一种海底管道电伴热带伴热性能模拟测试装置及方法与流程

1.本发明涉及一种石油化工技术领域，特别是关于一种海底管道电伴热带伴热性能模拟测试装置及方法。


背景技术：

2.如今我国对油气的需求不断增大，同时常规油气资源日益枯竭，非常规稠油资源已经成为关注焦点。我国的海上稠油资源储量丰富，但存在海上稠油输送困难问题。为了应对海上特稠油、高凝油输送以及预防结蜡、形成水合物等难题，降低流动安全风险，需要研究伴热技术来对海底管线进行温度的提升与控制。
3.现有技术中公开的水下原油管道蜡堵电加热解除模拟装置，包括蜡油制备与装卸系统、直接电加热系统和测量系统。将加热电源与测试管段直接连接，共同构成电流回路，在测试管段上安装若干采集信息的传感器。将直流电通入蜡堵管道中，利用直接电加热的方法对水下含蜡原油管道进行加热解堵，利用传感器组合对关键数据进行实时记录，可以模拟解堵过程和管道停输温降过程。但由于直接电加热是在管壁上直接通交流电，因而存在交流腐蚀风险，需要对防腐进行特殊设计，并进行定期的检查和维护。
4.而电伴热带伴热技术较直接电加热技术效率高、安全稳定，可以实现长期稳定运行，更适合于海上油气物流的输送，是一种效果更好的解决方法。由于管线在海底面临着所处温度比陆地更低且承受着较大水压等问题，因此利用电伴热带为海底管线进行伴热的需求更加迫切且相关要求也更加严格。但是在我国石油化工领域，中长距离的电伴热带伴热管线多用于陆地上，而国产化的电伴热带伴热管线尚未有在海底应用的案例，更没有相应的测试装置及技术来模拟和测试海底管道电伴热带的伴热性能，无法为电伴热带伴热技术在海底管线上的应用提供有力支撑。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种海底管道电伴热带伴热性能模拟测试装置及方法，其能对电伴热带伴热装置在水中多种工况下运行时各项性能进行全面的测试。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海底管道电伴热带伴热性能模拟测试装置，其包括：
7.压力舱，与外部控温设备连接，以控制所述压力舱内部介质的温度；
8.管道试件，设置在所述压力舱内，用于进行热力学测试；
9.电伴热带，设置在所述管道试件上进行伴热；
10.测温模块，设置在所述管道试件和所述压力舱内，将检测到的温度信息传输至外部设备；
11.第一测试管路，通过所述管道试件与所述压力舱连接，进行正常输送状态工况模拟；
12.第二测试管路，通过所述管道试件与所述压力舱连接，进行停输伴热状态工况模
拟。
13.优选的，所述压力舱包括：
14.底座；
15.舱体，设置在所述底座上；
16.第一法兰盘，分别设置在所述舱体的两端，将所述舱体密封；位于所述第一法兰盘的中心位置处设置有开孔，所述管道试件通过该开孔穿设在所述舱体内，所述开孔与所述管道试件之间为密封处理，且所述管道试件的两端延伸至所述舱体外部形成延伸部；
17.进水接管，设置在所述舱体一端的所述第一法兰盘上；
18.排水接管，设置在所述舱体的底部一侧；
19.通过所述进水接管和所述排水接管调节所述舱体内的水位。
20.优选的，所述压力舱还包括安全阀和压力表，所述安全阀和压力表均设置在所述舱体上。
21.优选的，所述管道试件包括由内到外依次设置的内管、保温层和外管；
22.所述管道试件的延伸部分别通过第二法兰盘与三通阀连接；每个所述三通阀的水平端口部设置有法兰盖，垂直端口部用于与所述第一测试管路、所述第二测试管路连接。
23.优选的，所述测温模块包括：
24.加热电缆槽，设置在所述内管上，所述电伴热带设置在所述加热电缆槽中，可连续地调节功率；
25.测温光纤，间隔设置在所述内管外壁上，用于测量所述内管表面的温度；
26.热电偶，设置在预先设置在所述内管内的钢套管内，所述热电偶的测温探头直接与油体接触，用于直接测试所述管道试件内输送油体的温度；
27.热流计，间隔嵌置于所述保温层的外表面上，用于测量此处热量；
28.以及电源，与所述电伴热带、所述测温光纤、所述热电偶和所述热流计连接，为各部件供电。
29.优选的，所述第一测试管路包括：
30.储油罐，用于储存和供给油体；
31.第一阀门，其一端经管线与所述储油罐连接；
32.螺杆泵，输入端经所述管线与所述第一阀门的另一端连接；
33.第二阀门，其一端经所述管线与所述螺杆泵的输出端连接，另一端经管线与所述管道试件的一端上的三通阀连接；
34.第三阀门，其一端经所述管线与所述管道试件的另一端上的三通阀连接；
35.以及第四阀门，其一端经所述管线与所述第三阀门的另一端连接，所述第四阀门的另一端经所述管线与所述储油罐连接。
36.优选的，所述第三阀门与所述管道试件的另一端上的三通阀之间的所述管线上并联有放空阀门，用于进行放空或取样。
37.优选的，所述第二测试管路包括：
38.所述螺杆泵；
39.储水罐，用于储存和供给水，并能清洗所述管线；
40.第五阀门，其一端经所述管线与所述储水罐连接，另一端经所述管线与所述螺杆
泵的输入端连接；
41.第六阀门，其一端经所述管线与所述螺杆泵的输出端连接；
42.第七阀门，其一端经所述管线与所述第六阀门的另一端连接；
43.第八阀门，其一端经所述管线与所述第七阀门的另一端连接，所述第八阀门的另一端经所述管线与所述储水罐连接；
44.以及离心泵，其一端经所述管线与所述储水罐连接，所述离心泵的另一端与所述储油罐连接。
45.优选的，所述测试装置用于模拟解堵状态工况，包括：关闭所有阀门；将管道试件内的油温冷却，通过调节电缆伴热功率，测试油流温度场随时间的变化，当油温超过预先设定值时实验停止，完成解堵状态工况测试。
46.一种海底管道电伴热带伴热性能模拟测试方法，该方法基于上述装置实现，包括正常输送测试、停输伴热测试和解堵测试；
47.正常输送测试时，包括：
48.关闭所有阀门并打开油罐底部加热；
49.打开第一阀门，开启螺杆泵，等待预先设定时间后开第二阀门；
50.打开第三阀门、第四阀门；
51.调节螺杆泵以调节流量，同时调节电缆功率以及压力舱水温；
52.运行预先设定时间后测试件达到热平衡状态后记录数据；
53.停输伴热测试时，包括：
54.打开水罐底部加热，在正常输送条件下关闭第二阀门、第三阀门、第一阀门、第四阀门，同时打开第五阀门，等待预先设定时间后开第六阀门；
55.打开第七阀门、第八阀门；
56.通过调节电缆伴热功率，记录油流温度场随时间的变化，当油温超过预先设定值时实验停止；
57.静置后用离心泵将油从水罐中抽回油罐；
58.解堵测试时，包括：
59.关闭所有阀门；
60.在测试件油温充分冷却条件下，通过调节电缆伴热功率，测试油流温度场随时间的变化，当油温超过预先设定值时实验停止，完成解堵状态工况测试。
61.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
62.1、本发明用于海底管道电伴热带伴热性能模拟测试，填补了国产化的用于海底管道电伴热带伴热性能模拟测试试验装置及技术的空白。
63.2、本发明用于海底管道电伴热带伴热性能模拟测试，可以对电伴热带伴热装置在水中多种工况运行时各项性能进行全面的测试，进而反映电伴热带伴热装置在海洋环境下的运行特性。
64.3、本发明用于海底管道电伴热带伴热性能模拟测试，试验装置简单、准确、易操作。
附图说明
65.图1是本发明一实施例中的压力舱结构示意图；
66.图2是本发明一实施例中的管道试件结构示意图；
67.图3是本发明一实施例中的试验流程示意图。
具体实施方式
68.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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
69.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
70.本发明提供一种海底管道电伴热带伴热性能模拟测试装置，该试验装置应用于海底油气管道的电伴热带伴热；该实验装置包括压力舱1、管道试件2、电源模块、电伴热带、测温模块、储液罐、温度传感器、压力传感器、流量计、管线、阀门、三通、泵；压力舱1可连接控温设备，以控制内部介质的温度；介质包括水等液体；管道试件2浸泡在压力舱1内部的水中；管道试件2内部流动的介质包括油气等；管道试件2上放置电伴热带进行伴热，并通过测温光纤14、热电偶15和热流计16对管道试件2及管路的热力学性质进行测试。本发明能对电伴热带伴热装置在水中多种工况下运行时各项性能进行全面的测试。
71.在本发明的一实施例中，如图1～图3所示，提供一种海底管道电伴热带伴热性能模拟测试装置，其包括：
72.压力舱1，与外部控温设备连接，以控制压力舱1内部介质的温度；
73.管道试件2，设置在压力舱1内，用于进行热力学测试；
74.电伴热带，设置在管道试件2上进行伴热；
75.测温模块，设置在管道试件2和压力舱1内，将检测到的温度等信息传输至外部设备；
76.第一测试管路，通过管道试件2与压力舱1连接，进行正常输送状态工况模拟；
77.第二测试管路，通过管道试件2与压力舱1连接，进行停输伴热状态工况模拟。
78.在本实施例中，本发明提供的测试装置还能模拟解堵状态工况。
79.在一个优选的实施例中，如图1所示，压力舱1包括：底座3以及设置在底座3上的舱体4；
80.第一法兰盘5，分别设置在舱体4的两端，将舱体4密封；位于第一法兰盘5的中心位置处设置有开孔，管道试件2通过该开孔穿设在舱体4内，开孔与管道试件2之间为密封处理，且管道试件2的两端延伸至舱体4外部形成延伸部6；
81.进水接管7，设置在舱体4一端的第一法兰盘5上；
82.排水接管8，设置在舱体4的底部一侧；
83.通过进水接管7和排水接管8调节舱体4内的水位。
84.上述实施例中，压力舱1还包括安全阀9和压力表10，安全阀9和压力表10均设置在舱体4上。
85.上述实施例中，如图2所示，管道试件2包括由内到外依次设置的内管201、保温层202、内外管间隙203和外管204；管道试件2的延伸部6分别通过第二法兰盘与三通阀11连接；每个三通阀11的水平端口部设置有法兰盖12，垂直端口部用于与第一测试管路、第二测试管路连接。
86.其中，压力舱1整体是密封的，可连接控温设备，以控制内部介质的温度；舱体4内介质为水，水位可通过进水接管7与排水接管8调节；舱体4可通过底座3放置于可移动设备之上；舱体4的第一法兰盘5可从舱体4外面打开，同时第一法兰盘5经特殊处理开孔；管道试件2从该开孔中穿过，并外露延伸形成延伸部6，延伸部6的长度优选为0.1米；管道试件2浸泡在压力舱1内部的水中；管道试件2经法兰连接的方式与三通阀11连接，并经由三通阀11改变油体的流动方向，方向由管线的方向改为垂直于管线的方向，但接着经由弯管又回到管线中。
87.在一个优选的实施例中，测温模块包括：
88.加热电缆槽13，设置在内管201上，电伴热带设置在加热电缆槽13中，可连续地调节功率；
89.测温光纤14，间隔设置在内管201的外壁上，用于测量内管201表面的温度；
90.热电偶15，设置在预先设置在内管201内的钢套管内，热电偶15的测温探头直接与油体接触，用于直接测试管道试件2内输送油体的温度；
91.热流计16，间隔嵌置于保温层202的外表面上，用于测量此处热量；
92.以及电源，与电伴热带、测温光纤14、热电偶15和热流计16连接，为各部件供电。
93.具体的，如图2所示，管道试件2的第二法兰盘上设置有11个孔，孔中焊接钢套管，使得热电偶15的测量杆能够放置钢套管内，以防止测量杆下垂。
94.加热电缆槽13设置为六个，6条电伴热带同时对一根管道试件2进行伴热；其中，电伴热带包括由内到外依次设置的发热芯线、芯线绝缘、绝缘护套、编织层和加强护套层。管道试件2的内管201上连接有加热电缆槽13，加热电缆槽13也同时位于保温层202中，电伴热带放置于加热电缆槽13中；电伴热带与电源连接，可连续地调节功率。
95.测温模块还包括光纤测温主机，光纤测温主机与电源连接，采用光纤测温的方式；测温光纤14一共8根，间隔45
°
均匀紧贴在内管201外壁上，可用于测量内管201表面的温度。
96.测温模块还包括热电偶15测温主机；热电偶15包括测温探头和测量杆；热电偶15共11根，其测量杆放置于钢套管内，以防止测量杆下垂；测温探头放置在管道试件2内部指定的11个位置，测温探头直接和油体接触，用于直接测试管道试件2内输送油体的温度；热电偶15测温主机与电源连接。
97.测温模块还包括热流计16主机；热流计16包括导线与贴片；贴片一共4个，嵌置于保温层202外表面上，间隔90
°
均匀放置，用以测量此处热量；贴片通过导线与热流计16主机连接；热流计16主机与电源连接。
98.在一个优选的实施例中，如图3所示，第一测试管路包括：
99.储油罐17，用于储存和供给油体；
100.第一阀门18，其一端经管线与储油罐17连接；
101.螺杆泵19，输入端经管线与第一阀门18的另一端连接；
102.第二阀门20，其一端经管线与螺杆泵19的输出端连接，另一端经管线与管道试件2的一端上的三通阀11连接；
103.第三阀门21，其一端经管线与管道试件2的另一端上的三通阀11连接；
104.以及第四阀门22，其一端经管线与第三阀门21的另一端连接，第四阀门22的另一端经管线与储油罐17连接。
105.第二测试管路包括螺杆泵19；以及
106.储水罐23，用于储存和供给水，并能清洗管线；
107.第五阀门24，其一端经管线与储水罐23连接，另一端经管线与螺杆泵19的输入端连接；
108.第六阀门25，其一端经管线与螺杆泵19的输出端连接；
109.第七阀门26，其一端经管线与第六阀门25的另一端连接；
110.第八阀门27，其一端经管线与第七阀门26的另一端连接，第八阀门27的另一端经管线与储水罐23连接；
111.离心泵28，其一端经管线与储水罐23连接，离心泵28的另一端与储油罐17连接。
112.上述实施例中，第二阀门20另一端的管线上、第三阀门21另一端的管线上都设置有温度传感t和压力传感器p；
113.螺杆泵19的输入端的管线上设置有压力传感器p；
114.螺杆泵19的输出端的管线上设置有流量计29。
115.上述实施例中，第三阀门21与管道试件2的另一端上的三通阀11之间的管线上并联有放空阀门30，用于进行放空或取样。
116.具体的，储油罐17包括罐体、阀门和加热盘管，可通过加热盘管控制温度，储油罐17与管线和离心泵28连接，用来储存和供给油体；储水罐23包括罐体、阀门和加热盘管，可通过加热盘管控制温度，储水罐23与管线和离心泵28连接，用来储存和供给水，进而可以清洗管线。离心泵28连接储油罐17和储水罐23；螺杆泵19连接管线，用来为管线提供输送压力。
117.温度传感器t与管线连接，用来测试管线处的温度；压力传感器p与管线连接，用来测试管线处的压力；流量计29与管线连接，用来测试管线处的流量。阀门与管线连接，用来控制对应管线处流体介质的流动。
118.在本实施例中，工况包括正常输送状态、停输伴热状态和解堵状态；工作过程分别如下：
119.正常输送测试时，包括以下步骤：
120.步骤一、关闭所有阀门并打开油罐底部加热；
121.步骤二、打开第一阀门18，开启螺杆泵19，等待预先设定时间后开第二阀门20；在本实施例中，预先设定时间优选为：5～10秒。
122.步骤三、打开第三阀门21、第四阀门22；
123.步骤四、调节螺杆泵以调节流量，同时调节电缆功率以及压力舱1水温；
124.步骤五、运行预先设定时间后测试件达到热平衡状态后记录数据；
125.步骤六、重复步骤四至步骤五。
126.停输伴热测试时，包括以下步骤：
127.步骤一、打开水罐底部加热，在正常输送条件下关闭第二阀门20、第三阀门21、第一阀门18、第四阀门22，同时打开第五阀门24，等待预先设定时间后开第六阀门25；在本实施例中，预先设定时间优选为：5～10秒。
128.步骤二、打开第七阀门26、第八阀门27；
129.步骤三、通过调节电缆伴热功率，记录油流温度场随时间的变化，当油温超过60℃时实验停止；
130.步骤四、静置一段时间后用离心泵28将油从水罐中抽回油罐；
131.步骤五、重复步骤一至步骤四。
132.解堵测试时，包括以下步骤：
133.步骤一、关闭所有阀门；
134.步骤二、在测试件油温充分冷却条件下，通过调节电缆伴热功率，测试油流温度场随时间的变化，当油温超过60℃时实验停止；
135.步骤三、重复步骤二，完成解堵状态工况测试；
136.最后应说明的是：以上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精神和范围。