发表时间：2019-09-21T23:09:48.827Z 来源：《基层建设》2019年第19期作者：魏鹏飞1 赖君安2 吴生房3 李浩4
[导读] 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。
1、广州市盾建地下工程有限公司广东广州 510000
2、
3、
4、中建安装工程有限公司江苏南京 210000
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配合比
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
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。
麦克米伦缺口
(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/1
mm。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%。
检索词
（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。
看云识天气教学设计（5）集肤电缆护套计米印字。
2.8.2集肤电缆结构
任建宇案
图10 集肤电缆结构图
2.8.3集肤电缆敷设及接线
安贞医院体检中心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
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议