CN104132960B - 一种模拟深水环境管道保温性能试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟深水环境管道保温性能试验系统，该系统通过模拟水压系统、恒温水浴系统、保温管道循环加热系统分别模拟深水压力、深海海水温度以及进行热介质输送以模拟管道输送的原油，由散热损失测试系统实时采集信号记录处在模拟的深海海水环境温度、深水压力环境下进行所述热介质输送的试验样管工作管中的介质温度、试验样管保温层外表面温度以及保温层外表面热流密度，从而可了解该试验样管在模拟工况下的保温结构的绝热性能；还可进行长时间模拟工况运行试验后，考查管道保温材料物理性能的变化情况，即抗压强度及耐老化性能。

Description

一种模拟深水环境管道保温性能试验系统

技术领域

本发明涉及深水环境下管道保温性能测试技术领域，具体涉及一种模拟深水环境管道保温性能试验系统，用于模拟输油管道在深水压力及温度环境下对保温结构性能进行试验。

背景技术

随着我国对油气的需求量越来越大，为减少油气供需缺口以及国外进口的依赖度，深海油气资源的开发已成为我国能源战略保障的重要环节，得到了大力的发展。不同于浅海采油，深海输油管道无论是在性能,还是在安装工艺上都提出了更高的要求。

深海海底环境温度低、水压大，深海油气输送温度通常较高，若管线保温不利，输送流体很容易生成蜡状物、水合物等固体成分，降低管道流速，阻塞管道，最后造成油田停产、设备损坏，带来巨大的经济损失。

因此，针对输油管道保温结构的研究，如何验证保温结构、材料及不同工艺在深海压力、温度环境的性能，模拟保温输油管道在深海环境下运行，是很有价值的研究项目。

然而，管道保温在开发初期，未得到实验室充分验证前，在海底进行实际铺设、模拟运行是成本高昂且极具风险的选择。因此需要开发一套模拟深水环境下对管道保温性能进行试验的试验系统。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题而提供一种模拟深水环境管道保温性能试验系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种模拟深水环境管道保温性能试验系统，包括模拟水压系统、恒温水浴系统、保温管道循环加热系统以及散热损失测试系统；

所述模拟水压系统包括压力水套装置与对所述压力水套装置加压的试压泵，所述压力水套装置包括一材质、壁厚、规格符合水压试验等级的水套壳体以及水套盲板，所述水套壳体内用于放置由外表面包覆有保温结构层的工作管构成的试验样管，所述工作管的一端密封连接所述水套盲板、另一端焊接有封头；

所述恒温水浴系统包括用于放置所述压力水套装置的保温水箱与用于循环冷却所述保温水箱中的水以模拟深海海水温度的制冷机组；

所述保温管道循环加热系统用于通过循环加热模拟管道输送的原油的导热油以模拟试工作管中介质的输送温度，通过供油口、回油口与安装在所述工作管内可使该工作管中产生供油回路的供油管、回油管连接，

所述散热损失测试系统包括实时采集信号并记录的数据采集器，设在所述供油口、回油口、保温水箱中的温度传感器以及设在所述保温结构层外表面的热流传感器、温度传感器，所述热流传感器、温度传感器分别与所述数据采集器通过信号线相连接。

所述水套壳体由一套管、设在所述套管一端的封头以及设在所述套管另一端的水套法兰焊接而成，所述水套法兰与所述水套盲板相密封连接。

所述水套壳体通过预设的压力表接口、排气口分别连接有压力表、排气阀。

所述供油管和回油管穿过所述水套盲板后伸入到所述工作管内，并与所述水套盲板焊接密封，且所述供油管伸入到所述工作管另一端封头处，所述回油管接到所述工作管的管口处。

所述工作管的封头处以及靠近所述水套盲板的焊接端裸露处包覆保温材料。

所述保温水箱的四周以及底部设有保温层、顶部加保温盖板。

布设在所述保温结构层上的热流传感器、温度传感器的信号线由所述水套盲板上的传感器信号线引出口引出并密封。

布设在所述保温结构层上的热流传感器、温度传感器与所述保温结构层的接触面涂覆导热硅胶，且所述导热硅胶与所述试验样管的管壁完全贴合。

所述保温结构层上的热流传感器、温度传感器布设在所述试验样管中间位置测试截面的管道正上方、右下方135°、左侧90°三个方向。

本发明可模拟深水压力和温度环境、管道热介质输送，可通过测试试验样管工作管介质温度、水环境温度、保温结构层外表面温度、保温结构层外表面热流密度，了解该试验样管在模拟工况下的保温结构的绝热性能；还可利用该系统进行长时间模拟工况运行试验后，考查管道保温材料物理性能的变化情况，即抗压强度及耐老化性能，避免了目前采用在管道保温开发初期，未得到实验室充分验证前，在海底实际进行铺设、模拟运行进行验证管道保温性能的试验方式，从而有效地降低了管道保温测试的试验成本，避免了试验风险。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的模拟深水环境管道保温性能试验系统的结构示意图;

图2所示为本发明实施例提供的压力水套装置的结构示意图；

图3所示为图2的A-A视图；

图中:1.水套壳体，2.水套盲板，3.水套法兰，4.加压口，5.压力表接口，6.排气口，7.工作管，8.保温结构层，9.供油管，10.回油管，11.热流及温度传感器，12.传感器引线出口，13.保温水箱，14.制冷机组，15.试压泵，16.压力表，17. 散热损失测试系统，18.保温管道循环加热系统，19.排气阀。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

请参阅图1-3，一种模拟深水环境管道保温性能试验系统，包括模拟水压系统、恒温水浴系统、保温管道循环加热系统18以及散热损失测试系统17；其中，所述模拟水压系统包括有压力水套装置与试压泵，所述压力水套装置包括有材质、壁厚、规格应符合水压试验等级的钢制的水套壳体1、与所述水套壳体密封连接的水套盲板2；所述水套壳体1内用于放置试验样管，所述试验样管包括一工作管7（工作钢管），所述工作管7的一端焊接所述水套盲板2，所述工作管7的另一端焊接有封头；所述工作管7的外表面包覆有保温结构层8，测试时，所述保温结构层8的表面布设有热流及温度传感器11（包括热流感器、温度传感器），分别用于测试所述保温结构层8的外表面热流密度、保温结构层8外表面温度；

所述水套壳体1由一套管、设在套管一端的封头、设在套管另一端的水套法兰3焊接而成，所述水套盲板2与水套法兰3密封连接。

所述水套壳体1上设有留有加压口4、压力表接口5、排气口6，可用于连接试压泵15、压力表16、排气阀19，以完成压力水套的加压工作，模拟深水压力。

所述工作管7内伸设有用于接设保温管道循环加热系统18的供油口、回油口的供油管9、回油管10，从而可使所述的试验样管中产生供油回路。

具体的，可以是所述供油管9和回油管10穿过并焊接在所述水套盲板2上后伸入到所述工作管内，其中，所述的供油管9较长，伸入到所述工作管7另一端封头处，所述的回油管10较短，只接到所述工作管7的管口处，可使所述工作管7中产生供油回路。

进一步的，在具体试验时，可以根据测试的需要，在所述工作管7封头处，以及所述工作管7靠近所述水套盲板2的焊接端的裸露处，进行适当保温，如可以采用一定的保温材料包覆。

本发明实施例中，所述水套壳体1的套管的长度、内径应根据测试的试验样管的长度及保温结构层8的外径选取，且所述水套壳体1的套管的内壁与保温结构层8的表面间距越小越好，这样可以降低水套介质层厚度，从而减少试验误差。

所述恒温水浴系统，如图1所示，包括保温水箱13与制冷机组14；所述的保温水箱13的四周以及底部有保温层，顶部加保温盖板。由图1所示，在测试时，将连接好试验样管的压力水套装置，置于保温水箱13中，制冷机组14通过循环冷却保温水箱13中的水，模拟深海海水温度。虽然压力水套装置与保温水箱13的低温水隔绝，但由于压力水套装置只起加压作用，介质层较薄，水套为钢制，传热性能好，在系统稳定运行状态下，压力水套装置的介质层温度近似等同于保温水箱13的介质温度。

所述保温管道循环加热系统18使用导热油模拟管道输送的原油，其供油口、回油口分别与所述的供油管9、回油管10连接，对导热油进行循环加热输送到所述工作管形成导热油的循环油路，以模拟工作管中介质的输送温度。

所述的散热损失测试系统17包括数据采集器、在保温结构层8表面布设的所述热流及温度传感器11、在保温管道循环加热系统18的供油口、回油口以及保温水箱13中安装的温度传感器，分别通过信号线或数据线与所述数据采集器相连接，由数据采集器实时采集信号并记录。

所述的热流及温度传感器11的信号线由所述水套盲板2上的传感器信号线引出口12引出并密封。

为了测试的准确性，所述热流及温度传感器11各为三个，即热流传感器与温度传感器各为三个，可分别布设在所述试验样管的中间位置选取的一个或二个测试截面的管道正上方、右下方135°、左侧90°三个方向，如图3所示。

进一步的，所述热流及温度传感器11与保温结构层8的接触面涂覆导热硅胶，且所述导热硅胶与所述试验样管的管壁完全贴合，可避免水进入接触面，保证测试的准确性。

下面，以聚氨酯弹性保温管道试验样管在模拟深水环境的散热损失测试为例，对模拟深水环境管道保温性能试验操作步骤，详细叙述如下：

a) 试验样管长6m，工作管直径Φ219mm，保温结构为单层玻璃微珠复合聚氨酯弹性体（GSPU），平均厚度75mm。选取试验样管的中间位置为测试截面，按图3中 A-A剖面图所示，在试验样管中间位置的测试截面的管道正上方、右下方135°、左侧90°三个方向分别布置热流及温度传感器11，热流及温度传感器11与保温结构层8的接触面涂覆导热硅胶，所述导热硅胶与试验样管的管壁完全贴合，避免水进入接触面，保证测试准确性。

b) 传感器布好后，如图2所示，完成压力水套装置的安装工作，将试验样管一端焊接好封头后，另一端焊接在水套盲板2上，传感器引线从水套盲板2上的传感器引线出口12引出并做密封处理，将焊接好的试验样管穿入水套壳体1，选取的水套壳体1的套管内径为386mm，最后将水套法兰与水套盲板进行连接密封，并进行水套壳体试压。

c) 如图1所示，将安装完成后的压力水套装置放入保温水箱13内；将试验样管的供油口、回油口与保温管道循环加热系统18供油管、回油管连接；将各路传感器的引线引出，连接数据采集器，将保温水箱13内蓄水，使压力水套装置完全浸入水中。

d) 如图1所示，试验系统安装完毕后，开始运行调节及测试工作。循环加热管道介质，稳定输送温度后，开启制冷机组14对保温水箱13中的介质降温并保持恒定，用试压泵15向压力水套装置加压，达到试验压力后进行保压。系统达到测试工况后，观察传感器数据变化，确认已达到亚稳态条件后，开始正式测试，采集并记录数据，采集间隔为10min，连续记录5小时，通过记录的数据考查试验样管在模拟深水环境下的管道散热损失。

通过以上记录的数据可以有效地对验样管在模拟深水环境下的管道散热损失进行考察，从而模拟出深水环境中管道的保温性能。

本发明可通过模拟保温输油管道在深海环境下的运行工况，验证管道保温结构不同制作工艺、材料在深海压力、温度环境下的保温性能。利用该试验系统可通过测试试验样管的工作管介质温度、水环境温度、保温结构层外表面温度、保温结构层外表面热流密度，了解该试验样管在模拟工况下的保温结构的绝热性能；还可进行长时间模拟工况运行，考查管道保温材料物理性能的变化情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模拟深水环境管道保温性能试验系统，其特征在于，包括模拟水压系统、恒温水浴系统、保温管道循环加热系统以及散热损失测试系统；

所述模拟水压系统包括压力水套装置与对所述压力水套装置加压的试压泵，所述压力水套装置包括一材质、壁厚、规格符合水压试验等级的水套壳体以及水套盲板，所述水套壳体内用于放置由外表面包覆有保温结构层的工作管构成的试验样管，所述工作管的一端密封连接所述水套盲板、另一端焊接有封头；

所述恒温水浴系统包括用于放置所述压力水套装置的保温水箱与用于循环冷却所述保温水箱中的水以模拟深海海水温度的制冷机组；

所述保温管道循环加热系统用于通过循环加热模拟管道输送的原油的导热油以模拟工作管中介质的输送温度，通过供油口、回油口与安装在所述工作管内可使该工作管中产生供油回路的供油管、回油管连接，

所述散热损失测试系统包括实时采集信号并记录的数据采集器，设在所述供油口、回油口、保温水箱中的温度传感器以及设在所述保温结构层外表面的热流传感器、温度传感器，所述热流传感器、温度传感器分别与所述数据采集器通过信号线相连接；布设在所述保温结构层上的热流传感器、温度传感器与所述保温结构层的接触面涂覆导热硅胶，且所述导热硅胶与所述试验样管的管壁完全贴合。

2. 根据权利要求1 所述模拟深水环境管道保温性能试验系统，其特征在于，所述水套壳体由一套管、设在所述套管一端的封头以及设在所述套管另一端的水套法兰焊接而成，所述水套法兰与所述水套盲板相密封连接。

3.根据权利要求1或2 所述模拟深水环境管道保温性能试验系统，其特征在于，所述水套壳体通过预设的压力表接口、排气口分别连接有压力表、排气阀。

4.根据权利要求3 所述模拟深水环境管道保温性能试验系统，其特征在于，所述供油管和回油管穿过所述水套盲板后伸入到所述工作管内，并与所述水套盲板焊接密封，且所述供油管伸入到所述工作管另一端封头处，所述回油管接到所述工作管的管口处。

5.根据权利要求1或4所述模拟深水环境管道保温性能试验系统，其特征在于，所述工作管的封头处以及靠近所述水套盲板的焊接端裸露处包覆保温材料。

6.根据权利要求5 所述模拟深水环境管道保温性能试验系统，其特征在于，所述保温水箱的四周以及底部设有保温层、顶部加保温盖板。

7.根据权利要求1或6所述模拟深水环境管道保温性能试验系统，其特征在于，布设在所述保温结构层上的热流传感器、温度传感器的信号线由所述水套盲板上的传感器信号线引出口引出并密封。

8.根据权利要求1所述模拟深水环境管道保温性能试验系统，其特征在于，所述保温结构层上的热流传感器、温度传感器布设在所述试验样管中间位置测试截面的管道正上方、右下方135°、左侧90°三个方向。