原油長輸管道電熱膜安全加熱系統及其施工方法

2023-04-24 09:44:11 1

專利名稱：原油長輸管道電熱膜安全加熱系統及其施工方法
技術領域：
本發明是原油管道停輸時杜絕凝管的原油長輸管道電熱膜安全加熱系統及其 施工方法。涉及管道系統技術領域。
背景技術：
我國大口徑長距離熱輸原油管道在整個石油輸送管道中佔有十分重要的地 位，隨著國民經濟對石油的依賴越來越大,石油運輸的安全性在整個石油運輸中已 經佔有十分重要的地位。我國所產原油大多為含蠟或高粘稠油，管遒運輸均需採 用加熱方式以降低粘度和防止發生凝管事故，在管道加熱站點之間的管道溫度隨著距離的延長不斷下降，為了保證管道的安全，進站溫度一直保持在凝點3度以 上，雖然可以在停輸時保持一段時間(目前為24小時)不發生凝管，但也存在兩 個問題， 一是在時間較長時不能保證管道的安全，二是為了保證進站溫度在平時 運行時管道的溫度較高，浪費了大量的能源，消耗掉了大量的燃料油。雖然在近年來國內進行了含蠟原油添加降凝劑，重質原油採用稀釋輸送、乳 化輸送等技術，但還沒有能從根本上解決長輸管道的加熱輸送問題，同時在技術 推廣上也遇到一系列問題，因此，在我國大部分原油長輸管道上還將釆取加熱輸 送的運行方式。電熱膜加熱技術是目前加熱效率最高的加熱方式之一，其主要特點是電熱轉 換效率高，傳熱面積大，發熱溫度低，使用壽命長，可靠性和安全性好。該技術 屬於在電加熱技術領域中的新興技術，可以廣泛應用於軍工、石油化工、建築、 機械以及民用等領域。目前就有用於原油開釆的井口釆油和燒原油鍋爐的進油管 電熱膜加熱技術，且有多項專利。但這些技術只適用於幾米至十幾米短距離的原 油管加熱，結構也較為複雜。對於長輸原油管道這種特殊對像而言，由於一般而言 管徑較大、距離較長、埋地且管道上都加有陰極保護系統，這些技術就不能適用， 所以至今還未運用於原油長輸管道。發明內容本發明的目的聶發萌一種原油長輸管道停輸時防止凝管的安全、可靠、效率 高、經濟的原油長輸蠻遂電熱膜安全加熱系統及其施工方法。原油長輸管遒在運行過程中一直遵循進站溫度高於原油凝點3度以上的規定，主要是為了確保在管道停輸後在一段時間內不發生凝管事故。凝管的危險主要發 生在進站段的幾公裡範圍內，如果能夠在最危險的管段即進站段預先設置加熱保 溫系統，杜絕停輸時危險管段管道的凝管，不但可以提高停輸時的安全性，同時 可以在正常運行時降低運行溫度，從而降低管道的運行成本。電熱膜加熱技術雖然是成熟的技術，但在原油長輸管道上應用還有許多要解 決的問題，如電熱膜與現有防腐系統的藕合問題，即電熱膜輸油保溫系統對管道防腐塗層不造成負面影響；電熱膜保溫材料和防腐塗層之間的結合強度符合國家長 輸管道規範的有關要求;使用直流電源進行加熱，對陰極保護不造成影響；電熱膜 塗層在大型管道中的施工工藝問題;對防腐塗層與管道之間的絕緣電阻的要求等。鑑此，本電熱膜安全加熱系統如圖l所示，是將電熱膜3塗覆在進站段管道1 的外防腐層2和防水層4之間；在管道1上按所需加熱功率確定的等距離分段設為 一個加熱單元，每個加熱單元兩端接有電極5，接向電源。具體是將稀土電熱膜3塗覆在進站段管道1的無溶劑液態環氧塗料外防腐層 2和無溶劑液態環氧塗料防水層4之間，稀土電熱膜3與管道1之間的絕緣電阻 在400MQ以上；電熱膜3在管道1上等距離地設為多個加熱單元，每個加熱單元 兩端接有電極5，由電源線6將加熱單元兩兩並聯連接，每兩個加熱單元設置埋地 變壓器和整流器一套，輸出直流電壓加在加熱單元上，幹線電源與並聯的多個埋 地變壓器連接。其中一個加熱單元的長度、所加電壓和電流的值，在電熱膜3產生的熱量保 證原油管道內原油溫度髙於凝點3。C的前提下，根據原油管道的管徑、地溫、輸 量，計算出每米管道的散熱量，進而確定每米管道的補償功率；至於一個加熱單 元的長度、所加電壓和電流的值，則可據電熱膜3的電導率計算出每米管道的體 電阻，由此即可選擇一個加熱單元的長度、所加電壓和電流的值， 一般而言，一個 加熱單元的長度大約在50m-100 m,所加電壓約為80-100V,所加電流約為 100-150A。實際上補償功率可通過調整所加電壓予以隨機調整，以應對可能變化的 加熱系統。其中各個加熱單元的電熱膜3之間留有間隙，彼此保持絕緣，這個間隙一般 在1釐米左右。其中每個加熱單元兩端的電極6為圓箍狀銅帶，套在管道1外塗覆的電熱膜 3上，在銅帶與電熱膜3之間加一層導電銀漿後緊固銅帶。其中幹線電源使用220-IOOOV交流電壓供電，埋地變壓器為輸出電壓可調式。為了保證安全加熱系統的長期安全運行，在安裝本安全加熱系統的管道1上每lkm設置一個測量點，測試安全加熱系統的電壓、電阻、絕緣、油溫、地溫參 數測試，可就地採集參數或通過遠傳方式進行數據傳送。 安全加熱系統的原理長距離熱輸管道在運行過程中，為了保證管道中石油的流動,最重要的是保證 在管道停輸時的安全,避免發生凝管事故。傳統上採取提髙油溫的辦法， 一是降低 粘度,同時為了提供一個允許停輸的時間,管道正常運行時的進站溫度必須高於凝 點，目前的規範是高於3。C以上。進站段幾公裡管道的溫度最低，也是停輸時最容易發生凝管的管段。 一般在進站前的幾公裡管道溫度僅比進站溫度高rc左右，若在這段管道預先安裝電熱保溫系統，平時不啟用，在管道停輸時，利用站區的 電源啟動保溫系統，可以保證這段最危險的管道不發生凝管事故，延長了安全停 輸的時間；而且，由於可以避免凝管事故的發生，在正常運行時可以適當降低運 行溫度，節約大量燃油，降低運行成本。根據熱油長輸管道輸送的蘇霍夫方程！Y二T。+(Tf T。)EXP(-3. 14*D*K*L/G/C )， 不同管道的地溫值為確定值，K值為1.8w/m2 'C,站間距也為確定值，，原油比 熱容C值2100KJ/Kg °C，故可計算不同管徑、不同輸量下管道溫度的下降情況。 考慮到老管道多年輸油已形成地溫場效應,且管道末段溫度差較小，按照降溫後管 道溫度及地溫計算，就可計算出每米管道散熱量。補償熱量向管道和土壤兩個方 向傳遞，故散熱量按l:l.l計算，那麼很容易計算出每米管道的補償功率及一個 加熱單元的總補償功率。由此即可合理選擇一個加熱單元的長度、所加電壓和電 流的值。電熱膜3是一種被覆在絕緣基體上的、通電後能發熱的薄層面狀功能材料, 是膜狀電熱功能材料的簡稱，其膜層厚度一般為毫米以下。膜狀電熱功能元件一般 由電熱功能膜、電極、基體材料三部分組成。稀土電熱膜是一種具有一定阻值的 導電材料、陶瓷材料和稀土材料組成，可以覆蓋被加熱物體全部表面，傳熱面積 大，在通電情況下，傳熱速度極快，熱效率極高，而加熱材料本身在工作時，溫 度並不高，也沒有發紅、熾熱等現象產生，輻射損失小，使用安全可靠。本電熱膜安全加熱系統的施工方法是:先在進站段管道1外塗覆無溶劑液態 環氧塗料,形成絕緣基材，在環氧塗層外用噴塗或刷塗方式將電熱膜材料分等距段 的加熱單元塗覆到基體表面，段與段之間間隔開，在每個加熱單元的兩端貼固銅帶電極5，固化後得到一定電阻值帶電極的電熱膜3，在相鄰兩段電熱膜3之間的接口使用環氧塗料密封后加裝熱縮套管密封，此後在電熱膜3外層釆用無溶劑液 態環氧塗料塗覆；電源線從每個加熱單元的電極6接出，每兩個加熱單元的電源線6並聯接至整流器的輸出端，整流器的輸入接變壓器的輸出，多個變壓器的輸入並聯接至總交流電源；製作電極後就可以通電加熱，經測試後根據需要進行表 面絕緣處理；最後安裝陰極保護系統。具體是先在進站段管道外塗覆無溶劑液態環氧塗料，形成厚度不小於400 n m的絕緣基材,在環氧塗層外用噴塗或刷塗方式將電熱膜材料分等距段的加熱單 元塗覆到基體表面，電熱塗料厚度為150土10nm^段與段之間間隔開，間隔為 lcm左右，隨即在加熱單元的兩端按電極銅帶的寬度塗一層導電銀漿，把銅帶電 極5套貼於銀漿上並緊固，在相鄰兩段電熱膜3之間的接口使用環氧塗料密封后 加裝熱縮套管密封；此後在電熱膜3和電極銅帶外釆用無溶劑液態環氧塗料塗覆; 電源線6從每個加熱單元的電極5接出，每兩個加熱單元的電源線6並聯接至整 流器的輸出端,整流器的輸入接變壓器的輸出，多個變壓器的輸入並聯接至總交流 電源；幹線電源使用220-1000V交流電壓供電，每兩個加熱單元設置埋地變壓器 和整流器一套，其輸出直流電壓80V-100 V，電流100A-150A，每臺變壓器為兩個 加熱單元供電。最後安裝陰極保護系統對於鎂陽極保護系統是將鎂陽極用水浸 泡後埋入地下，導線和管道焊接，從管道表面焊接一條導線連接至測試樁，焊點 使用100%環氧樹脂塗料進行絕緣處理；對於強制電流陰極保護系統則同常規作 法。其中加熱單元電極5施工時，為確保電極銅帶與電熱膜3之間長久不進空氣、 接觸良好，在銅帶電極5套貼於銀漿上並緊固後，隨即用環氧塗料先行密封銅帶 與電熱膜之間的間隙,此後在電熱膜3和電極銅帶外再用無溶劑液態環氧塗料一 同塗覆。其中埋地變壓器和整流器是安裝在帶鎖井蓋的地井中，接向加熱單元電極5 和交流電源的埋地電纜均套PVC套管。為了保證施工質量，在電熱膜管道製作過程中,需對電熱膜3和管體之間的 絕緣進行測試及電火花檢漏,合格後繼續進行；電熱膜3外層絕緣製作後，對絕緣 層進行電火花針孔灘試，對缺陷進行修復後再檢測直到合格；可見，本發明利用電熱膜技術安全可靠、使用壽命長、熱效率高的特點，經 本施工方法將電熱膜安全加熱系統加裝於原油長輸管道進站段，長期處於備用狀態，必要時進行停輸時的電加熱保溫，既不影響管道的陰極保護，對管道防 腐塗層不造成負面影響，電熱膜保溫材料和防腐塗層之間的結合強度符合國家長輸管道規範的有關要求，完全能滿足埋地環境的要求；而且還安全可 靠、使用壽命長、經濟。


圖l原油長輸管道電熱膜安全加熱系統構成示意圖 其中1 一管道 2—防腐層3—電熱膜 4一防水層5—電極 6—電源線具體實施方式
實施例.以本例來說明本發明的具體實施方式
並對本發明作進一步的說明。 本例是一電熱膜安全加熱現場實驗系統，是在鐵大線某站的進站管段上進行的， 該管線的管徑為①720mm。電熱膜安全加熱系統的單位長度功率根據現有運行數 據，考慮東北輸油管道已運行30多年，形成了較穩定的土壤溫度場，在管線停 輸時，冬季地面1. 2m處地溫定為10°C, K值1. 8 w/m2 °C ，保溫功率為98. 4w/m, 電熱膜3採用電源線6連接，直流電源供電，通過熱電偶測試末端溫度給控制櫃 信號，從而控制電熱膜加熱系統的電路輸出，使溫度最低的末端管道內部溫度不 低於設定值。本實驗系統及施工方法是1. 在施工中每段施工距離為50m，管段懸空長度不大於8m;2. 施工電熱膜完成一段填埋一段，減少管道散熱損失；3. 管道1表面進行噴砂除鏽，達到Sa2.5級，合格後進行吹風除塵；4. 進行液態環氧噴塗，噴塗時必須均勻，厚度不小於400 nm;5. 進行電火花檢漏，檢漏電壓3kv;6. 進行稀土電熱膜噴塗，電熱塗料厚度為150 ± 10 iam，按照企業標準執行；7. 電源釆用交流電源供電，交流電源設計為1000V/1000A,目前加熱站點電 源能夠滿足要求，電纜使用雙芯防水銅芯電纜，電纜截面積100 mm2;8. 管道1每50班分為 一個加熱單元，接頭處用導電銀漿加銅帶電極進行引線, 用螺栓與電纜連接，各單元間釆用上述電纜並聯連接，然後進行防水處理；9. 外層防水採用液態環氧塗料,厚度不小於400 iam;10. 每lkm設置一個測量點，測試安全系統的電壓、電P且、絕緣等參數；油溫、地溫測試，可以通過遠傳方式進行數據傳送;11. 幹線電源係數每100m設置S11-MR型埋地變壓器一臺，防護等級為IP68， 可以全部浸沒在水中運行，輸出電壓為80V,電流150A，變壓器埋深1. 5m，每臺變壓器供應兩個加熱單元；12. 按照每米98.4W計算，每一個加熱單元電流為64.5A，使用10咖2防水 電纜與埋地變壓器電源連接；13. 犧牲陽極保護系統安裝:將鎂陽極用水浸泡後埋入地下1.5米，導線和管 道焊接，從管道表面焊接一條2.5mm2導線連接至測試樁，焊點使用100%環氧樹脂塗料進行絕緣處理，安裝完畢後使用數字萬用表進行了測試；14. 電熱膜3和塗料的附著力測試測試依據GB/T9286-1998,結果達到一級；15. 電熱膜管道的測試:在電熱膜管道製作過程中，採用兆歐表對電熱膜3 和管體之間的絕緣進行了測試，絕緣電阻均超過了 500Ma本次使用的電熱膜塗 料電阻值為200Q，厚度為150nm，通電電壓為300V時，功率為1560W，可以通 過調整電壓來控制功率的大小；電熱膜外層絕緣製作時,對絕緣層進行了電火花針 孔測試，測試電壓8kV，發現針孔47個，進行修復後檢測直到無針孔；16. 系統試驗對電熱膜管道進行了加熱與保溫試驗，管線停輸，待油溫下 降到30。C啟動加熱系統，加熱到32X:並進行保溫，然後升溫到33"C、 34'C進行 保溫，記錄相應溫度、功耗等參數，對犧牲陽極保護系統進行測試並記錄；17. 犧牲陽極系統的測試:犧牲陽極系統由青島海孚防腐科技開發有限公司 提供，安裝深度為L5m,距離管道lm，經測試保護電壓為-1. 20V,電熱膜通電後 測試為-L20V，釆用直流電源供電，對管道的犧牲陽極保護系統不會造成影響；18. 系統在埋地環境中的適用性由於電熱膜材料內外層均由環氧塗料覆蓋，因此在埋地環境的適應性主要由 環氧塗料的性能決定，根據測試，性能如下 衝擊強度(CSA/Z245. 20-M98) @ 25°C 〉20焦爾@ -30。C >8焦爾 塗膜硬度(Shore D): 80+/-5陰極剝離(CSA/Z245. 2(H粉8) 28天@ 65°C : <6毫米28天@ 80°C : 〈6亳米耐化學性能 720小時浸泡後汽油 無變化煤油 沒有變化鹽水 沒有變化溶劑 沒有變化耐溫性能 乾熱連續性 90°C間斷性 120°C鹽霧試驗 720小時 1 coat @ 300蹕表面腐蝕 沒有變化表面剝離 沒有變化環氧樹脂塗料為有機高分子材料，具有優良的防水和耐腐蝕性能，對電熱膜 材料具有很好的保護作用。環氧塗料在中石油長距離管道得到了應用，經受了實 際運行的考驗，與有機髙分子稀土電熱膜材料結合使用，能夠滿足埋地環境的要求。通過以上試驗和檢測，本係數中電熱膜3和塗料的附著力、電熱膜3和管體 之間的絕緣、對管道l的加熱與保溫均能達到標準要求，電熱膜3對管道1的犧 牲陽極保護系統不會造成影響，能夠滿足埋地環境的要求。稀土複合電熱膜輸油管道安全保溫系統就是利用電熱膜技術在管道進站段進 行停輸時的電加熱保溫，在正常輸油時不運行，在停輸情況下利用該系統維持進 站段溫度，保證管道的安全。該系統利用站區的原有電源與加熱系統連接，利用 電熱膜安全可靠、使用壽命長、熱效率高的特點長期處於備用狀態並通過檢測予 以保持，而且使用維護簡單、方便、經濟實用。
權利要求
1. 一種原油長輸管道停輸時杜絕凝管的原油長輸管道電熱膜安全加熱系統，其特徵是將稀土電熱膜[3]塗覆在進站段管道[1]的無溶劑液態環氧塗料外防腐層[2]和無溶劑液態環氧塗料防水層[4]之間，稀土電熱膜[3]與管道[1]之間的絕緣電阻在400MΩ以上；電熱膜[3]在管道[1]上等距離地設為多個加熱單元，每個加熱單元兩端接有電極[5]，由電源線[6]將加熱單元兩兩並聯連接，每兩個加熱單元設置埋地變壓器和整流器一套，輸出直流電壓加在加熱單元上，幹線電源與並聯的多個埋地變壓器連接。
2. 根據權利要求l所述的原油長輸管道電熱膜安全加熱系統，其特徵是各個 加熱單元的電熱膜[3]之間留有間隙，彼此保持絕緣，這個間隙一般在1釐米左右。
3. 根據權利要求2所述的原油長輸管道電熱膜安全加熱系統，其特徵是幹線 電源使用220-1000V交流電壓供電，埋地變壓器為輸出電壓可調式。
4. 一種權利要求1所述原油長輸管道電熱膜安全加熱系統的原油長輸管道 電熱膜安全加熱系統的施工方法，其特徵是先在管道[l]外塗覆無溶劑液態環氧 塗料，形成絕緣基材,在環氧塗層外將電熱膜材料分等距段的加熱單元塗覆到基體 表面，段與段之間間隔開，隨即把銅帶電極貼固於每段的兩端，固化後得到一定電 阻值帶電極的電熱膜，在相鄰兩段電熱膜之間的接口使用環氧塗料密封后加裝熱 縮套管密封,用電源線[6]將每兩個加熱單元的電極[5]並聯連接，此後在電熱膜[3] 外層釆用無溶劑液態環氧塗料塗覆；電源線[6]從每個加熱單元的電極[5]接出， 每兩個加熱單元的電源線[6]並聯接至整流器的輸出端，整流器的輸入接變壓器的輸出，多個變壓器的輸入並聯接至總交流電源；製作電極後就可以通電加熱，經 測試後根據需要進行表面絕緣處理；最後安裝陰極保護系統。
5. 根據權利要求4所述的原油長輸管道電熱膜安全加熱系統的施工方法，其 特徵是先在管道[l]外塗覆無溶劑液態環氧塗料，形成厚度不小於400jam的絕緣 基材，在環氧塗層外用噴塗或刷塗方式將電熱膜材料分等距段的加熱單元塗覆到 基體表面，電熱塗料厚度為150±10|Lim，段與段之間間隔開，間隔為lcm左右， 隨即在加熱單元的兩端按電極銅帶的寬度塗一層銀漿，把銅帶電極[5]套貼於銀 漿上並緊固，在相鄰兩段電熱膜[3]之間的接口使用環氧塗料密封后加裝熱縮套 管密封；此後在電熱膜[3]和電極銅帶外釆用無溶劑液態環氧塗料塗覆；電源線 [6]從每個加熱單元的電極[5]接出，每兩個加熱單元的電源線[6]並聯接至整流 器的輸出端，整流器的輸入接變壓器的輸出，多個變壓器的輸入並聯接至總交流電 源；幹線電源使用220-IOOOV交流電壓供電，每兩個加熱單元設置埋地變壓器和整流器一套，其輸出直流電壓80V-100 V，電流100A-150A,每臺變壓器為兩個加熱單元供電；最後安裝陰極保護系統對於鎂陽極保護系統是將鎂陽極用水浸 泡後埋入地下，導線和管道[l]焊接，從管道[l]表面焊接一條導線連接至測試樁， 焊點使用100%環氧樹脂塗料進行絕緣處理；對於強制電流陰極保護系統則同常 規作法。
6. 根據權利要求4或5所述的原油長輸管道電熱膜安全加熱系統的施工方法， 其特徵是加熱單元電極[5]施工時，在銅帶電極套貼於銀漿上並緊固後，隨即用環 氧塗料先行密封銅帶與電熱膜[3]之間的間隙，此後在電熱膜[3]和電極銅帶外再 用無溶劑液態環氧塗料一 同塗覆。
7. 根據權利要求4或5所述的原油長輸管道電熱膜安全加熱系統的施工方法， 其特徵是埋地變壓器和整流器是安裝在帶鎖井蓋的地井中，接向加熱單元電極[5] 和交流電源的埋地電源線[6]均套PVC套管。
8. 根據權利要求4或5所述的原油長輸管道電熱膜安全加熱系統的施工方法， 其特徵是在電熱膜管道製作過程中，需對電熱膜[3]和管體之間的絕緣進行測試及 電火花檢漏，合格後繼續進行；電熱膜[3]外層絕緣製作後,對絕緣層進行電火花針 孔測試，對缺陷進行修復後再檢測直到合格。
全文摘要
本發明是原油長輸管道停輸時防止凝管的原油長輸管道電熱膜安全加熱系統及其施工方法。它是將稀土電熱膜[3]塗覆在管道[1]的無溶劑液態環氧塗料外防腐層[2]和無溶劑液態環氧塗料防水層[4]之間，稀土電熱膜[3]與管道[1]之間的絕緣電阻在400MΩ以上；電熱膜[3]在管道[1]上等距離地設為多個加熱單元，每個加熱單元兩端接有電極[5]，由電源線[6]將加熱單元兩兩並聯連接，每兩個加熱單元設置埋地變壓器和整流器一套，輸出直流電壓加在加熱單元上，電源使用220-1000V交流電壓供電，與並聯的多個埋地變壓器連接。將本系統加裝於原油長輸管道進站段，必要時進行停輸時的電加熱保溫，完全能滿足埋地原油管道的要求；且安全可靠、使用壽命長、經濟。
文檔編號F17D1/18GK101256026SQ200710064120
公開日2008年9月3日 申請日期2007年3月1日 優先權日2007年3月1日
發明者劉玲莉, 王海波, 君 趙, 祁 高, 黃如喜 申請人:中國石油天然氣股份有限公司