摘要：在工业项目中，特别是在化工、医药、煤炭、石油等行业的工业项目中，伴热技术被广泛应用。集肤效应电伴热系统具有适用性强、安全可靠、安装维护简单、加热效率高、易于控制等特点，成为成为伴热系统的发展方向。
关键词：长输油管；码头；集肤伴热；
1.工程概况
由本公司总承包的海南省洋浦港油品码头及配套储运设施工程项目，位于洋浦经济开发区神头港区，建设30万吨级原油泊位和5万吨级成品油泊位各1个、原油储罐120万立方米、成品油储罐12万立方米，陆域占地800.25亩，年设计通过能力2400万吨。码头吞吐量为2160万t/a，其中原油2000万t/a，成品油160万t/a。
1.1施工主要工作内容
其中两根42＂和两根36＂原油管线上应用集肤伴热技术。集肤伴热主要工程量见下表1。
集肤伴热主要工程量表 表1
1.2设计要求
（1）要求介质极限温度工作温度70℃，介质操作温度范围在49～51℃，原油管道最高维持50℃。
（2）电伴热系统要求：电源电压： 10KV/380V 、50Hz
（3）自然条件：
年平均气温： 24.7℃
最低月平均气温： 18.9℃
极端低气温： 7.3℃
最大风速： SW向 32.3m/s
气象条件：高温、高盐、高湿，台风多发。
（4）管道保温材料：高温玻璃棉（导热系数最大0.04w/m.℃），绝热厚度120mm。
（5）设备防爆防腐要求：防爆2区，温度组别T3，爆炸性气体组别IIB，室外防护等级IP65。
（6）控制要求：
控制室内实现电伴热系统回路的温度显示和温度超限报警，温控器采用数字温控、配电柜具有声光报警、采用遵守MODBUS协议、通讯RS-485接口、集肤电伴热配电柜设手自动切换开关、电热带配电箱内预留1个出线回路、所有配电箱设短路、过流过热和漏电保护功能。
（7）集肤效应变压器采用干式SCOTT变压器、分别安置于罐区防火墙外的1#和2#配电所内。
1.3工程难点与特点
（1）本项目处于高温、高盐、高湿，台风多发地区，海洋盐雾效应及台风季雨等极易腐蚀电伴热套管，如何确保电伴热套管的施工质量及使用年限。
（2）根据现场使用环境和要求，如何选择最合适、最经济的集肤效应伴热系统。
（3）本项目管道较长，单回路管道敷设长度为3Km多，总长22Km，温度控制误差在液体流动过程中将会沿着流动方向进行积累，最终造成温度误差较大，如何监控过程温度，减少温度误差。
（4）在确保保温效果的基础上，如何将控制系统的效率最大化，从而将无用损耗降到最低是系统应用中的长远问题。
2.技术原理及流程
2.1 集肤伴热原理
（1）当交流电通过导体时，在导体截面上的电流密度是不一样的，接近导体表皮部分的电流密度较内部的要集中，并且随着交流电频率和导体材料的磁导率的增加，在导线截面上的电流越向导体表面集中。这种现象在电磁学上被称作“趋肤效应”。
（2）趋肤效应（skin effect）的本质是电磁波在导体内衰减，通过电磁感应过程将大部分电能以涡流形式转化为热效应，另一部分电能在交流电路中以无功功率形式存在。
（3）集肤电伴热系统应用“趋肤效应”原理，简单表述为：一根绝缘导体（集肤电缆）穿在一铁磁体钢管里边，电缆一端（末端）与钢管末端（远端）连接，电缆始端和钢管始端之间通以交流电，电流经电缆始端到末端，再从钢管末端返回钢管始端。穿管的电缆由于其周围交变磁场在钢管内感应，带来磁滞损耗产生的热量W1，以及闭合回路电流在钢管上产生涡流W2，附加产生的热量是电缆芯线自身的电阻热W3。
所以总耗散热量计算可表达为：
W=W1+W2+W3
=∫H·dB + I2·RFe＋+ I2·RCu
上式中：∫H·dB为对磁路一个磁滞回线的环积分；
I 为回路线电流；
RFe为回路阻抗，以涡流形式进行能量耗散；
RCu为集肤电缆线芯电阻。
在电缆和钢管返回电流的交叉作用下，电流集中在钢管的内表面，这种现象从接近效果上讲，被称为集肤效应，故以该现象设计的电伴热系统被命名为集肤效应电伴热。
集肤电伴热系统结构示意见图如下：
1、交流电源 2、集肤电缆 3、伴热管 4、接线盒 5、集肤电流层
图1 集肤电伴热系统结构示意图
2.2 伴热形式的确定
针对本项目42”、36”原油管道是采用单伴热还是双伴热，在确定时，应用了伴热系统热学有限元仿真技术对伴热温度场进行计算机仿真。具体如下：
2.2.1单根伴热
第一种情况是单根伴热管对石油管道进行伴热，建立模型如图2.1所示。在建立模型之后，进行材料属性的设置，然后进行网格划分，划分示意见图2.2。
(2.1) 模型建立 (2.2) 网格划分
图 2 石油管道单根伴热管伴热模型及网格划分
在加载了相应的激励源和边界条件之后，得到单根伴热管情况下的温度场分布图和热流导向图，见图3。
(3.1) 温度场分布建立 (3.2) 热流导向图
图 3 单根伴热管的温度场分布和热流导向图
2.2.2双根伴热
建立双根伴热系统，伴热管成180°分布，我们同样建立模型并设置材料属性，进行网格划分，见图4示意。
(4.1) 模型建立 (4.2) 网格划分
图4 石油管道双根伴热管伴热模型及网格划分(180°)
最后加载了相应额边界条件，得到双根伴热管情况下的温度场分布图，见错误！未找到引用源。示意。
图5 双根伴热管的温度场分布(180°)
由上述仿真结果得出：单根伴热管在伴热方面仍然存在加热不均匀的现象，双根伴热管能使石油管道的流体截面上温度达到比较均匀的分布，因此双根伴热管能够达到良好的伴热效果。
2.3 保温层厚度计算
在实际的系统设计当中，首先需要选择合适的保温层厚度。一般保温层越厚，热量散失越慢，相应的消耗的电能也越小，但是增加了保温层材料的费用和外层保护壳的费用，辐射面积也会增大。保温层越薄，辐射的面积减小，保温材料和保护壳费用也相应减小，但是热量散失快，消耗的电能增加。
保温层费用、能耗费用与保温总成本的关系见图6。
图6保温层费用、能耗费用与保温总成本的关系示意图
因此，保温层厚度的确定既要考虑到减缓散热的需要，也要考虑到经济性，我们的目的是找到成本最低的那点。
本项目设计保温采用高温玻璃棉，导热系数最大0.04w/m.℃，主管绝热厚度120mm。
2.4 管线散热量计算
维持管道内介质温度的前提条件是：给管道补偿电功率不小于管道在极端气温下的散热量。
根据海南省洋浦港油品码头及配套储运设施工程项目设计给出条件，计算管线散热量：
Q= K1（2π·λ·ΔT）/{ln[（φ+2δ）/φ]}
式中：K1为安全保险系数取1.3（考虑风速在内）；
保温材料高温玻璃棉的导热系数取值为λ=0.040w/m·k；
δ为保温材料厚度，φ为管道外径。
代入以上数据经计算可知：各管径管线在冬季极端环境温度为7.3℃、维持管线介质温度50℃，管线单位长度散热量见表2.4-1，应用计算机软件计算管线单位长度散热量见表2。
管线单位长度散热量 表2
图7 管线单位长度散热计算机软件应用图
2.5 阻抗计算
应用集肤效应电伴热计算软件，可知铜线和钢管的在不同温度变化下的交流阻抗值，在不同输入条件下个管道号的电伴热数据分别如下所示，以本工程42”原油管道其中一段5390米为例，芯线选择为7级镀镍圆铜复绞线，0℃时电阻率按0.01895，电阻温度系数按0.00393，当设计维持介质温度50℃时输入界面，得出合适的给定电压、集肤电缆和伴热管需求尺寸。具体见图8。
图8 管线单位长度散热计算机软件应用图
设集肤电缆给管道补偿热量为70w/m左右时,就可满足伴热工艺要求，按双伴热工艺复核时，得出给定电压2030V,电缆选型为25mm2，伴热管内外径φ21/27最经济。
2.6 伴热系统施工流程
伴热系统的施工流程如下：
施工准备→套管、接线盒安装→空气吹扫→气密性、通球试验→穿电缆→变压器、配电箱、温控器的安装→ 接线→通电试运行。
2.7 伴热管设置
2.7.1伴热管的材质
集肤效应伴热管应有良好的磁导性，并且套管加工需精良，内部或边口无毛刺，防止拉伤电缆。本工程采用选用精拔无缝碳钢管作集肤伴热管，按标准ASTM A 106 Grade B或GB/T3639 -20#执行，，管径为φ26.9×3（壁厚按Sch40系列），每根钢管长度6～8米。
2.7.2伴热管的安装
焊接采用单面焊接，采用滑焊工艺，焊50mm空600mm，保证了连接强度。见图9所示。
图9 伴热管与输油管固定时的安装图
焊接时必须防止烧穿伴热管，应采用小电流，并采用较细焊条，一般采用Φ2.5的焊条为宜。
伴热管与伴热管连接时应首先将伴热管端口去毛刺、倒圆角，两根伴热管应精密结合。外部加装连接套，套管内径大于伴热管外径1mm，套管与伴热管采用角焊缝全焊。安装示意见图10所示。
图10 伴热管与伴热管连接时的安装图
伴热管与主管线之间的空隙超过5mm处加焊圆钢作垫杆，以利于传热，小于5mm大于2mm加导热胶泥，增加导热性能。见图11所示。
图11 伴热管与主管线的安装图
在弯管上安装伴热管时采用弯管机弯制伴热管，弯曲角度、弯曲半径应与输液管的一致，且应防止出现弯瘪、皱纹或凹陷等缺陷，弯曲部位的伴热管的每端应比实际长约10mm弯制后按实际部位截去，两端均须去毛刺打圆角。
2.7.3穿钢丝
在伴热管安装时，管内应穿钢丝用于穿电缆，规格以8#、10#为宜，也可以采用油井清蜡钢丝进行适当退火后使用，因其弹性较强，不易产生弯曲变形。
2.7.4线盒安装
当伴热管焊接达一定长度（一般为50m左右）可装一个拉线盒。根据施工现场实际情况可以适当调整，当伴热管焊接达到一定长度（一般为500m-800m，视穿线的难易程度而定），可装一个接线盒，根据施工现场实际情况可以适当调整。实际安装接拉线盒的位置要认真作好记录。
接、拉线盒与主管线应焊接紧密，焊接为全部焊，两端伴热管与主管线之间缝隙大于50mm应加垫圆钢焊好再加导热水泥，以增加接拉线盒的密封性能及导热性能。
2.7.5伴热管的防腐
针对本项目气象特征，根据使用现场的实际环境，在实验室中模拟现场环境进行腐蚀检测与分析，根据实验及分析数据的腐蚀情况得出以下较合适的防腐工艺。
首先要求对伴热管进场前采用热浸锌，内涂3M油漆工艺，最大可能保证伴热管防腐质量。
焊接后，对焊接处采用针型打磨机，对焊接处严格打磨，要求防腐等级达到St3级，再热喷锌，因焊接是单面焊接，在另一端采用耐高温胶进行封堵，最后在焊缝上下层抹导热胶泥。
2.7.6空气吹扫、气密性、通球试验
在伴热管、线盒安装完后，集肤电缆安装前，应对伴热管进行空气吹扫、气密性及通球试验，以确保管内杂质和湿气去除、无焊接烧穿、接头连接紧密、管线内畅通。
2.8 集肤电缆设置
2.8.1集肤电缆结构和耐压
本项目集肤电缆结构和耐压说明：
（1）集肤电缆在设计工频下工作，成品电缆耐压等级为空气中20000V×5min不击穿、在浸入室温水中一小时后（不包括两端）能在5min内承受15000V不等的高压不击穿；
（2）集肤电缆芯线采用133根（19股×7）镀镍铜绞线；
（3）集肤电缆绝缘层为进口聚全氟乙丙烯氟塑料（FEP，代号F46），该氟塑料电气强度为10000V/1mm。电缆绝缘层为2层挤塑，内外绝缘层挤塑厚度均为1mm,最薄处不小于标称值的95%。
（4）集肤电缆护套层采用1层聚全氟乙丙烯氟塑料挤塑，厚度1.2mm，该护套作为耐磨层、兼作绝缘层。
（5）集肤电缆护套计米印字。
2.8.2集肤电缆结构
图10 集肤电缆结构图
2.8.3集肤电缆敷设及接线
集肤伴热系统的集肤电缆是特殊工艺生产的电缆，具有较高的热阻特性，是在严酷伴热条件下使用的电缆，耐高温的同时还要耐高压，所以在安装期间要足够小心。
（1）伴热管内穿电缆需在主管线焊接合格后方能进行。
（2）穿接线应从一端向另一端按次序一段一段进行，边穿线，边接线。在接线过程中要十分小心，避免破坏电缆保护套。
（3）穿入管时，在每个拉接线盒的位置至少留守一人以协助拉导体，导体卷应安放在线轴架上，导体应可轻松地拉拽。卷的位置应固定，以防止导体缠绕或卷曲。当从最近的拉接线盒慢慢地拉拽绳时，在加热管的第一个接线盒部位慢慢地输送导体。随着导体不断地进入加热管内，拽绳应该安装或拉到下一个接线盒处。（在穿管时在电缆外表渡甲基硅油，减少穿拉集肤电缆时的磨损。
（4）穿管后，逐段检验绝缘，并作相关检验记录，接线。接线后检验全长绝缘和电阻，作详实记录。
（5）仔细地疏导和监视通过每个接线盒内的路段，确保在每个接线盒内提供足够的导体长度，另每隔1000m左右设缓冲盒一只，以留有足够的集肤电缆长度来防止线路膨胀。
（6)当一个独立伴热段由两段或几段同时施工时，应采取先穿钢丝不穿电缆，或者穿电缆但不接线的方法。否则需另外采取技术措施。
（7)伴热电缆的接线采用压接方法，不脱不断则认为合格。拉线时应注意拉线引力不能超过规定值。
（8）在完成拉线，接头接好后，需立即盖好穿接线盒，需防止进入潮气或进水。
（9）当全部电缆穿完后，每段电缆需用欧姆表检测，每段电缆要加以2500V电压1分钟以上，最低可以接受的电阻是100MΩ/Km。
2.8.4集肤电缆敷接头处理
（1）集肤电缆的对接处理，用镀银铜管把集肤电缆对接、压接牢固后，外缠绕多层3M氟塑料带、进口自硫化硅橡胶带，再加一层耐高温热缩套管，后用3M氟塑料带缠绕。
（2）集肤电缆与尾端盒的连接，用镀银铜接头压接牢固，然后固定于尾端盒的接线柱上，与尾端盒接触良好。
（3）集肤电缆的端接头及中间接头必须由持证电工来完成。
2.9 变压器、配电柜、温控器的设置
图11 变压器次级负载流程图
2.9.1变压器设置
本项目所在地处于高温、高湿、高盐、台风多发地区，变压器设置应充分考虑以上气象特征，宜采用室内干式变压器，如室内放不下，采用适合环境的变压器。
根据本项目特征，变压器设置在配电所内，采用日本富治SCOTT型干式变压器，根据项目控制回路，分别设计变压器负载。
变压器每个次级输出负载（T1、T2）各设置5个抽头，按±5%、±10%档便于现场调整电压和功率输出。变压器次级负载流程图见图11。
2.9.2电伴热控制用配电柜
每台配电柜电源电压来自变压器次级，根据负载回路设置控制柜，各自通过多根0.6/1KV电压等级的电力电缆给负载回路送电。
配电柜具有过流/短路/漏电保护功能, 安装工作指示和故障指示灯, 并设置超温报警和手动复位,数显温控表预留485通讯接口。
集肤电伴热温度控制配电柜示意见图12。
图12 集肤电伴热温度控制配电柜示意图
2.9.3铂电阻探头的设置
本项目单根管道敷设长度为3000多米，为防止温度控制误差在液体流动过程中将会沿着流动方向进行积累，造成温度误差较大的现场出现。每个管路上每隔200米设1个PT100铂电阻探头，将该点温度信号通过各自的型号为KVVP-4×1.5mm2的屏蔽控制电缆引到控制柜内数显温度控制仪显示分段管路温度。
通过分段监控，从而实现将控制误差分段控制，最终将整体控制温度维持在要求误差范围内。
3.关键技术与创新
（1）针对海洋烟雾效应及台风季雨等极易腐蚀环境，对进场电伴热套管取样，根据使用现场的实际环境，在实验室中进行腐蚀检测与分析，根据实验及分析数据的腐蚀情况，采取相应的防腐蚀措施。
（2）复核保温层费用、能耗费用与保温总成本的关系，得出关系曲线及合适的保温材料和保温层厚度，同时结合系统的实际使用环境，采用热学有限元仿真技术对伴热温度场进行计算机仿真，并获取效果数据，选择伴热效果良好的双伴热方式。
（3）利用集肤效应电伴热计算软件，计算散热量和阻抗系数，在多组数据的对比下，得出最经济的给定电压、集肤电缆和伴热管需求尺寸。
（4）每个管路上每隔200米设1个PT100铂电阻探头，将该点温度信号通过各自的型号为KVVP-4×1.5的屏蔽控制电缆引到控制柜内数显温度控制仪显示分段管路温度。
通过分段监控，从而实现将控制误差分段控制，最终将整体控制温度维持在要求误差范围内。
4.技术应用情况
随着工业发展，越来越多的石油化工行业的管线和设备需要在保持介质或工艺物料达到平衡状态的特定温度下运行，而维持温度往往高于外界的环境温度。如只对管线和设备采取保温措施，由于存在热量损失，无论保温层多厚管线或设备的温度最终都会讲到环境温度。管线和设备的伴热，就是要通过外加热为管线和设备提供与其损失相当的热量，使其在维持温度下运行。
集肤伴热相较与其它几种伴热形式（如蒸汽伴热、串联带伴热、自限湿式伴热带等）对比，其具有成本低、运行安全、维护方便、节能效果显著等优点，在长输管线上用集肤伴热成为国际、国内伴热技术应用的大趋势。
参考文献：
[1]常瑞增,港工技术.集肤效应电伴热系统在码头输油管线上的应用.2011(5)
[2]赵晓刚,周毅,赵健宇.化学工程.输油管线集肤效应电伴热的优化.2013(9)
[3]赵晓刚,周毅,赵健宇,高德朋.油气储运.集肤效应电伴热输油管道的优化设计试验,2013(9)
[4]徐方,中国化工贸易.基于集肤效应的输油管网预热技术研究.2013(3)
论文作者:魏鹏飞1,赖君安2,吴生房3,李浩4
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：电缆论文; 热管论文; 温度论文; 管线论文; 效应论文; 管道论文; 导体论文; 《基层建设》2019年第19期论文;