李文娟，王銀邦，武文慧

中國海洋大學(xué)，山東青島266100

重力式平臺水下儲油保溫技術(shù)研究

李文娟，王銀邦，武文慧

中國海洋大學(xué)，山東青島266100

對重力式平臺的水下混凝土儲油罐進行了溫度場的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)罐壁周圍的凝油層較厚，在一個儲油周期中儲油罐需加保溫層才能滿足原油的儲運要求。為了提高水下儲油罐的保溫性能以滿足海底原油的儲運要求，提出了三種適用于水下儲油罐的保溫方案，并對經(jīng)濟效益進行了對比分析。結(jié)果表明，采用聚氨酯泡沫保溫方案能顯著提高儲油罐的保溫性能，且符合經(jīng)濟效益最大化原則，同時具有較高的工程可行性。

水下儲油；保溫；節(jié)能；重力式平臺

0 引言

我國的海上油田主要分布在近海海域，其特點是水深較淺，小塊油田多，原油產(chǎn)量低，凝固點高，屬于淺海邊際油田。水下儲油生產(chǎn)方式將油氣與火源、雷電隔離，不僅安全性好，油氣損耗小，而且可以降低平臺所受工作荷載和外部環(huán)境荷載，大幅降低油氣集輸環(huán)節(jié)成本，比較適用于我國淺海邊際油田的開發(fā)[1]。

水下儲油主要有重力式水下儲油和油水置換水下儲油兩種方式。重力式水下儲油具有抗腐蝕性強、易維修和造價低等優(yōu)點，與油水置換方式相比，消除了油水接觸帶來的環(huán)境污染，也降低了因油水熱交換帶來的熱能損耗[2]。國外在上世紀70年代首次建成重力式平臺并投入使用，此后得到了較廣泛應(yīng)用，但我國海上油田至今尚無采用重力式平臺的先例，主要存在三個方面的技術(shù)難題有待解決：地基的失穩(wěn)傾覆破壞、桶形基礎(chǔ)底部的沖刷淘空和水下儲油保溫技術(shù)。由此可見，解決水下儲油保溫技術(shù)問題在我國淺海油氣開發(fā)中具有重要意義。

國內(nèi)很多學(xué)者對水下儲油技術(shù)也做了大量的研究工作。盧佩瓊[3]對水下儲存高凝原油的傳熱規(guī)律做了研究，初步論證了水下儲存易凝油的可行性，同時驗證了采用外循環(huán)方式加熱原油是行之有效的方法。陳毓琛、馮旅平[4]建立了油罐的分區(qū)傳熱模型，用差分法得到原油的表觀導(dǎo)熱系數(shù)。張日向等[5]對水下混凝土儲油罐的溫度場進行了數(shù)模優(yōu)化計算。現(xiàn)有的研究工作大部分集中在水下儲油傳熱規(guī)律的研究，而提出一種具體實用的水下油罐儲油保溫方法的工作相對較少。鑒于我國邊際油田生產(chǎn)的原油大部分屬于凝固點較高的易凝油，在重力式平臺水下儲油保溫技術(shù)中，如何保持高凝原油的良好流動性顯得尤為重要，它既是水下儲油關(guān)鍵技術(shù)之一，也是水下儲油技術(shù)走向工程應(yīng)用實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)難點。本文的研究目的即通過分析重力式平臺底部油罐的溫度場變化，提出一種較為經(jīng)濟可行的保溫方案來提高油罐的保溫性能以滿足海底高凝原油的儲運要求，可為國內(nèi)重力式平臺的開發(fā)應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持。

1 重力式平臺模型簡化

本文采用的淺海重力式平臺模型如圖1所示，主要由底部混凝土儲油罐、支撐立柱、上部平臺甲板和桶形裙板四部分組成。其中，混凝土儲油罐為圓柱形封閉結(jié)構(gòu)，浸沒在海水中，設(shè)計尺寸為：內(nèi)直徑16 m，內(nèi)高3 m，壁厚40 cm，儲油量603 m3；桶形裙板插入海底，主要作用是抗傾覆和滑移。此重力式平臺適用于25 m左右水深的淺海邊際油田，原油產(chǎn)量較低，一般需一周左右往陸上運輸一次，為小儲量平臺。

圖1 重力式平臺的模型示意

本文在對底部儲油罐的溫度場分析中，為了簡化模型計算作了如下幾點假定：

（1）儲油罐外壁的周圍環(huán)境溫度是穩(wěn)定的，因為罐體體積與外界海水環(huán)境相比很小，海水溫度的變化可忽略。

（2）根據(jù)圓柱體油罐的軸對稱特征，將其簡化為二維平面熱傳導(dǎo)問題，計算量可大大減少。

（3）儲油罐側(cè)壁與海水之間的傳熱按對流換熱計算；考慮到罐底部與海床接觸處有大量的海底孔隙水，故將油罐底板與海床的傳熱也近似看作是與海水的對流換熱，邊界條件和側(cè)壁相同。

（4）桶形裙板對油罐溫度場的影響較小，不加考慮。

（5）不考慮凝油層相變問題對油體熱傳導(dǎo)過程的影響（若考慮凝油層較復(fù)雜的保溫作用，則實際油體的溫度還會更高一些，故本文的結(jié)論偏于保守）。

由熱傳導(dǎo)理論[6]，可得熱傳導(dǎo)/控制微分方程為：

式中ρ——原油密度；

c——原油比熱容；

T——儲油罐罐壁溫度；

t——時間；

λx、λy、λz——分別為原油在三軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)；

qv——單位時間內(nèi)熱源的生成熱量，本例取為0。

設(shè)儲油罐原油區(qū)域?qū)嵯禂?shù)為常數(shù)，并考慮軸對稱特性，上式可簡化為：

罐內(nèi)原油溫度的變化會引起原油與罐壁接觸區(qū)域油體的運動，故兩者的傳熱按對流換熱計算；對儲油罐外壁與海水接觸區(qū)域，接觸面上的傳熱也按對流換熱計算，則第三類邊界條件為：

式中n——邊界法線方向；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)；

β——對流換熱系數(shù)；

Tc——儲油罐周圍海水溫度，本例以渤海灣勝利油田為背景，按冬季最寒冷時最不利溫度工況計算，取4℃。

2 儲油罐的保溫性能分析

2.1 熱分析計算參數(shù)

參考勝利油田生產(chǎn)原油的物理性質(zhì)，20℃時原油密度850～860 kg/m3，本文取900 kg/m3，凝固點34～39℃。水的對流換熱系數(shù)一般取200W/（m2·K），考慮到海水富含導(dǎo)熱離子和海底底流影響，海水與罐壁對流換熱系數(shù)取450 W/（m2·K）?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)一般在1.74～2.33 W/（m2·K）之間，取中間估計值2.0 W/（m·K）。其他參數(shù)見表1。

表1 ANSYS熱分析計算參數(shù)（部分）

有限元分析的初始條件：原油進罐平均溫度70℃，海水溫度取渤海灣海水的最低值4℃。

2.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

本文選用ANSYS Thermal模塊進行溫度場模擬。ANSYS熱分析有穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)兩種，本例屬于瞬態(tài)熱分析。

根據(jù)重力式水下儲油罐溫度場的軸對稱特征，為簡化數(shù)模計算，建立了平面二維有限元模型，采用熱分析四邊形單元PLANE55，此單元可作為一個具有二維熱傳導(dǎo)能力的平面或軸對稱環(huán)單元使用，具有4個節(jié)點，每個節(jié)點只有1個溫度自由度，可用于穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析[7]。

對油罐的三面罐壁均施加對流換熱載荷，模擬一個儲油周期（設(shè)為7 d）內(nèi)的溫度場變化，得到油罐的三維擴展溫度分布云圖（見圖2）。分別取油罐邊緣節(jié)點1 728、凝油層部分節(jié)點1 726和1 727、油體中心部位節(jié)點1 715，以及凝油層與油罐中心部位之間的節(jié)點1 722，觀察其溫度變化規(guī)律（見圖3）。可知，油罐邊緣區(qū)溫度變化遠遠大于中心點溫度變化，溫度降低幅度大，油罐邊緣及凝油層節(jié)點溫度已降至凝固點以下。

按照高凝原油的儲油要求，貯油溫度應(yīng)比凝固點高10℃以上。數(shù)值計算結(jié)果表明，重力式儲油平臺底部混凝土油罐的保溫性能一般，罐內(nèi)油體冷卻后凝油層較厚，原油溫度降幅較大，在一個儲油周期內(nèi)僅有不足60%的原油保持流動性，不能滿足大多數(shù)情況下高凝原油的水下儲存轉(zhuǎn)運要求，建議采取保溫措施，提高儲油罐的保溫性能。

圖2 168h溫度分布云圖/℃

圖3 各節(jié)點168 h溫度變化曲線

3 水下油罐保溫措施研究

我國淺海邊際油田生產(chǎn)的大部分原油是油氣、石蠟液體、水等的混合物，當外界海水溫度較低時，原油析蠟，原油流動性變差并發(fā)生沉積，不利于輸運和利用。采用外部電加熱的方法會耗費大量熱能，且檢修成本較高。近年來，節(jié)能減排、保護生態(tài)環(huán)境已成為大勢所趨，故研究水下儲油的絕熱保溫方法具有十分重要的工程實用價值。

3.1 海底環(huán)境下應(yīng)用的保溫材料

海底環(huán)境下的保溫材料需長時間浸沒在海水中，處于濕度大、靜水壓高、內(nèi)側(cè)流體溫度高、外側(cè)海水冷的工況下，故要求保溫材料除了具有良好的保溫性能外，還需具有吸水率低、抗壓強度高、防腐性能強、耐碰撞、整個服務(wù)周期內(nèi)不老化以及易于安裝與維修等特點[8]。

保溫材料從結(jié)構(gòu)上可分為發(fā)泡型、空氣層型和纖維型三大類。其中，發(fā)泡型保溫材料具有導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低、抗壓強度高及易于成型和施工等優(yōu)點，在海上各類石油平臺結(jié)構(gòu)的保溫中得到越來越廣泛的應(yīng)用[9]。海洋工程中最常用的幾種發(fā)泡型保溫材料有聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯（PVC）泡沫塑料、環(huán)氧樹脂泡沫塑料等，均屬于有機發(fā)泡材料，而無機發(fā)泡材料因工藝不完善保溫效果不太理想，在海洋工程中應(yīng)用較少。

聚氨酯泡沫塑料是一種有機聚合物，具有保溫隔熱性好、導(dǎo)熱系數(shù)?。?0.03 W/（m·k））、密度低（40～100 kg/m3）、吸水率低（<30 mg/m3）、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，是目前一種較好的保溫材料。這種材料能較容易地一次制作成所需要的厚度、密度和形狀；其缺點是抗壓強度較低，易損壞，閉孔率達不到100%。因此，在其外面必須有一層可靠的防水保護層。聚氨酯泡沫塑料的使用歷史較長（大約有30年），因而制造工藝和施工技術(shù)都比較成熟，在海底工程保溫方面有許多成功的例子，一般用于水深＜50 m的海工結(jié)構(gòu)。與其他泡沫保溫材料相比，其導(dǎo)熱系數(shù)最小，保溫效果最好。

聚氯乙烯泡沫塑料蜂窩狀結(jié)構(gòu)中含有某種惰性氣體且基本不透水，閉孔率可達100%，抗壓強度較高（＞2.5 MPa），適用于深水海底工程。與聚氨酯泡沫塑料相比，其缺點是密度較大（130～400 kg/m3），導(dǎo)熱系數(shù)較大（0.035～0.062 W/（m·k）），聚氯乙烯泡沫塑料是近幾年來才得到應(yīng)用的保溫材料，使用歷史較短，制造與施工技術(shù)尚不成熟，實際工程應(yīng)用的例子與聚氨酯泡沫塑料相比也要少得多。但由于具有不吸水和抗壓強度高的顯著優(yōu)點，這種保溫材料越來越多地應(yīng)用于海工結(jié)構(gòu)的保溫。

環(huán)氧樹脂泡沫塑料是由環(huán)氧樹脂聚合體填充中空玻璃微珠、固化劑等其他添加劑制備而成。與以上兩種泡沫塑料相比，環(huán)氧樹脂泡沫塑料具有更高的抗壓強度（室溫下9～10 MPa，100℃時7～8 MPa），更高的耐熱溫度（＞120℃），因而這種保溫材料較適合于深水海域及所輸流體溫度高于120℃的海工結(jié)構(gòu)[10]。其缺點是市場價格較高，使用成本較高；另外，其導(dǎo)熱系數(shù)較高（0.10～0.15 W/（m·K））、密度較大（300～600 kg/m3）、閉孔率達不到100%（為88%～95%），外表面必須設(shè)有可靠的防水層。

3.2 防水保護層材料

可用作海洋環(huán)境下發(fā)泡型保溫材料的防水保護層材料主要有：高（低）密度聚乙烯、模制聚氨酯、橡膠和其他防水材料，其中高密度聚乙烯是應(yīng)用最多的防水保護層材料。用聚乙烯作為保溫材料的防水保護層，可有效阻止水向保溫層的滲透，同時這種材料具有很好的電絕緣性能，且易于加工成型。用這種材料制成的防水保護層具有一定的抗磨、抗沖擊、抗撕裂和抗拉性能，可滿足施工載荷的要求。目前，對于聚氨酯泡沫保溫材料，國內(nèi)外均采用聚乙烯作為防水保護層。本文選擇高密度聚乙烯作為油罐保溫材料外部的防水保護層。

3.3 采取保溫措施后油罐的保溫效果分析

按照GB 50264-1997《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》附錄B關(guān)于最大允許熱損失的要求，綜合考慮本水下儲油罐的工程特點，取保溫層的厚度為100 mm。在以上三種保溫材料中選取導(dǎo)熱系數(shù)最大的環(huán)氧樹脂泡沫塑料，若保溫后罐內(nèi)原油在一個儲油周期后的溫度場分布能夠滿足工作要求，則采用其他兩種保溫材料也均能夠滿足工作要求。

在ANSYS數(shù)值計算中，取環(huán)氧樹脂泡沫塑料保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/（m·K），在儲油罐外側(cè)壁、頂面、罐底做環(huán)氧樹脂泡沫塑料保溫層和外部防水層，得到168 h溫度分布云圖如圖4所示；分別取油罐邊緣節(jié)點344、凝油層部分節(jié)點343和342和油體中心節(jié)點337，以及凝油層與油體中心部位之間的節(jié)點341，其溫度變化曲線如圖5所示。

圖4 環(huán)氧樹脂泡沫塑料保溫后的儲油罐168 h溫度分布云圖/℃

由圖4及圖5可見，在一個儲油周期內(nèi)，罐體溫度與海水接近，罐內(nèi)油體內(nèi)部油溫大部分保持在62～70℃，罐壁凝油層明顯變薄，從罐體內(nèi)表面到原油非凝界面僅約15～20 mm，熱傳導(dǎo)十分緩慢，有83%以上的原油保持流動性，相對于沒有采取保溫措施的普通混凝土罐，提高了約20%。以上結(jié)果表明，在對油罐做環(huán)氧樹脂泡沫塑料保溫后，其保溫效果有較大幅度提高，能夠滿足海底原油的儲運要求。由于環(huán)氧樹脂泡沫塑料是本文介紹的三種材料中導(dǎo)熱系數(shù)最大的保溫材料，因而另外兩種材料也能滿足海底儲油的保溫要求。

3.4 三種保溫方案的經(jīng)濟效益對比分析

在三種材料均能滿足海底儲油的保溫要求的前提下，找出其中經(jīng)濟效益最大化且工程可行性最高的一種，作為實際工程的油罐保溫材料。

根據(jù)傳熱學(xué)原理，油罐熱損失計算公式[11]：

式中Q——油罐通過罐壁散失的熱量/J；

K——罐壁傳熱系數(shù)/（W/（m2·K））；

Δt——散熱溫差/K；

F——油罐的罐壁散熱面積/m2；

t——油罐使用時間/s。

罐壁傳熱系數(shù)的計算：

式中α1——油品對罐壁的對流放熱系數(shù)/（W/（m2·K））；

α2——罐壁對環(huán)境的對流放熱系數(shù)/（W/（m2·K））；

δi——罐壁或保溫層的厚度/m；

λi——罐壁或保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)/（W/（m·K））。

本例中原油導(dǎo)熱系數(shù)為0.136 W/（m·K），混凝土導(dǎo)熱系數(shù)2.0 W/（m·K），α1取70 W/（m2·K），α2取350 W/（m2·K）。罐壁散熱面積為644 m2。假設(shè)油罐全年運行，年使用時間為365 d。經(jīng)計算，未做保溫的罐壁傳熱系數(shù)為4.6 W/（m2·K），可得保溫前油罐的熱損失為6.18×1012J。

三種保溫方案分別為：100 mm厚聚氨酯泡沫塑料保溫層+2mm厚高密度聚乙烯防水保護層；100mm厚PVC泡沫塑料保溫層；100 mm厚環(huán)氧樹脂泡沫塑料+2 mm厚高密度聚乙烯防水保護層。

據(jù)式（4）和（5）計算得出應(yīng)用這三種保溫方案后每年的熱損失，并得到保溫前后熱損失的減少量?，F(xiàn)行市場電能價格取為0.6元/kW·h，市場上聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料、PVC泡沫塑料、環(huán)氧樹脂泡沫塑料的材料費和施工費之和分別約為2 000、1 600、2 500元/m3，外部防水保護層的市場價約30元/m2，計算得到三種保溫方案的投入與產(chǎn)出的對比情況，見表2。

表2 三種方案的經(jīng)濟效益比較

由表2可知，在重力式平臺的水下儲油罐外部做保溫措施可以大大降低熱損失，保溫效果明顯，不需外部加熱便可滿足海底原油的儲運要求。同時由三種方案的比較可得，無論哪種方案都可以在當年收回成本，具有較好的經(jīng)濟效益。按經(jīng)濟效益最大化的原則來看，傾向于選擇第一種方案，即采用聚氨酯泡沫塑料保溫層和外部防水保護層的方法。聚氨酯泡沫塑料制造工藝和施工技術(shù)都比較成熟，已經(jīng)有很多海底工程的成功先例，將其應(yīng)用在本文的重力式平臺的油罐的保溫方面也會具有很高的工程可行性和巨大的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

本文通過對重力式平臺的底部混凝土儲油罐進行數(shù)值模擬分析，得到了溫度場分布。在此基礎(chǔ)上提出了一種可行的保溫方案，并驗證了其有效性和經(jīng)濟性。初步得到以下結(jié)論：

（1）水下混凝土儲油罐在一個儲油周期中不能滿足原油的儲存和運轉(zhuǎn)要求，需采取保溫措施來保持原油的良好流動性。

（2）為了降低能耗，消除油罐傳統(tǒng)的外加熱保溫能耗量巨大的弊端，本文提出了三種適用于水下油罐的保溫方案。數(shù)值模擬結(jié)果表明三種保溫方案均可以顯著提高油罐的保溫性能，在儲油周期內(nèi)確保了罐內(nèi)原油的運輸和使用。

（3）通過對三種方案的經(jīng)濟效益比較分析，聚氨脂硬泡塑料保溫方案可以實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化，且具有很高的工程可行性?？奢^好地實現(xiàn)節(jié)能減排，是一種理想的水下儲油保溫措施。

[1]王銀邦.淺海重力式平臺水下儲油技術(shù)[R].青島：中國海洋大學(xué)，2013.

[2]彭軍生.重力式混凝土淺海采油平臺的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國海洋平臺，1994，9（2）：47-49.

[3]盧佩瓊.水下儲存易凝原油的傳熱規(guī)律研究[J].油氣儲運，1997，16（8）：4-9.

[4]陳毓琛，馮旅平.混凝土水下油罐的傳熱分析與數(shù)模計算[J].石油學(xué)報，1998，9（2）:119-126.

[5]張日向，曹勤方，康海貴，等.水下混凝土儲油罐溫度場數(shù)模優(yōu)化計算與分析[J].中國海洋平臺，2000，15（4）：11-16.

[6]曹玉璋.傳熱學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

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[9]武應(yīng)濤.海底輸油管道保溫技術(shù)現(xiàn)狀及進展[J].化學(xué)推進劑與高分子材料，2008，6（6）：22-25.

[10]陳俊英，梁富浩.深水水下結(jié)構(gòu)物保溫材料的研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J].船舶工程，2012，34（1）：87-91

[11]Alireza Bahadori.Thermal Insulation Handbook for the Oil，Gas，andPetrochemicalIndustries[M].Houston：Gulf ProfessionalPublishing，2014：1-142.

全產(chǎn)業(yè)鏈高端技術(shù)護航管道建設(shè)

3月24日，新一代全自動焊接裝備CPP900電子元件通過實驗室低溫測試。CPP900包括坡口機、內(nèi)焊機和外焊機，主要技術(shù)指標與世界最先進的美國CRC焊接裝備相當，而成本只有CRC的60%。

CPP900只是中石油管道局高科技產(chǎn)品的一個代表。“十二五”以來，管道局開展重大科技攻關(guān)265項，獲得授權(quán)專利399項，獲省部級以上獎勵25項。管道局已經(jīng)實現(xiàn)了核心技術(shù)自有化、關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化、作業(yè)方式機械化，掌握了涵蓋設(shè)計、施工、檢測、維搶修、投產(chǎn)運行等管道工程全產(chǎn)業(yè)鏈的高端技術(shù)；跨平臺油氣管道SCADA系統(tǒng)軟件，可同時適用于大型油氣調(diào)控中心和站控系統(tǒng)，打破了國外壟斷，性能達到或超過國際先進水平；自2011年起，將管道規(guī)劃、建設(shè)、運行、維護到報廢的全過程進行信息化整合，建立統(tǒng)一的管道信息模型，形成全生命周期管理數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)管道業(yè)務(wù)的信息化管理；由管道局自主研發(fā)的光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)、高清晰漏磁檢測器、大口徑熱煨彎管、大口徑高壓絕緣接頭、大口徑高壓開孔機、油氣儲運自動化控制等裝備，全部應(yīng)用于在建或運營的管道。

有關(guān)專家表示，我國目前長輸管道所應(yīng)用的高鋼級、大口徑、高壓力技術(shù)以及相關(guān)配套施工技術(shù)，均已達到國際領(lǐng)先水平。這些技術(shù)不僅推動了管道局的發(fā)展，而且提升了我國石油管道整體建設(shè)水平。

（本刊摘錄）

Study on Thermal Insulation Technology of Subsea Oil Storage in Gravity Platform

LiWenjuan，Wang Yinbang，Wu Wenhui
Ocean University of China，Qingdao 266100，China

This paper applies finite element method to simulate temperature field of the subsea concrete oil tank of an offshore gravity platform.It is found that the condensate oil layer around tank wall is thick and so tank thermal insulation is needed to satisfy requirements of crude oil storage and transportation during a storage period.To enhance heat preservation property of the oil tank to meet requirements of underwater oil storage，three insulation solutions are proposed in this paper and comparative analysis of their economic benefits is done. Obtained results show that the solution of applying polyurethane foam thermal insulation can not only increase heat preservation property of oil tank dramatically，but also maximize economic benefits and possess high engineering feasibility.

subsea oilstorage；thermalinsulation；energy conservation；offshore gravity platform

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2007AA09Z317）資助

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.018

李文娟（1989-），女，山東濰坊人，中國海洋大學(xué)港口、海岸及近海工程專業(yè)在讀博士生，從事海洋平臺結(jié)構(gòu)研究工作。

2014-07-02；

2015-02-05