硅树脂基复合泡沫在水下多相流量计保温中的适用性分析*

胡晓明 王海兵 石 磊 潘艳芝 张大为 赵月前 曹 曼

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2. 海默科技(集团)股份有限公司 甘肃兰州 730070)

水下多相流量计是水下油气生产系统的重要组成部分，可实时在线测量水下油气单井的油、气、水产量[1-4]，对于油气藏生产优化和流动安全保障具有重要意义。水下生产系统在整个生产周期内都可能面临计划或非计划关断。水下多相流量工作环境外部为高压低温海水，内部为高压高温流体。当临时关井时，内外温差会造成管道内部热量持续散失，如果不采取保温措施，内部流体的温度急剧下降，可能导致原油结蜡或水合物生成，造成输油管道堵塞，使后续作业风险提高。而水下多相流量计多含有节流件，若其内部出现结蜡或水合物等，将无法采用清管球进行清理。因此，基于油田开发方式、油田特性及油品参数等条件对水下多相流量计结构进行保温设计，有利于提高其测量精度及整个设备的安全性、可靠性和使用寿命。

湿式保温是目前主流的水下生产系统相关设备的保温方式[5]，相应的湿式保温材料也得到了很大开发和广泛应用[6-8]。目前常用的水下设备及管道保温的聚合物材料有挤压聚丙烯、硫化橡胶、聚氨酯、环氧树脂、复合泡沫塑料等，其中硅树脂基复合泡沫是FMC公司于2002年开发的湿式保温材料，具有密度低、耐高温(温度最高可达200余摄氏度)等特征[7]。“十二五”期间，中国依托国家科技重大专项进行了复合聚氨酯原材料的研发[9]，并在水下管汇样机进行了湿式保温涂覆施工和海上测试[10]。为打破水下多相流量计长期被国外公司所垄断的局面，中国在“十三五”期间开展了水下多相流量计的国产化研究[11-12]，并在流花油田实现了工程应用[13-14]。

本文依托水下多相流量计国产化研究项目，基于所研发的水下多相流量计的结构特点，建立了水下多相流量计保温效果分析模型，针对硅树脂基复合泡沫材料对水下多相流量计湿式保温效果进行了仿真分析，并将保温设计理论计算结果与相关规范进行了对比，进一步验证了采用硅树脂基复合泡沫作为水下多相流量计湿式保温材料的适用性，最后论述了所研发的国产水下多相流量计的现场应用情况，为水下多相流量计的保温设计提供了参考。

1 水下多相流量计及保温材料

本文所研究的国产水下多相流量计主要结构包括源防护罩、本体(含保温层)、温压传感器、差压传感器、电子仓、电接头等(图 1)。

图1 水下多相流量计整体结构Fig .1 Structure of subsea multiphase flow meter

水下多相流量计的电子仓内部元件有散热要求，需与海水直接接触散热，故不能添加保温涂层。另外，焊颈法兰和源防护罩不与内部流体直接接触，为了确保不会因为外部环境温度降低直接导致内部工作流体温度降低，因此将焊颈法兰和源防护罩的侧面加保温涂层，而端面和紧固件部分不添加保温涂层。因此，水下多相流量计的仿真分析及计算基于上述图1黄色所示的涂层位置进行。

本文所依托的目标油气田开发项目的保温材料选用硅树脂基复合泡沫，整个水下生产系统各设施的保温层厚度为50.8 mm。为与其他水下设施保持一致，水下多相流量计保温材料选用硅树脂基复合泡沫，保温层厚度也取50.8 mm。表1为水下多相流量计保温设计中所涉及的各种材料的热力学参数。

表1 水下多相流量计保温设计材料热力学参数Table 1 Thermodynamic parameters of materials used for insulation design of subsea multiphase flow meter

2 保温效果仿真分析

2.1 仿真模型

为了反映停机后流量计内部介质温度变化，选取水下多相流量计为分析模型，同时在本体外表面、温压传感器、源侧防护罩和电子仓焊颈法兰圆周面处添加保温材料。流量计外部海水温度为7.9 ℃，流速为0.45 m/s，其对应的热对流系数为1.2×10-3W/(mm2·K)；内部流道介质最高温度为110 ℃，最低温度为77 ℃，为此按照介质温度的最高值和最低值2种工况分别进行保温效果的分析校核。形成水合物的临界温度为11 ℃，探头适宜使用温度应不超过70 ℃，最大关井时间为5 h。根据上述要求，建立水下多相流量计保温效果分析模型(图2a，标黄色部分为保温区)，采用自由网格划分方式得到其网格模型(图2b)。

图2 水下多相流量计保温效果分析模型Fig .2 Model for thermal insulation effect analysis of subsea multiphase flow meter

2.2 介质最高温度工况仿真分析

设置初始介质温度为110 ℃，海水温度为7.9 ℃，在水体的外表面施加热对流参数1.2×10-3W/(mm2·K)。经过有限元分析，得到稳态下及停机5 h时水下多相流量计温度场分布，分别如图 3、4所示。

从图3c可以看出，水下多相流量计在正常工作状态下，探头最高温度为64.9 ℃，发生在探头端部靠近本体侧；从图4c可以看出，在停机5 h时，流量计内部介质温度最小值为57.7 ℃，高于水合物形成的临界温度(11 ℃)。可以看出，流量计外表面相应位置添加50.8 mm的硅树脂基复合泡沫，在停机5 h内不会形成水合物，满足设计要求；从图4d可以看出，在停机5 h时，探头最高温度为56.1 ℃，在探头最高允许使用温度范围内，满足设计要求。

图3 水下多相流量计稳态下的温度场分布(高温工况)Fig .3 Temperature field distribution of subsea multiphase flow meter in steady state(high temperature condition)

图4 水下多相流量计停机5 h时整体温度场分布(高温工况)Fig .4 Temperature field distribution of subsea multiphase flow meter for 5 hours after shutdown(high temperature condition)

2.3 介质最低温度工况仿真分析

设置初始介质温度为77 ℃，海水温度为7.9 ℃，在水体的外表面施加热对流参数1.2×10-3W/(mm2·K)。经有限元分析，得到稳态下及停机5 h时的温度场分布，分别如图 5、6所示。

从图5c可以看出，水下多相流量计在正常工作状态下，探头最高温度为46.5 ℃，发生在探头端部靠近本体侧；从图6c 可以看出，在停机5 h时，流量计内部介质温度最小值为41.8 ℃，高于水合物形成的临界温度(11 ℃)。因此，流量计外表面相应位置添加50.8 mm的硅树脂基复合泡沫，在停机5 h内不会形成水合物，满足设计要求；从图6d 可以看出，在停机5 h时，探头最高温度为40.7 ℃，在探头最高允许使用温度范围内，满足设计要求。

图5 水下多相流量计稳态下的温度场分布(低温工况)Fig .5 Temperature field distribution of subsea multiphase flow meter insulation design in steady state(low temperature condition)

图6 水下多相流量计停机5 h时温度场分布(低温工况)Fig .6 Overall temperature distribution of subsea multiphase flow meter for 5 hours after shutdown(low temperature condition)

3 保温层厚度理论计算及分析

材料的导热系数可通过傅立叶方程式计算，即

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Q为所传递的热量，W；K为导热系数，W/(m·K)；A为接触面积，m2；ΔT为温差，K；d为热量传递距离，m；R为总热阻值，(m2· K)/W。导热系数作为材料本身的特性，同大小、形状、厚度无关，只跟材料本身成分相关。

根据EN 673标准[15]，U值(评价材料在单位面积上允许热量通过的能力，W/(m2·K))的计算式如下：

(3)

式(3)中：he、hi分别为外部、内部介质的导热系数，W/(m2·K)；ht为总热导率，W/(m2·K)，其计算式为

(4)

式(4)中：dj为材料层厚度， m；rj为各层材料的热阻，(m·K)/W；M为材料层的数量，j表示材料所在层数，j=1，2，… ，M。

由于在水下环境中，流量计内、外导热系数(he、hi分别为油和水)较大。因此，在水下多相流量计传热系数计算时，U值的计算式可简化为

(5)

本文所研究的水下多相流量计本体材料为F51，导热系数K=16 W/(m·K)，计算时取中部最薄处，外径260 mm，内径66 mm，可求得中部最薄处厚度d为97 mm。

由式(1)、(2)可得

(6)

将数据代入式(6)，可求得水下多相流量计本体总热阻值R为0.006(m2·K)/W，将其代入式(5)即可求得流量计本体材料的U值为167 W/(m2·K)。

可以看出，金属传热系数较大，同理传感器壳体传热系数也很大，无法直接实现隔热保温效果，容易成为系统冷点。为避免水下多相流量计成为水下生产系统的冷点，须添加一定厚度的隔热涂层。根据工程实践经验，要求水下多相流量计的U值不大于6 W/(m2·K)。

为验证水下多相流量计保温效果的仿真分析结果，进一步对50.8 mm厚度的硅树脂基复合泡沫所对应的U值进行计算。添加涂层后，设R1为涂层热阻，R为本体热阻，d1表示硅树脂基复合泡沫的涂层厚度(即50.8 mm)，已知硅树脂基复合泡沫材料的K值为0.167 W/(m·K)，则根据式(6)得到涂层热阻R1为0.304(m2·K)/W。由前所述本体热阻R为0.006(m2·K)/W，则水下多相流量计涂层热阻和本体热阻之和R总=R1+R=0.310 (m2·K)/W。将其代入式(5)，即可求得添加50.8 mm厚度的硅树脂基复合泡沫作为水下多相流量计的保温层后，流量计对应的U值为3.26 W/(m2·K)，不高于6 W/(m2·K)，满足水下多相流量计的保温设计要求。

4 国产水下多相流量计现场应用情况

本文研制的国产水下多相流量计最终应用在流花21-2油田，与进口的水下多相流量计并联安装在水下管汇上进行倒井计量[14]。现场按照上述保温设计方案，选用50.8 mm厚度的硅树脂基复合泡沫对水下多相流量计进行了保温(图7)。该设备已于2021年8月初完成投产调试，目前正在平稳运行中，测试结果与进口水下多相流量计很接近，其中液量误差与客户预期差距小于3%。

图7 国产水下多相流量计现场安装图Fig .7 Site installation drawing of domestic subsea multiphase flow meter

5 结论

1) 以硅树脂基复合泡沫作为水下多相流量计湿式保温材料，其保温涂层厚度选用水下生产系统常用的保温层厚度(50.8 mm)，仿真分析结果表明：在内部流道介质最高温度(110 ℃)和最低温度(77 ℃)2种工况下，无论是稳态还是停机5 h的情况下，水下多相流量计内部介质温度均高于水合物形成的临界温度，伽马探头处的最高温度在允许范围内，满足设计要求。此外，通过理论计算，得出50.8 mm厚度的硅树脂基复合泡沫材料对应的U值为3.26 W/(m2·K)，也满足水下多相流量计U值不大于6 W/(m2·K)的设计要求。

2) 目前所研制的国产水下多相流量计在油田现场运行良好，也充分说明采用50.8mm厚度的硅树脂基复合泡沫作为水下多相流量计湿式保温材料的适用性。