矿物绝缘电伴热在海洋石油工程中的应用设计

李 震， 张 昊， 朱海峰， 薛 松， 刘 茜

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

矿物绝缘电伴热在海洋石油工程中的应用设计

李 震， 张 昊， 朱海峰， 薛 松， 刘 茜

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

目前在海洋工程领域通常使用的电伴热产品对在要求高功率输出和适应极端恶劣工况环境方面还有不足，而矿物绝缘(MI)电伴热在尼克森油砂项目中广泛应用，在-40℃的极端低温和高腐蚀性环境中发挥了其优异的性能，为要求高功率输出和适应极端恶劣工况环境的海洋工程领域的电伴热的应用提供了思路。研究了MI电伴热在海洋石油工程中应用的可行性，从主要产品的类型特点、工作原理、使用范围、选型设计、安装应用等方面做了简单介绍。

海洋石油工程；矿物绝缘(MI)电伴热；产品分类；工作原理；应用设计

0 引 言

电伴热作为一种有效的管道保温及防冻方案在石油、石化、化工等行业中一直广泛应用。随着海工业务的拓展，电伴热的应用工况变得复杂，亟需能够适应极端工作条件，具有耐腐蚀、高功率输出等优点的电伴热产品。矿物绝缘(MI)电伴热在尼克森油砂项目中能够在极端低温环境中发挥其高功率输出的性能，较好地解决了普通伴热产品在极端恶劣环境中输出功率不足，适应性差的问题。本文从MI电伴热的性能、主要产品、与传统伴热的比较等方面分析，以研究它在极端温度、高腐蚀等恶劣环境中的特性，以此研究其在具有极端温度、潮湿、高腐蚀工况的海洋工程领域的应用的可行性。

1 电伴热介绍

一般来说，在海洋工程领域，电伴热指的是电伴热系统，它包括电伴热带、电源盒以及三通、两通、尾端等各种附件。

1.1 电伴热带的结构和工作原理

电伴热带产品就伴热类型可以分为自限温式和恒功率式两种。

单项恒功率式电伴热带输出功率恒定，单位长度发热量是定值，不随外界环境温度变化，通常需要安装温控器来控制伴热带的维持温度。因此单相恒功率式电伴热带适合温度控制十分严格和需要高功率输出的场合。单相恒功率式伴热带启动电流小，运行过程中基本没有功率衰减。

单相自限式伴热带有导电塑料、两根母线和一层绝缘层。单相自限式伴热带的导电塑料随外界环境温度变化其电阻率会改变。当环境温度变冷时，导电塑料内微分子收缩，使碳粒连接成电路，从而加热伴热线，使伴热线输出功率提高；当温度升高时，导电塑料产生的微分子迅速膨胀，使碳粒渐渐分开，电阻升高，输出功率降低[1]。

1.2 电伴热的优点

与使用电加热器、蒸汽伴热等保温方式比较，电伴热具有以下有优点[2]： 发热均匀，温度控制精确；能够实现远程控制，自动化管理；伴热效率高，节约能源；可靠性好，有防爆剂全天候工作能力，使用寿命长；节省钢材，降低设计、施工、维修费用。

2 MI电伴热带简介

MI电伴热带是一种应用于需要高功率输出、高暴露温度或高耐环境腐蚀能力的伴热带，为工业防冻和工艺温度维持提供了解决方案。MI电伴热带可以提供269W/m的输出功率，将温度维持在550℃，伴热带的最高暴露温度可以达到650℃，这些都是传统电伴热比较难做到的。

MI电伴热带结构简单，由发热导线、绝缘材料和金属护套组成，如图1所示。

图1 MI电伴热带基本结构Fig.1 Basic structure of MI electric heating cable

根据不同的工况和阻燃、防爆、危险区域等级等需求，不同种类的MI电伴热带使用不同的发热导线和金属护套。使用的发热导线材料有铜和镍镉合金，电缆护套材料有铜、321不锈钢、合金825等，有些伴热带如HCH和HCC还在金属护套外加一层高密度聚乙烯(HDPE)或FEP防腐蚀护套。HDPE防腐蚀护套可以在80℃时提供保护，FEP防腐蚀护套耐热温度可以达到200℃。

MI电伴热带是一种恒功率输出的电伴热带，具有恒功率式电伴热产品的特点。输出功率恒定，单位长度发热量恒定，它适用于温度要求非常严格的场所。因此，MI伴热带回路应配有温控器监控其温度，当温度过高时会切断电路。它的启动电流比较小，在运行过程中基本上无功率衰减。

MI伴热线特性： 耐腐蚀型、高性能输出、高机械强度、安全耐火。

3 MI伴热线的设计选型

3.1 MI电伴热产品选型原则

(1) MI电伴热带属于恒功率式伴热带，输出功率不随外界环境变化而改变，因此伴热带不允许交叉，以避免管线局部过热而引起的绝缘层损坏和管线内石油受热不均。

(2) 为了避免交叉，MI电伴热带应该尽量选择用于长距离直管伴热。

3.2 伴热线设计所需要的条件

MI电伴热设计需要的通用参数： 最低环境温度；环境条件，如酸、碱、盐、雾等腐蚀条件；爆炸性危险区域，如采用NEC或IEC分类方式；接线盒、温控器等附件的防护等级。

与管线相关的参数包括： 管线号；介质；管径；保温材料及保温层厚度；管线长度；管线上散热件的数量，如阀门、法兰、管线支架、过滤器、泵等。设计时应考虑裕量，安装时多缠一些以弥补这部分散热损失。

温度要求： 管线的维持温度、暴露温度、设计温度。由于MI(矿物绝缘)伴热带使用温控器进行温度控制，为避免温控器频繁启停时影响正常的工作温度，维持温度的设定和温控器的安装位置很重要。

维持温度要根据不同介质的要求设计。对于原油等凝点较高的介质，伴热带的目的是防凝。假设管线的操作温度是70℃，原油凝点为35℃。设计时如果维持温度高于70℃，会导致连续加热，从而造成浪费；如果设计维持温度为70℃左右，则可能因为温度波动而频繁起停；因此比较好的选择是按照“凝点+温控精度(5℃)+裕量(5℃)”的原则来设计。对于水等介质，伴热带的目的是防冻，因此只要将维持温度设计在高于冰点10℃以上就可以。对于一些特殊的环境，伴热带的目的是保证操作条件稳定，比如防止气体在运输过程中发生冷凝，维持温度的设定值要高于操作温度5℃左右。

3.3 MI伴热产品的选型计算

3.3.1热损失计算

电伴热的目的是弥补设备的散热损耗，因此选择电伴热产品时首先要进行热损失计算。热损失计算有三种方式。第一种是使用通用公式进行计算。管道热损失计算的简化公式为[3]

(1)

式中：q为单位长度热损失；Tp为要求的维持温度；Ta为最低设计环境温度；D2为管外径(包含保温层)；D1为管内径；k为导热系数。上面的简化公式依据是BS 6351—1983,但是准确性不高，只能做粗略估计。

第二种方式是根据厂家提供的热损失表，根据管径、温差、保温层厚度等查表获得。

第三种方式是直接用厂家给的选型软件进行计算。

无论采用哪种计算方式，一般计算值要乘1.1～1.2的安全系数作为电伴热需要弥补的热损失。

3.3.2产品选型

MI伴热产品选型要考虑维持温度、维持温度下的输出功率以及护套最高耐受温度。简单的原则是在一定护套最高耐受温度下维持所需的维持温度时的发热功率不低于热损失，同时要考虑该工况下的耐热性能和耐腐蚀性能。

3.4 电伴热计算书

MI电伴热的计算书由三部分组成： 设计条件，即前面提到的设计参数；伴热设计，包括伴热带的型号、长度、在要求温度下的输出功率、启动电流、工作电流、操作功率、工作电压等；回路编号，表示伴热线所在的配电柜的编号和回路编号。

4 MI伴热产品的设计配置

一个MI电伴热系统包括伴热带、接线盒、温控器以及各种附件。根据伴热线与接线箱的接线方式不同，MI电伴热系统有四种安装形式。以合金825系列电伴热产品为例，四种设计形式如图2所示。

MI电伴热线设计形式线芯数配置A单芯(61系列)B单芯(61系列)D双芯(32，62系列)E双芯(32，62系列)

图2 MI电伴热线设计配置

Fig.2 Configuration of MI electric heating cable

伴热线组件是一套厂家提供的完整组件，由互相连接的一段发热区和非发热区(冷端线)组成，预先进行端接，适合通过1个NPT-螺纹连接件接入接线盒。

5 MI电伴热的应用与展望

5.1 MI电伴热目前应用实例

由于MI电伴热带具有高功率输出以及耐高温等特点，目前MI伴热主要应用在极端低温需要高功率输出以及操作温度高需要耐高温的陆地环境中。

在尼克森油砂项目中，环境温度可以达到-45℃，而各系统的操作温度和设计温度远高于环境温度，如表1所示。

表1 尼克森油砂项目中部分管线的温度设置

在表1中，环境温度指的是管线长时间暴露所在的外在环境的温度；运行温度指设备正常运行时管线中介质的温度；维持温度指需要通过伴热保持的管线的温度；设计温度指管线内的介质短时间能够达到的最高温度。例如对于管线29102ET-P1423-01来说，所选取的伴热产品既要满足大于56.5W/m的功率输出，又要承受294℃的高温。MI伴热可以提供269W/m的输出功率，最高暴露温度达到650℃，完全可以满足需要，然而普通的自限温式的伴热满足不了如此高的输出功率要求。

由于MI电伴热带具有伴热温度高、发热量大、发热效率高、发热均匀、易于自动控制的优点，在一些陆地项目中，使用MI电伴热带全线等温预热管线，能够解决低温黏油管线的“冷油头”问题，能够大量减小能耗，提高伴热效率[4]。

此外，MI电伴热带使用合金电缆护层，中间是紧密的氧化镁绝缘层，内层是固体合金或铜导线，这种高含量的镍铬合金非常适合高温条件[5]。所以对于操作介质温度较高(200℃以上)的管线伴热，一般也使用MI电伴热带进行伴热。

5.2 MI电伴热带在海洋工程中的应用展望

在我国渤海、东海、南海的海洋石油平台上，现有的伴热形式大部分为自限温式伴热。但是自限温式电伴热带并不能够适应所有的工况条件，伴热带的选用必须结合当地的工况环境和温度条件，如图3所示。

图3 伴热类型选择流程Fig.3 Process of selecting electric heating type

目前，随着海工业务范围的扩大，一些海洋工程项目例如亚马尔LNG项目也大量使用了MI电伴热带，以适应北极的低温环境。

就防腐蚀方面来说，在平台设计和建造过程中电伴热带的防腐蚀性能研究较少。一般来说，无论是自限温式电伴热带还是MI电伴热带的伴热线芯都不会与管线直接接触，同时管线和伴热外有保温层和防水层(见图4)，避免了电伴热带与外界环境直接接触，所以很少出现电伴热带腐蚀现象。然而在一些陆地项目中使用的集肤效应伴热会在伴热管与管线的焊接处出现腐蚀[6]。此外有些MI(矿物绝缘)电伴热带还带有高密度聚乙烯等耐高温的防腐蚀护套，所以在即便是在潮湿、高盐的海洋石油平台环境中，MI(矿物绝缘)电伴热带也不会被腐蚀。

图4 MI伴热系统基本组成Fig.4 Basic composition of MI heat tracing system

6 结 语

MI电伴热带具有高功率输出、耐高温、耐腐蚀、发热均匀等良好性能，能够在极低的环境温度以及极高操作温度条件下稳定工作。在一些陆地项目中，MI电伴热成功解决了低温下黏稠介质管线保温、极低温度下高功率输出以及高温介质管线伴热等问题，并取得了良好的效果。

虽然目前在国内的海洋石油平台中并没有大量使用MI电伴热，但是MI电伴热确实可以作为一种备选以应对特殊的工况要求。随着国内海工业务的扩张以及LNG业务的增加，海工项目业务范围已经不止局限于海洋石油平台的设计、建造、安装，也不会只局限于目前中低纬度海域开发。可以预见MI电伴热将会在合适的条件下发挥它的作用，来弥补常用的自限温式电伴热的不足。

[1] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程电气、仪控、通信设计(第三册)[M].北京： 石油工业出版社,2007： 289-290.

Guidelines for Offshore Oil Engineering Design Editorial Committee. Electrical, instrument control and communication design foroffshore oil engineering (Volume Ⅲ) [M]. Beijing： Petroleum Industry Press, 2007： 289-290.

[2] 郭宏，李艳.海洋工程中电伴热的选型及应用[J].中国海洋平台，2002,17(3)： 36.

Guo Hong, Li Yan. The choosing type and application for the electrical heat tracing system in offshore [J]. China Offshore Platform, 2002,17(3)： 36.

[3] 刘志伟，郭建慧.浅谈国际项目中电伴热的设计[J].科技创新导报，2009(2)： 119.

Liu Zhi-wei, Guo Jian-hui. Design of electric heat tracing in international project [J]. Science and Technology Innovation Herald, 2009(2)： 119.

[4] 赵晓刚，周毅，赵健宇.输油管道MI电伴热优化设计与应用[J].油气储运，2016，35(8)： 833.

Zhao Xiao-gang, Zhou Yi, Zhao Jian-yu. Optimal design and application of MI electrical heat tracing in oil pipeline [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2016,35(8)： 833.

[5] 杨育红，岳伟挺.热工仪表与管道的电伴热保温系统的应用[J].水利电力机械，2007，29(12)： 15.

Yang Yu-hong, Yue Wei-ting. Application of electric tracer heating system in instrument and metrical pipelines [J]. Water Conservancy & Electric Power Machinery, 2007,29(12)： 15.

[6] 王玉福，王红，马祥礼，等.集肤效应电伴热管线局部腐蚀研究[J].石油化工高等学校学报，2011，24(2)： 73.

Wang Yu-fu, Wang Hong, Ma Xiang-li, et al. Local corrosion of skin electric current tracing pipeline [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2011,24(2)： 73.

ApplicationDesignofMineralInsulatedElectricHeatTracinginOffshoreOilEngineering

LIZhen,ZHANGHao,ZHUHai-feng,XUESong,LIUXi

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Nowadays, normal electric heating tracing in offshore oil engineering cannot provide high power and adapt to extreme hostile working conditions. Mineral insulated (MI) electric heat tracing shows its good performance confronting -40℃ extremely low temperature and high corrosive working condition in Nexen Oil Project. It provides a new idea for electrical heating tracing in offshore oil engineering which requires providing high power and resisting extreme hostile working condition. We study the feasibility of application of MI electric heat tracing in offshore oil engineering and introduce the typical characteristics including main products, working principle, application areas, selection of design, and installation and application.

offshore oil engineering; mineral insulated (MI) electric heat tracing; product classification; working principle; application design

2017-05-02

李震(1990—)，男，学士，助理工程师，主要从事海洋石油工程方面的研究。

P751

A

2095-7297(2017)03-0145-05