隔熱管外連型結(jié)構(gòu)與直連型結(jié)構(gòu)的熱損失差異

杜韌之

摘要：本文通過介紹一種新的隔熱管結(jié)構(gòu)，即直連型隔熱管，其通過將焊縫無限接近來獲得全長保溫的效果。通過兩種結(jié)構(gòu)多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的熱損失實(shí)驗(yàn)分析，最終得出兩種結(jié)構(gòu)的熱損失差異結(jié)論。

關(guān)鍵詞：隔熱管;結(jié)構(gòu)差異;熱損

隔熱管是注蒸汽開采石油的重要設(shè)備，可以減少注蒸汽過程中的熱損失，提高注汽、采油效率，也能保護(hù)油井套管以及固井水泥環(huán)免受熱應(yīng)力損害。

常見的隔熱管采用外連接形式，其主要由以下材料組成（見圖1）：1、外管;2、內(nèi)管;3、隔熱材料;4、堵頭;5、接箍;6、接箍密封圈。

在管體部位，由于內(nèi)、外管之間的真空腔中存在隔熱材料，熱蒸汽的熱量不易散失。然而，隔熱管在接箍處熱損失較大，通過前人實(shí)驗(yàn)得出接箍與隔熱管外壁處存在長度約為0.5m的熱橋。

接箍區(qū)域的熱應(yīng)力最大，經(jīng)過多次蒸汽吞吐作業(yè)最易形成不安全區(qū)域。本來就容易在下井過程中被大鉗咬傷的接箍更加容易引起應(yīng)力集中造成斷裂。同時(shí)，接箍散失的熱能及偏梯形螺紋泄漏的熱蒸汽會(huì)充滿油、套管環(huán)空，使套管柱產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，加速管套的損壞。

本文提出一種新型的直連型結(jié)構(gòu)方案，意在大幅度解決接箍位置對(duì)井筒熱損失所帶來的影響，同時(shí)分析比對(duì)二者注汽熱損失的差異。

1 直連型結(jié)構(gòu)綜述

本文描述的直連型結(jié)構(gòu)為內(nèi)管直連，一其一端為公扣端，一端為母扣端。外螺紋端內(nèi)管端部鐓粗車外螺紋，外螺紋端外管焊接在內(nèi)管加厚區(qū)。內(nèi)螺紋端內(nèi)管端部鐓粗車內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋端外管端部擴(kuò)口后焊接在內(nèi)管端部。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)公母扣嚙合形成直連。

這種連接結(jié)構(gòu)，熱量只能通過焊縫從內(nèi)管傳遞到外管，其他空間都有真空保溫層包覆?？梢宰畲蟪潭葴p小導(dǎo)熱面積，防止形成類似接箍的熱點(diǎn)，保證蒸汽熱量不易散失。

2 熱損失對(duì)比實(shí)驗(yàn)

對(duì)2種結(jié)構(gòu)隔熱管進(jìn)行熱損失對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

管子就位后對(duì)其進(jìn)行編號(hào)：

直連實(shí)驗(yàn)1：普通E級(jí)隔熱隔熱管，放置于3號(hào)檢測(cè)工位。

直連實(shí)驗(yàn)2：普通E級(jí)隔熱隔熱管，放置于4號(hào)檢測(cè)工位。

直連實(shí)驗(yàn)3：E級(jí)直連型全長保溫隔熱管，放置于5號(hào)檢測(cè)工位。

直連實(shí)驗(yàn)4：D級(jí)直連型全長保溫隔熱管，放置于6號(hào)檢測(cè)工位。

用加熱棒將管子內(nèi)壁溫度加熱至350°C并保溫70分鐘，測(cè)量熱電偶對(duì)應(yīng)的外壁溫度及周邊外壁溫度。

從左至右定義A1、A2、A3、A4為直連實(shí)驗(yàn)1的四個(gè)周邊測(cè)溫點(diǎn)（如圖5）。以此類推定義后三個(gè)試驗(yàn)管的周邊測(cè)溫點(diǎn)。

試驗(yàn)管連接中心外壁溫度隨時(shí)間變化情況如圖6所示。

傳統(tǒng)隔熱管接箍處的熱損失占總體熱損失的比例可以通過下面公式來進(jìn)行計(jì)算：

管體部分的熱損失：

其中U是指?jìng)鳠嵯禂?shù)，對(duì)管體來說，由于進(jìn)行了保溫處理，視導(dǎo)熱系數(shù)為0.002 W/（m.℃），管體的傳熱系數(shù)公式如下：

接箍處的熱損失：

對(duì)接箍來說，由于沒有進(jìn)行保溫處理，因此導(dǎo)熱系數(shù)就是材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)，為45 W/（m.℃），在測(cè)量熱損失的同時(shí)還要考慮對(duì)流換熱，因此傳熱系數(shù)的公式如下：

由于直連型全長保溫隔熱管在連接方式上由于沒有了接箍的存在，因此在連接處只有通過焊縫產(chǎn)生一部分熱損失，這部分熱損失的計(jì)算公式如下：

A1、B1、C1、D1溫度一開始差距不大，都是散熱較多的區(qū)域。C2、D2溫度非常高，其中C2甚至不亞于A2、B2。在直連型隔熱管各區(qū)域中，C2溫度遠(yuǎn)大于連接中心溫度，D2溫度接近連接中心溫度，C3、D3小于連接中心溫度。橫向?qū)Ρ?，直連型全長保溫隔熱管各區(qū)域溫度要低于普通隔熱油管。

C2、D2、與C3、D3雖然對(duì)稱在中心點(diǎn)左右兩側(cè)，但溫度差距明顯。位于焊縫處的C2、D2溫度比C3、D3高了40°C左右。C3、D3與C4、D4的溫度也遠(yuǎn)小于A3、B3、與A4、B4。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)隔熱管與直連型隔熱管的管體熱損失是一樣的;

直連型隔熱管連接處的熱損失只有傳統(tǒng)隔熱管接箍處熱損失的 5% -15% ;

內(nèi)管直連型全長保溫隔熱油管螺紋連接處靠近過渡區(qū)的那一端、以及過渡區(qū)右側(cè)的原管區(qū)的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通隔熱管對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫度，隔熱優(yōu)勢(shì)明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]提高隔熱油管技術(shù)壽命的有效設(shè)計(jì)[J]. 趙從楷.??石油機(jī)械.?1994（08）

[2]提高隔熱油管機(jī)械壽命的有效設(shè)計(jì)[J]. 趙從楷.??石油機(jī)械.?1994（09）

[3]內(nèi)連接隔熱油管隔熱性能分析及應(yīng)用[J]. 張杰，劉志龍，萬芬.??工業(yè)加熱.?2018（01）

勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司 山東 東營 257000