，见图1。

图1 地面系统试验装置布局图（不按比例）

4.3.11 电伴热电源盒的安装位置应避开安全通道，设备操作空间等位置。

5 结语

电伴热的广泛应用为工艺管线以及设备内的介质提供了所需的温度，保障了海洋石油平台的安全运行。伴热带的设计，以及根据施工现场的情况，进一步进行优化，能够极大的节省材料费用和施工难度，以及便于设备维修，配件更换。电伴热这种伴热方式简单，洁净，节能，方便可靠的特点，决定了它的发展空间更加开阔。