原油长输管道电热膜安全加热系统及其施工方法.pdf

本发明是原油长输管道停输时防止凝管的原油长输管道电热膜安全加热系统及其施工方法。它是将稀土电热膜[3]涂覆在管道[1]的无溶剂液态环氧涂料外防腐层[2]和无溶剂液态环氧涂料防水层[4]之间，稀土电热膜[3]与管道[1]之间的绝缘电阻在400MΩ以上；电热膜[3]在管道[1]上等距离地设为多个加热单元，每个加热单元两端接有电极[5]，由电源线[6]将加热单元两两并联连接，每两个加热单元设置埋地变压器和整流器一套，输出直流电压加在加热单元上，电源使用220-1000V交流电压供电，与并联的多个埋地变压器连接。将本系统加装于原油长输管道进站段，必要时进行停输时的电加热保温，完全能满足埋地原油管道的要求；且安全可靠、使用寿命长、经济。

权利要求书
1.   一种原油长输管道停输时杜绝凝管的原油长输管道电热膜安全加热系统，其特征是将稀土电热膜[3]涂覆在进站段管道[1]的无溶剂液态环氧涂料外防腐层[2]和无溶剂液态环氧涂料防水层[4]之间，稀土电热膜[3]与管道[1]之间的绝缘电阻在400MΩ以上；电热膜[3]在管道[1]上等距离地设为多个加热单元，每个加热单元两端接有电极[5]，由电源线[6]将加热单元两两并联连接，每两个加热单元设置埋地变压器和整流器一套，输出直流电压加在加热单元上，干线电源与并联的多个埋地变压器连接。

2.   根据权利要求1所述的原油长输管道电热膜安全加热系统，其特征是各个加热单元的电热膜[3]之间留有间隙，彼此保持绝缘，这个间隙一般在1厘米左右。

3.   根据权利要求2所述的原油长输管道电热膜安全加热系统，其特征是干线电源使用220-1000V交流电压供电，埋地变压器为输出电压可调式。

4.   一种权利要求1所述原油长输管道电热膜安全加热系统的原油长输管道电热膜安全加热系统的施工方法，其特征是先在管道[1]外涂覆无溶剂液态环氧涂料，形成绝缘基材，在环氧涂层外将电热膜材料分等距段的加热单元涂覆到基体表面，段与段之间间隔开，随即把铜带电极贴固于每段的两端，固化后得到一定电阻值带电极的电热膜，在相邻两段电热膜之间的接口使用环氧涂料密封后加装热缩套管密封，用电源线[6]将每两个加热单元的电极[5]并联连接，此后在电热膜[3]外层采用无溶剂液态环氧涂料涂覆；电源线[6]从每个加热单元的电极[5]接出，每两个加热单元的电源线[6]并联接至整流器的输出端，整流器的输入接变压器的输出，多个变压器的输入并联接至总交流电源；制作电极后就可以通电加热，经测试后根据需要进行表面绝缘处理；最后安装阴极保护系统。

5.   根据权利要求4所述的原油长输管道电热膜安全加热系统的施工方法，其特征是先在管道[1]外涂覆无溶剂液态环氧涂料，形成厚度不小于400μm的绝缘基材，在环氧涂层外用喷涂或刷涂方式将电热膜材料分等距段的加热单元涂覆到基体表面，电热涂料厚度为150±10μm，段与段之间间隔开，间隔为1cm左右，随即在加热单元的两端按电极铜带的宽度涂一层银浆，把铜带电极[5]套贴于银浆上并紧固，在相邻两段电热膜[3]之间的接口使用环氧涂料密封后加装热缩套管密封；此后在电热膜[3]和电极铜带外采用无溶剂液态环氧涂料涂覆；电源线[6]从每个加热单元的电极[5]接出，每两个加热单元的电源线[6]并联接至整流器的输出端，整流器的输入接变压器的输出，多个变压器的输入并联接至总交流电源；干线电源使用220-1000V交流电压供电，每两个加热单元设置埋地变压器和整流器一套，其输出直流电压80V-100V，电流100A-150A，每台变压器为两个加热单元供电；最后安装阴极保护系统：对于镁阳极保护系统是将镁阳极用水浸泡后埋入地下，导线和管道[1]焊接，从管道[1]表面焊接一条导线连接至测试桩，焊点使用100％环氧树脂涂料进行绝缘处理；对于强制电流阴极保护系统则同常规作法。

6.   根据权利要求4或5所述的原油长输管道电热膜安全加热系统的施工方法，其特征是加热单元电极[5]施工时，在铜带电极套贴于银浆上并紧固后，随即用环氧涂料先行密封铜带与电热膜[3]之间的间隙，此后在电热膜[3]和电极铜带外再用无溶剂液态环氧涂料一同涂覆。

7.   根据权利要求4或5所述的原油长输管道电热膜安全加热系统的施工方法，其特征是埋地变压器和整流器是安装在带锁井盖的地井中，接向加热单元电极[5]和交流电源的埋地电源线[6]均套PVC套管。

8.   根据权利要求4或5所述的原油长输管道电热膜安全加热系统的施工方法，其特征是在电热膜管道制作过程中，需对电热膜[3]和管体之间的绝缘进行测试及电火花检漏，合格后继续进行；电热膜[3]外层绝缘制作后，对绝缘层进行电火花针孔测试，对缺陷进行修复后再检测直到合格。

说明书原油长输管道电热膜安全加热系统及其施工方法
技术领域
本发明是原油管道停输时杜绝凝管的原油长输管道电热膜安全加热系统及其施工方法。涉及管道系统技术领域。
背景技术
我国大口径长距离热输原油管道在整个石油输送管道中占有十分重要的地位，随着国民经济对石油的依赖越来越大，石油运输的安全性在整个石油运输中已经占有十分重要的地位。我国所产原油大多为含蜡或高粘稠油，管道运输均需采用加热方式以降低粘度和防止发生凝管事故，在管道加热站点之间的管道温度随着距离的延长不断下降，为了保证管道的安全，进站温度一直保持在凝点3度以上，虽然可以在停输时保持一段时间(目前为24小时)不发生凝管，但也存在两个问题，一是在时间较长时不能保证管道的安全，二是为了保证进站温度在平时运行时管道的温度较高，浪费了大量的能源，消耗掉了大量的燃料油。
虽然在近年来国内进行了含蜡原油添加降凝剂，重质原油采用稀释输送、乳化输送等技术，但还没有能从根本上解决长输管道的加热输送问题，同时在技术推广上也遇到一系列问题，因此，在我国大部分原油长输管道上还将采取加热输送的运行方式。
电热膜加热技术是目前加热效率最高的加热方式之一，其主要特点是电热转换效率高，传热面积大，发热温度低，使用寿命长，可靠性和安全性好。该技术属于在电加热技术领域中的新兴技术，可以广泛应用于军工、石油化工、建筑、机械以及民用等领域。目前就有用于原油开采的井口采油和烧原油锅炉的进油管电热膜加热技术，且有多项专利。但这些技术只适用于几米至十几米短距离的原油管加热，结构也较为复杂。对于长输原油管道这种特殊对像而言，由于一般而言管径较大、距离较长、埋地且管道上都加有阴极保护系统，这些技术就不能适用，所以至今还未运用于原油长输管道。
发明内容
本发明的目的是发明一种原油长输管道停输时防止凝管的安全、可靠、效率高、经济的原油长输管道电热膜安全加热系统及其施工方法。
原油长输管道在运行过程中一直遵循进站温度高于原油凝点3度以上的规定，主要是为了确保在管道停输后在一段时间内不发生凝管事故。凝管的危险主要发生在进站段的几公里范围内，如果能够在最危险的管段即进站段预先设置加热保温系统，杜绝停输时危险管段管道的凝管，不但可以提高停输时的安全性，同时可以在正常运行时降低运行温度，从而降低管道的运行成本。
电热膜加热技术虽然是成熟的技术，但在原油长输管道上应用还有许多要解决的问题，如电热膜与现有防腐系统的藕合问题，即电热膜输油保温系统对管道防腐涂层不造成负面影响；电热膜保温材料和防腐涂层之间的结合强度符合国家长输管道规范的有关要求；使用直流电源进行加热，对阴极保护不造成影响；电热膜涂层在大型管道中的施工工艺问题；对防腐涂层与管道之间的绝缘电阻的要求等。
鉴此，本电热膜安全加热系统如图1所示，是将电热膜3涂覆在进站段管道1的外防腐层2和防水层4之间；在管道1上按所需加热功率确定的等距离分段设为一个加热单元，每个加热单元两端接有电极5，接向电源。
具体是将稀土电热膜3涂覆在进站段管道1的无溶剂液态环氧涂料外防腐层2和无溶剂液态环氧涂料防水层4之间，稀土电热膜3与管道1之间的绝缘电阻在400MΩ以上；电热膜3在管道1上等距离地设为多个加热单元，每个加热单元两端接有电极5，由电源线6将加热单元两两并联连接，每两个加热单元设置埋地变压器和整流器一套，输出直流电压加在加热单元上，干线电源与并联的多个埋地变压器连接。
其中一个加热单元的长度、所加电压和电流的值，在电热膜3产生的热量保证原油管道内原油温度高于凝点3℃的前提下，根据原油管道的管径、地温、输量，计算出每米管道的散热量，进而确定每米管道的补偿功率；至于一个加热单元的长度、所加电压和电流的值，则可据电热膜3的电导率计算出每米管道的体电阻，由此即可选择一个加热单元的长度、所加电压和电流的值，一般而言，一个加热单元的长度大约在50m-100m，所加电压约为80-100V，所加电流约为100-150A。实际上补偿功率可通过调整所加电压予以随机调整，以应对可能变化的加热系统。
其中各个加热单元的电热膜3之间留有间隙，彼此保持绝缘，这个间隙一般在1厘米左右。
其中每个加热单元两端的电极6为圆箍状铜带，套在管道1外涂覆的电热膜3上，在铜带与电热膜3之间加一层导电银浆后紧固铜带。
其中干线电源使用220-1000V交流电压供电，埋地变压器为输出电压可调式。
为了保证安全加热系统的长期安全运行，在安装本安全加热系统的管道1上每1km设置一个测量点，测试安全加热系统的电压、电阻、绝缘、油温、地温参数测试，可就地采集参数或通过远传方式进行数据传送。
安全加热系统的原理
长距离热输管道在运行过程中，为了保证管道中石油的流动，最重要的是保证在管道停输时的安全，避免发生凝管事故。传统上采取提高油温的办法，一是降低粘度，同时为了提供一个允许停输的时间，管道正常运行时的进站温度必须高于凝点，目前的规范是高于3℃以上。进站段几公里管道的温度最低，也是停输时最容易发生凝管的管段。一般在进站前的几公里管道温度仅比进站温度高1℃左右，若在这段管道预先安装电热保温系统，平时不启用，在管道停输时，利用站区的电源启动保温系统，可以保证这段最危险的管道不发生凝管事故，延长了安全停输的时间；而且，由于可以避免凝管事故的发生，在正常运行时可以适当降低运行温度，节约大量燃油，降低运行成本。
根据热油长输管道输送的苏霍夫方程：TL＝T0+(TR-T0)EXP(-3.14*D*K*L/G/C)，不同管道的地温值为确定值，K值为1.8w/m2℃，站间距也为确定值，，原油比热容C值2100KJ/Kg℃，故可计算不同管径、不同输量下管道温度的下降情况。考虑到老管道多年输油已形成地温场效应，且管道末段温度差较小，按照降温后管道温度及地温计算，就可计算出每米管道散热量。补偿热量向管道和土壤两个方向传递，故散热量按1∶1.1计算，那么很容易计算出每米管道的补偿功率及一个加热单元的总补偿功率。由此即可合理选择一个加热单元的长度、所加电压和电流的值。
电热膜3是一种被覆在绝缘基体上的、通电后能发热的薄层面状功能材料，是膜状电热功能材料的简称，其膜层厚度一般为毫米以下。膜状电热功能元件一般由电热功能膜、电极、基体材料三部分组成。稀土电热膜是一种具有一定阻值的导电材料、陶瓷材料和稀土材料组成，可以覆盖被加热物体全部表面，传热面积大，在通电情况下，传热速度极快，热效率极高，而加热材料本身在工作时，温度并不高，也没有发红、炽热等现象产生，辐射损失小，使用安全可靠。
本电热膜安全加热系统的施工方法是：先在进站段管道1外涂覆无溶剂液态环氧涂料，形成绝缘基材，在环氧涂层外用喷涂或刷涂方式将电热膜材料分等距段的加热单元涂覆到基体表面，段与段之间间隔开，在每个加热单元的两端贴固铜带电极5，固化后得到一定电阻值带电极的电热膜3，在相邻两段电热膜3之间的接口使用环氧涂料密封后加装热缩套管密封，此后在电热膜3外层采用无溶剂液态环氧涂料涂覆；电源线从每个加热单元的电极6接出，每两个加热单元的电源线6并联接至整流器的输出端，整流器的输入接变压器的输出，多个变压器的输入并联接至总交流电源；制作电极后就可以通电加热，经测试后根据需要进行表面绝缘处理；最后安装阴极保护系统。
具体是先在进站段管道外涂覆无溶剂液态环氧涂料，形成厚度不小于400μm的绝缘基材，在环氧涂层外用喷涂或刷涂方式将电热膜材料分等距段的加热单元涂覆到基体表面，电热涂料厚度为150±10μm，段与段之间间隔开，间隔为1cm左右，随即在加热单元的两端按电极铜带的宽度涂一层导电银浆，把铜带电极5套贴于银浆上并紧固，在相邻两段电热膜3之间的接口使用环氧涂料密封后加装热缩套管密封；此后在电热膜3和电极铜带外采用无溶剂液态环氧涂料涂覆；电源线6从每个加热单元的电极5接出，每两个加热单元的电源线6并联接至整流器的输出端，整流器的输入接变压器的输出，多个变压器的输入并联接至总交流电源；干线电源使用220-1000V交流电压供电，每两个加热单元设置埋地变压器和整流器一套，其输出直流电压80V-100V，电流100A-150A，每台变压器为两个加热单元供电。最后安装阴极保护系统：对于镁阳极保护系统是将镁阳极用水浸泡后埋入地下，导线和管道焊接，从管道表面焊接一条导线连接至测试桩，焊点使用100％环氧树脂涂料进行绝缘处理；对于强制电流阴极保护系统则同常规作法。
其中加热单元电极5施工时，为确保电极铜带与电热膜3之间长久不进空气、接触良好，在铜带电极5套贴于银浆上并紧固后，随即用环氧涂料先行密封铜带与电热膜之间的间隙，此后在电热膜3和电极铜带外再用无溶剂液态环氧涂料一同涂覆。
其中埋地变压器和整流器是安装在带锁井盖的地井中，接向加热单元电极5和交流电源的埋地电缆均套PVC套管。
为了保证施工质量，在电热膜管道制作过程中，需对电热膜3和管体之间的绝缘进行测试及电火花检漏，合格后继续进行；电热膜3外层绝缘制作后，对绝缘层进行电火花针孔测试，对缺陷进行修复后再检测直到合格；
可见，本发明利用电热膜技术安全可靠、使用寿命长、热效率高的特点，经本施工方法将电热膜安全加热系统加装于原油长输管道进站段，长期处于备用状态，必要时进行停输时的电加热保温，既不影响管道的阴极保护，对管道防腐涂层不造成负面影响，电热膜保温材料和防腐涂层之间的结合强度符合国家长输管道规范的有关要求，完全能满足埋地环境的要求；而且还安全可靠、使用寿命长、经济。
附图说明
图1原油长输管道电热膜安全加热系统构成示意图
其中1-管道      2-防腐层
    3-电热膜    4-防水层
    5-电极      6-电源线
具体实施方式
实施例.以本例来说明本发明的具体实施方式并对本发明作进一步的说明。本例是一电热膜安全加热现场实验系统，是在铁大线某站的进站管段上进行的，该管线的管径为Φ720mm。电热膜安全加热系统的单位长度功率根据现有运行数据，考虑东北输油管道已运行30多年，形成了较稳定的土壤温度场，在管线停输时，冬季地面1.2m处地温定为10℃，K值1.8w/m2℃，保温功率为98.4w/m，电热膜3采用电源线6连接，直流电源供电，通过热电偶测试末端温度给控制柜信号，从而控制电热膜加热系统的电路输出，使温度最低的末端管道内部温度不低于设定值。
本实验系统及施工方法是：
1.在施工中每段施工距离为50m，管段悬空长度不大于8m；
2.施工电热膜完成一段填埋一段，减少管道散热损失；
3.管道1表面进行喷砂除锈，达到Sa2.5级，合格后进行吹风除尘；
4.进行液态环氧喷涂，喷涂时必须均匀，厚度不小于400μm；
5.进行电火花检漏，检漏电压3kv；
6.进行稀土电热膜喷涂，电热涂料厚度为150±10μm，按照企业标准执行；
7.电源采用交流电源供电，交流电源设计为1000V/1000A，目前加热站点电源能够满足要求，电缆使用双芯防水铜芯电缆，电缆截面积100mm2；
8.管道1每50m分为一个加热单元，接头处用导电银浆加铜带电极进行引线，用螺栓与电缆连接，各单元间采用上述电缆并联连接，然后进行防水处理；
9.外层防水采用液态环氧涂料，厚度不小于400μm；
10.每1km设置一个测量点，测试安全系统的电压、电阻、绝缘等参数；油温、地温测试，可以通过远传方式进行数据传送；
11.干线电源系数每100m设置S11-MR型埋地变压器一台，防护等级为IP68，可以全部浸没在水中运行，输出电压为80V，电流150A，变压器埋深1.5m，每台变压器供应两个加热单元；
12.按照每米98.4W计算，每一个加热单元电流为64.5A，使用10mm2防水电缆与埋地变压器电源连接；
13.牺牲阳极保护系统安装：将镁阳极用水浸泡后埋入地下1.5米，导线和管道焊接，从管道表面焊接一条2.5mm2导线连接至测试桩，焊点使用100％环氧树脂涂料进行绝缘处理，安装完毕后使用数字万用表进行了测试；
14.电热膜3和涂料的附着力测试：测试依据GB/T9286-1998，结果达到一级；
15.电热膜管道的测试：在电热膜管道制作过程中，采用兆欧表对电热膜3和管体之间的绝缘进行了测试，绝缘电阻均超过了500MΩ，本次使用的电热膜涂料电阻值为200Ω，厚度为150μm，通电电压为300V时，功率为1560W，可以通过调整电压来控制功率的大小；电热膜外层绝缘制作时，对绝缘层进行了电火花针孔测试，测试电压8kV，发现针孔47个，进行修复后检测直到无针孔；
16.系统试验：对电热膜管道进行了加热与保温试验，管线停输，待油温下降到30℃启动加热系统，加热到32℃并进行保温，然后升温到33℃、34℃进行保温，记录相应温度、功耗等参数，对牺牲阳极保护系统进行测试并记录；
17.牺牲阳极系统的测试：牺牲阳极系统由青岛海孚防腐科技开发有限公司提供，安装深度为1.5m，距离管道1m，经测试保护电压为-1.20V，电热膜通电后测试为-1.20V，采用直流电源供电，对管道的牺牲阳极保护系统不会造成影响；
18.系统在埋地环境中的适用性
由于电热膜材料内外层均由环氧涂料覆盖，因此在埋地环境的适应性主要由环氧涂料的性能决定，根据测试，性能如下：
冲击强度(CSA/Z245.20-M98)
@25℃                     ＞20焦尔
@-30℃                    ＞8焦尔
涂膜硬度(Shore D)    ：   80+/-5
阴极剥离(CSA/Z245.20-M98)
28天@65℃            ：   ＜6毫米
28天@80℃     ：    ＜6毫米
耐化学性能    ：    720小时浸泡后
汽油          ：    无变化
煤油          ：    没有变化
盐水          ：    没有变化
溶剂          ：    没有变化
耐温性能      ：    干热
连续性        ：    90℃
间断性        ：    120℃
盐雾试验      ：    720小时  1 coat@300μm
表面腐蚀      ：    没有变化
表面剥离      ：    没有变化
环氧树脂涂料为有机高分子材料，具有优良的防水和耐腐蚀性能，对电热膜材料具有很好的保护作用。环氧涂料在中石油长距离管道得到了应用，经受了实际运行的考验，与有机高分子稀土电热膜材料结合使用，能够满足埋地环境的要求。
通过以上试验和检测，本系数中电热膜3和涂料的附着力、电热膜3和管体之间的绝缘、对管道1的加热与保温均能达到标准要求，电热膜3对管道1的牺牲阳极保护系统不会造成影响，能够满足埋地环境的要求。
稀土复合电热膜输油管道安全保温系统就是利用电热膜技术在管道进站段进行停输时的电加热保温，在正常输油时不运行，在停输情况下利用该系统维持进站段温度，保证管道的安全。该系统利用站区的原有电源与加热系统连接，利用电热膜安全可靠、使用寿命长、热效率高的特点长期处于备用状态并通过检测予以保持，而且使用维护简单、方便、经济实用。