CN115234201B - 一种用于深海稠油回收的复合材料快速集热方法及输油管路结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于深海稠油回收的复合材料快速集热方法及输油管路结构。本发明在碳纤维丝束缠绕成型输油管路两端设置电极并与工作电压相连直接构成电路，利用碳纤维的良导电性产生热量对稠油进行加热以增强其流动性。根据深海输油立管各分段所处深度的差异，在油管各分段内壁处实施差异化碳纤维铺设，使各分段具有不同导热率，在同加热时间下实现稠油在传热方向及速率上的差异化。碳纤维丝束缠绕成型输油管沿径向依次由高导热防渗涂层、内柱面碳纤维电路层、芳纶复合材料隔热层和外侧碳纤维耐压层构成。此输油管路兼具轴向良导热和径向单向传热特点与轻质耐压和淹没态耐腐蚀优势，有利于降低长距离传输热能耗，延长深海输油管路使用寿命。

Description

一种用于深海稠油回收的复合材料快速集热方法及输油管路 结构

技术领域

本发明涉及深海稠油回收领域，尤其涉及一种用于深海稠油回收的复合材料快速集热方法及输油管路结构。

背景技术

深海油田中常常会由于海底地层破裂或海底输油管路破损引起漏油事件的发生，这造成了巨大的经济损失，破坏了海洋中的生态平衡。泄漏点处于海洋大深度环境，此环境下海水温度低(例如1500米深度海水约5℃)且压力大，同时稠油温度也低于正常值(80℃)，动力粘度急剧增加，析出化合物，因此大深度海水低温高压条件下稠油近乎固态。降低高稠度凝油介质的剪切力，增加其流动性，是实现其举升的较好方式。

目前行业内对于深海稠油回收中近乎固态的稠油采用的收集方式大致两种，海水置换法与电加热举升法。海水置换法是指是利用海水、柴油等介质通过安装在平台上的泵对海底输油管路进行正向置换，或利用周边平台上的泵对海底输油管路进行反向置换。电加热举升法是指电源控制柜输出的单相交流电通过电缆传输至油管，油管柱经由交流电流产生集肤效应，集中于油管外壁，迅速发热，使油管内的油液温度升高。海水置换法需在平台上增加相应设施，同时人工置换作业不易操作，工程投资费用较高，实际应用中多选择电加热举升装置。其两种方法所使用的的管路结构类似，分为单层管路、双重保温管与单重保温管。单层管路从内之外依次为钢管、防腐层、聚氨酯泡沫、PE管与混凝土层。双重保温管从内之外依次为钢管、聚氨酯泡沫、钢套管与防腐绝缘层。单重保温管从内而外依次为钢管、聚氨酯泡沫、聚乙烯套管与混凝土。其中使用电加热举升法的输油管路需额外内置耐高温电缆，利用集肤效应产生热能。

因此现有海底输油管路结构多以金属材料与混凝土材料构成，以满足深海承载强度要求，其材料密度大，使用过程需要额外增加大量的浮力材料，极大地增加的额外工作量，降低了回收便携度。此外，海水淹没态金属管存在化学腐蚀和电偶腐蚀的重大隐患，在长期大深度作业过程中，一旦发生管体局部腐蚀破坏将造成稠油泄漏，间接输油管路的维护保养成本便大大增加。同时，由于温度梯度的影响，加热后的稠油温度高于外部水域温度，径向温差导致稠油热量不断向外散失，稠油举升过程不断降温，因此需要不断补充额外热能以弥补热量损失，增大了整体作业能耗。

因此，急需采用先进材料设计制造轻质高强、快速集热、良好隔热的新型多层次输油管路，解决深海稠油的加热与举升问题，完成大深度水下稠油回收的技术需求。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种用于深海稠油回收的复合材料快速集热方法及输油管路结构。本发明在碳纤维丝束缠绕成型输油管路两端设置电极并与工作电压相连直接构成电路，利用碳纤维的良导电性产生热量对稠油进行加热以增强其流动性。根据深海输油立管各分段所处深度的差异，在油管各分段内壁处实施差异化碳纤维铺设，使各分段具有不同导热率，在同加热时间下实现稠油在传热方向及速率上的差异化，实现高电热转换效率，此快速集热方法可使热量快速、定量集中于目的区域，实现稠油在不同深度不同方向上的差异化快速集热。集热输油管路结构以连续碳纤维束为增强体，附加碳纳米管与聚酰亚胺耐高温树脂组成的混合基体构成电路模块，外加交流电源后可快速产热并快速导热。电路模块内壁喷涂耐高温导热涂料，固化后形成防渗涂层。为实现油管良好隔热，电路模块外壁采用芳纶复合材料构成保温层。为实现油管深海耐压，在保温层外侧采用湿法缠绕法使连续碳纤维丝缠绕形成耐压层。

一种用于深海稠油回收的复合材料快速集热方法，根据深海输油立管各分段所处深度的差异，在油管各分段处以差异化的铺设角度进行深海稠油回收管路外壁的碳纤维铺设。

集热输油管路稳态热传导的控制方程如下所示：

式中，为梯度，/>为散度，k为碳纤维导热系数，P_elec为定义的焦耳效应产生的内功率，由下式定义：

式中，是电场，/>是电流密度，由下式定义：

内壁连续缠绕的碳纤维导热率不仅与纤维铺设角度相关，还与管路厚度、长度、半径等存在关系，导热率与体积电阻率相关，纤维铺设角度为θ时对应的体积电阻率ρ_θ用如下公式计算：

其中，ρ₀为沿碳纤维方向的体积电阻率常数，h为碳纤维单层厚度，H为碳纤维加热层总厚度，b为功率曲线系数，θ为碳纤维铺设方向与输油管路轴向夹角，r为输油管路半径，L为输油管路长度，在相同的加热电压下，通过改变纤维铺设角度θ可改变体积电阻率大小ρ_θ，从而控制产热量与加热温度。

利用碳纤维沿纤维方向高导热特征和纤维铺设角度影响体积电阻率特点，构建高电热转换效率前提下传热方向及速率差异化的快速集热方法，基于此快速集热方法设计复合材料集热输油管结构。碳纤维丝束缠绕成型输油管沿径向依次由高导热防渗涂层、内柱面碳纤维电路层、芳纶复合材料隔热层和外侧碳纤维耐压层构成。

进一步地，考虑纤维缠绕成型工艺要求纤维铺设角度为30°～80°和快速集热要求高体积电阻率对应纤维铺设角度为60°～80°，同时满足高体积电阻率和纤维缠绕铺设要求的碳纤维铺设角度范围为60°≤θ≤80°。

进一步地，所述内柱面碳纤维电路层中碳纤维单丝紧密排列形成碳纤维束，连续碳纤维束之间使用含弥散碳纳米管的树脂基体填充，将连续碳纤维束与外界电源相连构成电流回路，作为负载进行发热。

进一步地，内柱面碳纤维电路层基于湿法缠绕法进行制备，具体地，将连续碳纤维束浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上，保证严格平行的纤维排列平行度，并以沿轴向方向夹角θ铺设多层，形成内柱面碳纤维电路层。

输油立管由顶端至底端，纤维铺设角度θ逐渐增大，底部油管加热层可完成稠油温度迅速提升，顶部油管加热层可完成低功耗稳定举升。输油立管电路导热层的纤维束由顶端至底端深度3000m范围内，按照沿碳纤维集热输油管路轴向方向夹角60°～80°进行分段排布。

一种用于深海稠油回收的复合材料快速集热输油管路，包括从内至外依次设置的高导热防渗涂层、内柱面碳纤维电路层、芳纶复合材料隔热层和外侧碳纤维耐压结构，所述高导热防渗涂层由喷刷在内柱面碳纤维电路层内壁表面形成0.3～0.5mm涂层，其应用于集热输油管路内壁，所述内柱面碳纤维电路层由连续碳纤维束、碳纳米管、聚酰亚胺耐高温树脂构成，所述内柱面碳纤维电路层与外接电源相连，其用于对管内稠油进行加热，所述芳纶复合材料隔热层包裹在内柱面碳纤维电路层外侧，由芳纶纤维和聚酰亚胺树脂组成，用于减少管路向外壁侧的热量传递，所述芳纶复合材料用于减少管路向外壁侧的热量传递，外侧碳纤维耐压结构层将连续碳纤维丝缠绕到隔热层外壁。外侧碳纤维耐压结构层碳纤维丝与输油管路轴向方向夹角[30°/45°/60°/75°]_s。

进一步地，所述耐高温导热涂料包括耐火粉料、过渡族元素氧化物和硅酸盐耐火材料，经高温掺杂后形成固溶体，和悬浮剂组成黏稠悬浮流体，待固化后形成防渗涂层。

本发明碳纤维加热输油管路采用先进材料和结构设计，多层一体化新型结构可完成防渗、加热、保温与耐压要求的各项指标。与现有技术相比，本发明专利的有益效果为：此设计采取多层次集成化结构，可同时满足多方面功能需求，输油管路轴向良导热、径向单向传热，实现快速集热的同时，还可满足轻质耐压、耐腐蚀。此先进高效耐用加热管路结构可大大提高稠油回收工作效率、降低长距离传输热能耗、降低淹没态管路腐蚀几率并延长深海油管的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明应用于深海稠油回收的碳纤维加热输油管路结构的示意图；

图2为本发明所述一种应用于深海稠油回收的碳纤维加热输油管路结构的截面图；

图3本发明所述一种应用于深海稠油回收的碳纤维加热输油管路结构的加热层碳纤维顶层至底层铺设角度示意图。

图中：1、高导热防渗涂层；2、内柱面碳纤维电路层；3、芳纶复合材料隔热层；4、外侧碳纤维缠绕耐压层；5、电源控制柜；51、380V单相交流电输入端；52、380V单相交流电输出端。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明实施例公开了一种用于深海稠油回收的复合材料快速集热输油管路，包括从内至外依次设置的高导热防渗涂层1、内柱面碳纤维电路层2、芳纶复合材料隔热层3和外侧碳纤维耐压结构4。在每单段内柱面碳纤维电路层2两端设置电源控制柜5输出的380V单相交流电，电缆内置于外侧碳纤维缠绕耐压层4内。由集热输油管路顶端至底端，电路层2铺设角度由沿管轴向方向夹角60°至80°依次进行排布，分别为加热顶层21、加热中层22、加热底层23。所述高导热防渗涂层包括耐高温导热涂料，其应用于集热输油管路内壁，所述内柱面碳纤维电路层采用连续碳纤维树脂基-碳纳米管复合材料，具体由连续碳纤维束、碳纳米管、聚酰亚胺耐高温树脂构成(耐高温达400℃以上，长期使用温度范围为-200～300℃)，所述内柱面碳纤维电路层用于对管内稠油进行加热，所述芳纶复合材料隔热层包裹在内柱面碳纤维电路层外侧，所述芳纶复合材料用于减少管路向外壁侧的热量传递，外侧碳纤维耐压结构层将连续碳纤维丝缠绕到隔热层外壁。隔层采用材料为芳纶-聚酰亚胺树脂复合材料，芳纶复合材料隔热层包括芳纶纤维和聚酰亚胺树脂(耐高温达400℃以上)。具备快速并高效地在海洋大深度处加热稠油的高性能条件。

所述耐高温导热涂料包括耐火粉料、过渡族元素氧化物、氧化锆和硅酸盐耐火材料，经高温掺杂后形成固溶体，和悬浮剂组成黏稠悬浮流体，待固化后形成防渗涂层。耐高温导热涂料，防止管内稠油渗入内柱面碳纤维丝电路模块2的纤维束与基体间隔内，所述耐高温导热涂料喷刷在导热体表面形成0.3～0.5mm的涂层。高导热防渗涂料与基体结合力强，应用于集热输油管路内壁能有效地渗透基体形成过渡层和涂层的结构。涂层的防渗、导热功能可阻绝管路内流动稠油与内柱面碳纤维电路层的接触，同时提高加热管路热效率，缩短加热时间，提高工作效率。

所述内柱面碳纤维电路层中碳纤维单丝紧密排列形成碳纤维束，连续碳纤维束之间使用含弥散碳纳米管的树脂基体填充，保证粘接性能的前提下实现高导热性。将高导电性连续碳纤维丝与外界电源相连构成电流回路，作为负载进行发热。利用管路内部传输的稠油与纤维束的温度差进行传热，此时热扩散率达到最大，电热转化效率高达90％以上。

具体地，所述内柱面碳纤维电路层2每单段管路两端分别连接外接的电源控制柜5输出的380V单相交流电输入端51与380V单相交流电输出端52，外接电源可对电路导热层2的纤维丝实现供电，所述电路导热层2由聚酰亚胺耐高温树脂作为基体，碳纳米管作为弥散颗粒进行填充。纤维束沿输油立管顶端21至底端23，依次按照碳纤维集热输油管路轴向方向夹角60°～80°进行排布。加热顶层21即海水深0—500m段沿管轴向方向夹角60°进行排布，加热底层23即海水深2500—3000m段沿管轴向方向夹角80°进行排布，加热中层22即海水深500—2500m段沿管轴向方向夹角60°～80°进行排布。

电路导热层2在平行于纤维轴向上，纤维束和树脂基体为连续导热相，传热性能好，在垂直于纤维轴向上，纤维束和树脂基体为不连续导热相，传热性能差，故电流经过沿60°～80°角度排布的连续碳纤维束，经由整个管路结构内壁，由380V单相交流电输入端51到达380V单相交流电输入端52形成回路，电路导热层2导热，并对管内稠油进行加热。

深海输油立管各分段所处深度不同，稠油初始温度与加热后要求温度均不同。大深度处稠油温度低，需迅速提升稠油温度完成迅速举升，小深度处稠油温度已升高，需降低功耗实现稳定举升。内壁连续缠绕的碳纤维导热率主要影响因素为碳纤维铺设角度，故通过在油管各分段处设置不同碳纤维铺设角度的方法可使各深度油管具有不同导热率，可在同样加热时间下实现稠油加热温度可控。

集热输油管路稳态热传导的控制方程如下所示：

式中，为梯度，/>为散度，k为碳纤维导热系数，P_elec为定义的焦耳效应产生的内功率，由下式定义：

式中，是电场，/>是电流密度，由下式定义：

式中，ρ_θ为体积电阻率。ρ_θ不仅与纤维铺设角度相关，还与管路厚度、长度、半径等存在关系，计算公式如下：

其中ρ₀为沿碳纤维方向上电阻率，h为碳纤维单层厚度，H为碳纤维加热层总厚度，b为功率曲线系数，θ为碳纤维铺设方向与管轴向夹角，r为管半径，L为管长度。其中碳纤维铺设角度满足60°≤θ≤80°可满足高热转换效率、高强度的技术指标。因此在相同的加热电压下，通过改变纤维铺设角度θ可改变电阻率大小ρ_θ，从而控制产热量与加热温度。

如图3所示，此示范例中，在相同时间内，相同深度段的集热油管在相同电功率下，海水深2500—3000m段沿管轴向夹角80°方向排布方式相较于海水深0—500m段沿管轴向夹角60°方向排布方式，产热量高约3.27倍，可将接近海底的稠油温度迅速提升至80℃。在相同时间内，相同长度即相同材料量的碳纤维在产热量一定的情况下，海水深0—500m段沿管轴向夹角60°方向排布方式相较于海水深2500—3000m段沿管轴向夹角80°方向排布方式，可加热深度高约2.88倍，可使接近海平面的稠油保持流动性，实现稳定举升。

此示范例中电路导热层2的不同纤维束排布方向可有效提高纤维束的导热效率，降低能耗。

内柱面碳纤维电路层基于湿法缠绕法进行制备，具体地，将连续碳纤维束浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上，保证严格平行的纤维排列平行度，将碳纤维丝以与输油管路轴向方向夹角θ铺设多层，形成电路层。具体地，本实施例中，以沿轴向方向夹角θ铺设16层，因此完成内柱面碳纤维层铺设。

所述碳纤维单层厚度约0.2mm，电路层共4层厚度约3.2mm。

电路层在此厚度与纤维束排列角度下，连续碳纤维束导热率约为1W/(m·K)大于环氧树脂导热率约0.2W/(m·K)，在纤维束的均匀温度场内其导热速率大于树脂基体的导热速率，纤维束作为均匀热源产生的集中热量不断地由中心区域向边缘传递，可将3000m处海水稠油温度加热至80℃左右，防止稠油流动性变差。

所述芳纶复合材料隔热层3与内柱面碳纤维电路层2之间无间隙，内柱面碳纤维丝电路模块2中加热部分产生的热量经由电路层2到达芳纶复合材料隔热层3。芳纶复合材料耐热性高、导热性低，聚酰亚胺树脂耐高温达400℃，并且材料内部内置弥散颗粒，增强其保温隔热作用，有效降低热量在传播途径中的损耗。利用芳纶复合材料的高耐热性、低导热性的优势，减少管路向外壁侧的热量传递，使热量主要向靠近内壁侧传递，达到保温隔热的效果。

所述高隔热性树脂材料隔层3厚度约30mm。

所述外侧碳纤维缠绕耐压层4与芳纶复合材料隔热层3之间无间隙。

所述外侧碳纤维缠绕耐压结构4共96层碳纤维，厚度约14.4mm，大于管路半径的1/10，可提高碳纤维集热输油管路的耐压性，外侧碳纤维耐压结构层主要利用湿法缠绕法将连续碳纤维丝缠绕到隔热层外壁，碳纤维丝与输油管路轴向方向夹角[30°/45°/60°/75°]_s铺设8层，以此纤维角度与方向铺设12组，共计96层。考虑长距离管路的分段供电方式，在耐压结构层中沿管路长度方向每隔L m内置一段交流电电缆，同时耐压结构层内预留电缆放置位置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种用于深海稠油回收的复合材料快速集热方法，其特征在于，在碳纤维丝束缠绕成型的深海输油管路两端设置电极并与外接电源相连，直接构成电路，利用碳纤维良导电性产生热量对稠油进行加热以增强其流动性，根据深海输油管路各分段所处深度的差异，在深海输油管路各分段处以差异化的铺设角度进行深海输油管路内壁的碳纤维连续缠绕，使各深度的深海输油管路具有不同导热率，在同样加热时间下实现稠油在不同深度不同方向上的差异化快速集热；

内壁连续缠绕的碳纤维的导热率与纤维铺设角度相关，所述导热率与体积电阻率相关，纤维铺设角度为θ时对应的体积电阻率ρ_θ用如下公式计算：

其中，ρ₀为沿碳纤维方向的体积电阻率常数，h为碳纤维单层厚度，H为碳纤维加热层总厚度，b为功率曲线系数，θ为碳纤维铺设方向与深海输油管路轴向夹角，r为深海输油管路半径，L为深海输油管路长度，在相同的加热电压下，通过改变纤维铺设角度θ可改变体积电阻率ρ_θ大小，从而控制产热量与加热温度。

2.根据权利要求1所述的用于深海稠油回收的复合材料快速集热方法，其特征在于，考虑纤维缠绕成型工艺要求纤维铺设角度为30°～80°，快速集热要求高体积电阻率对应纤维铺设角度为60°～80°，同时满足高体积电阻率和纤维缠绕成型工艺要求的碳纤维的纤维铺设角度范围为60°≤θ≤80°。

3.基于权利要求1或2所述的用于深海稠油回收的复合材料快速集热方法设计的碳纤维丝束缠绕成型的深海输油管路，其特征在于，所述深海输油管路包括从内至外依次设置的高导热防渗涂层、内柱面碳纤维电路层、芳纶复合材料隔热层和外侧碳纤维耐压结构层；所述内柱面碳纤维电路层由连续碳纤维束、碳纳米管和聚酰亚胺耐高温树脂构成，所述内柱面碳纤维电路层与外接电源相连，用于对所述深海输油管路内的稠油进行加热；所述内柱面碳纤维电路层内壁喷涂耐高温导热涂料，固化后形成所述高导热防渗涂层；所述芳纶复合材料隔热层包裹在所述内柱面碳纤维电路层外壁；在所述芳纶复合材料隔热层外壁缠绕连续碳纤维丝形成所述外侧碳纤维耐压结构层。

4.根据权利要求3所述的深海输油管路，其特征在于，所述高导热防渗涂层为0.3～0.5mm的涂层；所述芳纶复合材料隔热层包裹在所述内柱面碳纤维电路层外壁，由芳纶纤维和聚酰亚胺树脂组成。