石化管线集肤效应电伴热研究

杨 帆，姜文全，石 宇

(1. 辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2. 辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 3. 中国石油辽宁沈阳东陵油库，辽宁 沈阳 110165 )

石油、石化和化工等行业由于管线、设备需要在维持温度( 高于环境温度 ， 在规定 的设计条件下介质或工艺物料所达到的处 于平衡状态的特定温度 ) 下运行[1]。由于存在热损失，如果管线或设备只采取保温措施，其温度最终都会降到环境温度。为了补偿在传输过程中的温度损失 ( 热损失)， 则需要在传输管道外壁上安装伴热管道或伴热带， 对其进行热损的弥补。伴热可以利用电流的集肤效应来实现，称为集肤效应伴热或电伴热[2-4]。

1 集肤效应伴热基本原理

根据管径的大小、伴热温度的高低，集肤效应伴热分为单管、双管和三管伴热。耐热电缆穿在伴热钢管内，在电缆的一端通入交流电［5,6］。当交变电流经电缆通过伴热管壁时，在集肤效应和邻近效应的作用下，电流不是均匀沿着管壁走，而是集中在伴热管内表层流过，如图1所示，管壁集肤层导电截面减小，交流阻抗显著增加，在相同的电流作用下，管线得到较大的加热功率，经传导使输油管线升温。管内电流密度的幅值按指数（e-x）衰减，工程上通常把电流密度衰减到极值的1/e倍时，离电流集中的表面的深度称为电流的透入深度，一般用s表示。在此深度内发热量与电流平方成正比，从发热角度来度量，此发热量约等于钢管总发热量的85%以上，所以电流透入深度说明集肤效应的强弱。电流透入深度s的数学表达式为：

式中：s —电流透入深度，cm；

ρ —电阻率，Ω·cm；

f —电源频率Hz；

μ —钢管相对导磁率。

由式⑴得知，电流透入深度s与钢管电阻率ρ、相对导磁率μ、电源频率f有关系。当电源频率为50 Hz时，s值很小（约1 mm），表现出较强的集肤效应，当电源频率增高达到中频（500～1 600 Hz）时，s值更小，表现出更强的集肤效应的效果，同时管线获得很大的加热功率。而伴热管外表面电压、电流为零，自身形成绝缘结构。集肤效应伴热原理见图1。

2 理论计算

伴热功率计算：

式中： D2—保温层外径, m;

D1—保温层内径, m;

K1—在平均温度下, 保温层的导热系数, W/(m2·℃);

hc0—夹克内部与保温接触的传热系数, W/(m2·℃);

h0—夹克外部与空气接触的传热系数 W/(m2·℃);

hi—管道外与保温层空气接触的传热系数 W/(m2·℃);

Tp—介质和管道的最终温度,℃;

Ta—环境温度,℃;

qc:伴热电缆输出功率, W/m。

图1 集肤效应伴热原理图Fig.1 The principle of skin- effect heating system

3 实验论证

3.1 实验设计参数

环境温度：0 ℃;

输油管线:Φ406×7 ,长度30 km;

保温层: 耐高温硬质聚氨脂; 厚度60 mm;

原油初始温度：90 ℃、原油终点温度：76.8 ℃。

3.2 实验工艺过程

集肤效应加热主要由输油管道、伴热管和耐热电缆、保温层及保护外壳四部分组成［6］。输油管道和伴热管为钢管，伴热管采用直径Φ27×3的无缝钢管双管伴热，间断地焊接在输油管道上，耐热电缆穿在伴热管中，外面是保温层和防水外壳(如图1)。集肤效应作为伴热功能，管线运行温度高于设定温度时，自动停运；管线运行温度低于设定温度时，自动开启为确保集肤效应伴热运行安全，伴热管线端点各设接地极组、管线中点处设接地极组、管设接地极组，其接地电阻不大于4 Ω，其电流走向如图2。在管上安上图安装8个温度变送器（如图4），分别测试并计录温度在加热冷却时的变化。温度每隔7分钟记录1次。

图2 集肤伴热实验电路图Fig.2 The experiment circuit diagram of skin heat tracing

图3 伴热管电流示意图Fig. 3 Heat tracing pipe current diagram

图4 测温点布置Fig.4 Temperature measuring point arrangement

3.3 实验数据分析

图5 电缆、伴热管、油温-时间曲线Fig.5 Cable, heating tube, temperature-time curve

由图5可知原油温度的升温速率:

K1:0.364 7 ℃/h (从第1日8:30—第4日16:00)

K2:0 ℃/h (从第4日16:00—第5日2:00)

K3: 0.353 ℃/h (从第5日2:00-第6日6:20)

K4: 0 ℃/h (从第6日6:20—第7日10:40)

K5: 0.55 ℃/h (从第7日10:44—第8日7:56)

4 结束语

在东北寒冷季节，石化管线的蒸汽回水伴热管可能会被冻坏；而集肤效应电伴热能为各种钢质输送管道提供伴热，其敷设方式更适合为复杂或远离装置的管线伴热，适用于任何场所直埋或架空敷设的管线。另外集肤效应电伴热系统的耐热集肤电缆在伴热热管内，伴热热管与工艺管道焊在一起， 外面加有保温层和保护外壳， 加热效率显著提高。

［1］ 常瑞增. 集肤效应电伴热替代蒸汽伴热的应用[J].资源节约与环保，2011(2):36-38.

［2］ Chang Ruizeng. Application of Skin Effect Electric Tracer Heating System in Wharf Crude Oil Pipeline [J]. Port Engineering Technology，2011，48（5）:47-49.

［3］ 严大凡,等: 输油管道设计与管理[M].北京：石油工业出版社，1986.

［4］ 杨筱蘅，张国忠．输油管道设计与管理[M].东营：石油大学出版社，1996.

［5］ 那维丰,王辉,才小丽．海底管线集肤效应电伴热装置:中国，200820133292[P]． 2009-08-12.

［6］ 王照亮，梁金国，王弥康． 电伴热采油和输油工程设计[J]．石油大学学报(自然科学版)，1998(2)．