Системы подогрева трубопроводов и нагревательные кабели

В СССР и за рубежом разработаны и эксплуатируются системы электроподогрева трубопроводов, которые можно разделить на две основные группы.

1. Системы косвенного обогрева, в которых трубопровод нагревается теплотой от нагревателя-спутника, проложенного параллельно или спирально намотанного на трубопровод. К этой группе относятся системы подогрева с использованием нагревательных кабелей, нагревательных лент, на основе поверхностного эффекта.

2. Системы прямого обогрева, в которых ток пропускается непосредственно через обогреваемый трубопровод.

К наиболее распространенным системам косвенного подогрева следует отнести системы подогрева с помощью нагревательных кабелей круглого поперечного сечения и плоских нагревательных лент. Основные преимущества нагревательных кабелей — сравни-тельная несложность изготовления и возможность монтажа на оборудовании различной формы. Достоинством нагревательных лент является плотное прилегание к обогреваемому объекту, что обеспечивает эффективную теплопередачу.

Из систем прямого подогрева наибольшее распространение получил прямой электроподогрев трубопроводов, иначе называе-мый импедансным [19]. При этом способе переменное напряжение подключается к концам обогреваемого участка трубы. Обозначе-ние «импедансный» объясняется тем, что теплота, выделяемая в стальных трубопроводах при прохождении по ним электриче¬ского тока, зависит как от электрических, так и от магнитных свойств стали. При этом нагрев вызывается и определяется ак¬тивными, гистерезисными и вихревыми потерями, т. е. некоторым эквивалентным суммарным или импедансным сопротивлением трубопровода переменному току.

При импедансном подогреве переменный ток большой силы и низкого напряжения протекает непосредственно по подогревае-мому трубопроводу, играющему роль проводника электрического тока, и нагревает его стенки, от которых равномерно подогре-вается находящийся в трубопроводе продукт.

При надземной прокладке необходима электроизоляция ме¬жду опорами и трубопроводом. Электробезопасность при эксплу-атации прямой системы подогрева обеспечивается обычно тем, что подаваемое через понижающие трансформаторы напряжение не превышает 50—60 В. Поскольку сам трубопровод является нагре-вателем, то исключается возможность выхода из строя системы подогрева, что случается при косвенном подогреве из-за перего-рания применяемых нагревательных элементов. Другое преиму-щество системы прямого подогрева — простота обслуживания. Система прямого подогрева может быть применена и на новых, и на действующих трубопроводах, так как не требуется снимать тепловую изоляцию.

Значительным недостатком прямого подогрева является необ-ходимость снижать напряжение питающего тока до 50—60 В. Это усложняет систему, так как требует установки громоздких и до-рогостоящих трансформаторов. Кроме того, обогреваемый трубо-провод должен быть электроизолнрован —от -соседних—участков трубопровода и другого оборудования, что удорожает монтаж. Недостатком способа является также сложность обогрева отво¬дов, запорной арматуры, труб разных диаметров. Видимо, эти причины определяют сравнительно небольшое число эксплуати¬руемых систем прямого подогрева.

Система подогрева на основе поверхностного эффекта

Для подогрева протяженных трубопроводов длиной до 10 км и более и диаметром до 500—700 мм может быть использован поверхностный эффект, возникающий при коаксиальном располо-жении проводников тока в трубопроводе. Основой системы подо-грева в этом случае являются вспомогательные нагревательные трубопроводы-спутники, привариваемые по всей длине нагревае-мого трубопровода. В нагревательных трубопроводах проклады-вается токоведущий кабель. Питающий ток проходит по кабелю и возвращается к источнику напряжения через нагревательный трубопровод, концентрируется во внутреннем слое этого трубо-провода, одновременно разогревая его (рис. 1). Благодаря по-верхностному эффекту, как называется это явление, наружная поверхность нагревательного трубопровода получается электри-чески нейтральной. Разогрев нагревательного трубопровода (а от него и основного) происходит за счет теплопроводности. Элек-трические и магнитные проявления при поверхностном подогреве являются достаточно сложными.

В работе [9], посвященной изучению путей практического ис-пользования поверхностного эффекта, подробно исследованы свя-занные с ним явления намагничивания и разогрева стальных труб переменным электромагнитным полем. В результате получены выражения для определения характеристик поля в ферромагнит¬ных материалах с учетом явления гистерезиса, предложена мето¬дика расчета и определена комплексная магнитная проницае¬мость для ряда широко распространенных конструкционных ста¬лей, используемых для изготовления нефтепроводных труб. Пока-

Рис. 1. Схема обогрева трубопровода на основе поверхностного эффекта.

а — общий вид; б — сечение по вспомогательному трубопроводу. / — вспомогательный (греющий) трубопровод; 2 — обогреваемый трубопровод; 3 — токове-дущий (термостойкий) кабель; 4 — заземление.

зана перспективность применения стальных нагревательных труб-, спутников для реализации возникающего поверхностного эф-фекта.

Нагревательная труба-спутник представляет собой стальную трубу диаметром от 15 до 40 мм, внутри которой проложен токо-ведущий кабель с теплостойкой изоляцией. Один конец кабеля соединяется с нагревательной трубой, к другому концу кабеля и трубе подключается источник питания. Нагревательная труба устанавливается с помощью сварки и заключается в общую с ним тепловую изоляцию. Переменный ток при протекании по нагрева-тельной трубе распределяется по сечению неравномерно. Наи-большая плотность тока будет на внутренней поверхности, наи-меньшая — на наружной. Если толщина стенки нагревательной трубы превышает длину электромагнитной волны в стали при частоте тока 50 Гц, то напряжение на наружной поверхности практически должно отсутствовать. Такие нагреватели, возможно, будут электробезопасными, что позволит выполнить и безопас¬ный обогрев трубопроводов.

На основе выполненных исследований получена методика электротехнического расчета стальных нагревательных труб-спут¬

ников. Расчет нагревательных труб проводят для определения требуемой удельной мощности, которая складывается из мощ-ностей, выделяющихся в стальной нагревательной трубе (85— 90%) и токоведущем кабеле (10—15%)- При использовании не-скольких нагревательных труб п мощность Рт, выделяющаяся в одной трубе при общей мощности Р, составляет, Вт/м,

Ят = (0,85 0,9) Р\п. (1)

Удельная мощность единицы поверхности нагревательной трубы при ^ = 90° С рассчитывается по диаметру и рабочей тем-пературе. Для этого определяется напряжение магнитного поля на внутренней поверхности нагревательной трубы, а затем мо¬дуль и аргумент комплексной магнитной проницаемости. Напря¬жение на единицу длины нагревательной трубы, В/м, опреде¬ляется по формуле

*/н = /2п, (2)

где 2П — полное удельное сопротивление на единицу длины на-гревательной трубы, включая кабель. Важным показателем яв-ляется напряжение на наружной поверхности нагревательной трубы характеризующее электробезопасность. По эксперимен-тальным данным, 11т составляет 5—30 мВ/м при мощности 30—150 Вт/м и толщине стенки нагревательной трубы 2—3,5 мм.

Тепловой расчет нагревательных труб проводится для выбора класса нагревостойкости электроизоляционного материала токо-ведущего кабеля. При обогреве трубопроводов известны темпера¬тура транспортируемого продукта ^^I и мощность Р, Вт/м. Мето¬дика теплового расчета нагревателей разработана исходя из Р и 1п.

При обогреве нагревательными трубами-спутниками темпера-тура по периметру обогреваемого трубопровода распределяется неравномерно. По линии приварки нагревательной трубы темпе-ратура наибольшая и по мере удаления от этой линии снижается. Этот температурный перепад может достигать больших зна¬чений и вызывать механические напряжения в материале труб. Предельное значение перепада не должно превышать 7—12 С. Для этого при обогреве трубопроводов больших диаметров необ¬ходимо применять несколько нагревательных труб, число которых определяется по заданному значению температурного перепада. Установлено, что одну нагревательную трубу монтируют для обо¬грева трубопроводов диаметром до 245 мм, две трубы — до 426 мм, три трубы — до 630 мм и т. д.

Передача теплоты от токоведущего кабеля к нагревательной трубе осуществляется через тонкую воздушную прослойку. Со-гласно работе [9] при мощности 30—150 Вт/м температура кабеля обычно на 5—17° С выше температуры нагревательной трубы.

В результате проведенных исследований установлен диапазон классов нагревостойкости электроизоляционных материалов для токоведущих кабелей в зависимости от температуры транспорта-руемого продукта. Если температура продукта 1а= 50ч-60° С, то изоляция кабеля может быть класса А (?К=150°С); при гп= = 70^-80° С —класса В (*К=130°С); при ^ = 90-100° С — клас¬са Р (^"=155° С); при 1п= 110ч-120° С — класса Н (г"=180°С).

В работе доказывается, что отсутствие потенциала или очень небольшое его значение на поверхности нагревательных труб и на-греваемого трубопровода дает возможность для нагрева непосред¬ственно подключать напряжение до 10 кВ. Это может обеспечить питание от одной точки участка трубопровода длиной в несколько километров, естественно, при применении высоковольтных пита¬ющих кабелей. В качестве источников питания систем обогрева рекомендуется использовать одно- и трехфазные силовые транс¬форматоры. Конструкция их должна предусматривать возмож¬ность регулирования напряжения при изменении тепловых потерь или условий разогрева.

Способ сварки при установке нагревательных труб должен быть таким, чтобы обеспечить надежный тепловой контакт. Сва-рочный шов можно выполнять прерывным с шагом 100—150 мм и шириной просвета 50—100 мм.

Основным защитным мероприятием от поражения обслужи-вающего персонала электрическим током является многократное заземление обогреваемого трубопровода. Расстояние между точ-ками заземления должно выбираться таким, чтобы возможное напряжение на поверхности трубопровода не превышало допусти¬мых значений по нормам техники безопасности. Кроме того, не¬обходимо учитывать и требования пожаровзрывобезопасности. В общем случае расстояние между точками заземления должно находиться в пределах 100—300 м.

Расчеты экономической эффективности от применения поверх-ностного эффекта для обогрева протяженных трубопроводов по сравнению с транспортировкой по «горячему» мазутопроводу с огневым подогревом показали, что при стоимости нагреватель¬ного кабеля на напряжение 6000 В, равной 3500 руб./км, эконо¬мия капитальных затрат на сооружение электрообогреваемого трубопровода составляет примерно 1090 тыс. руб. Экономия экс-плуатационных расходов превышает 80 тыс. руб./год при длине трубопровода 120 км.

Анализируя преимущества и недостатки систем подогрева про-тяженных трубопроводов на основе поверхностного эффекта, сле-дует сказать, что использование повышенного напряжения свя¬зано с необходимостью применения высоковольтного и теплостой¬кого кабеля. Известно, что высоковольтные кабели допускают незначительные перегрузки из-за недопустимости повышения тем-пературы изоляции. Возникающие при нагреве тепловые потоки от проводящих жил в окружающую среду снижают электриче¬скую прочность высоковольтной изоляции до аварийного уровня. Поэтому применение высоковольтных кабелей в качестве питаю-щих для нагревательных труб связано с очень большими слож-ностями. Значительные трудности, как представляется, должны

возникнуть при протаскивании в трубы питающих кабелей боль-шой длины, при соединении этих кабелей между собой, особенно при напряжениях от 500 В и выше, а тем более 3000 или 5000 В.

Однако, несмотря на определенные недостатки, эти системы являются наиболее предпочтительными для подогрева протяжен-ных трубопроводов и поэтому получают применение в трубопро-водной практике.

В качестве примера использования поверхностного эффекта для электроподогрева трубопроводов-, можно указать на введен-ный в эксплуатацию подводный трубопровод с подогревом, кото-рый соединяет нефтеперерабатывающий завод со швартовочным причалом [22]. Диаметр трубопровода 600 мм, протяженность 3,8 км, толщина стенки 12,7 мм. Сооружение трубопровода с по-догревом было вызвано необходимостью перекачки высоковязкой нефти, доставляемой в танкерах. Трубопровод состоит из подвод-ного участка протяженностью 3,6 км, проложенного на дне на глубине 2—14 м, наземного участка протяженностью 0,15 кмг сооруженного на территории нефтеперерабатывающего завода, и участка длиной 0,05 км, используемого в качестве стояка при¬чала.

Теплоизоляция нефтепровода состоит из нескольких слоев вспененного полиуретана толщиной 50 мм и водонепроницаемого слоя эластомерной мастики на битумной основе толщиной 3 м. Поверх мастики нанесено полиэтиленовое покрытие толщиной 3 мм. Кроме того, на каждом конце трубы имеются специальные приспособления, выполненные из полиуретановых эластомеров.

Система подогрева состоит из четырех нагревательных труб диаметром 33 мм с толщиной стенки 3,5 мм, приваренных по всей длине к трубопроводу. Одна из труб резервная. Токоведущий ка-бель вводится в нагревательные трубы через соединительные ко-робки. Мощность нагрева принята из расчета 100 Вт на 1 м на-гревательной трубы, напряжение питающей сети 1500 В. Питание системы осуществляется от общего источника, расположенного на берегу. Оптимальная температура подогрева, обеспечивающая минимальные эксплуатационные затраты, определена в 70° С. Бесперебойное функционирование системы гарантируется в тече-ние 20 лет.

Система подогрева обеспечивает увеличение "продолжитель-ности срока службы токоведущего кабеля благодаря относительно низким рабочим температурам. Система подогрева полностью автоматизирована, имеется возможность контроля за температу-рой перекачки, автоматического и ручного регулирования темпе-ратуры предварительного подогрева.

Нагревательные кабели

Нагревательные кабели в настоящее время начинают все бо¬лее широко применяться для подогрева трубопроводов и техноло-гического оборудования. Ряд научно-исследовательских институ-

Ю

тов страны, в том числе ПромстройНИИироект (г. Красноярск), Институт мерзлотоведения СО АН СССР проводят исследования по применению кабелей для подогрева инженерных коммуника¬ций в условиях низких температур. Кабели уже используются для предотвращения замерзания водопроводных и канализацион¬ных сетей при подземной прокладке в зоне сезонного промерза-1 ния или в мерзлых грунтах. Опыт применения кабелей в Якутии {3] указывает на эффективность и экономичность обогрева различ¬ных трубопроводов и при надземной прокладке.

В связи с ограниченным пока выпуском в стране специальных нагревательных кабелей ПромстройНИИпроектом разработан и внедрен метод прокладки водопроводных сетей в зоне сезонного промерзания грунтов с использованием для подогрева силовых и специальных кабелей марок КОБД, КТО, КТП, ТГВШ и др. Сле¬дует отметить, что проблема кабельного подогрева может быть полностью решена только при организации промышленного вы-пуска широкого диапазона специальных нагревательных кабелей.

В настоящее время за рубежом выпускаются нагревательные кабели различных модификаций, развертывается их производство на ряде предприятий нашей страны, в том числе по разработкам ВНИИКП и СКВ «Транснефтеавтоматика».

В зависимости от требуемой рабочей температуры нагрева и назначения нагревательные кабели имеют оболочки из металла, поливинилхлорида, фторопласта или кремнийорганической ре-зины, а нагревательную жилу — из меди или сплавов сопротив-ления. Наибольшее распространение в зарубежной практике по-лучили кабели с минеральной изоляцией и металлической оболоч¬кой, так называемые кабели МИ. Кабели МИ предназначены для работы при температуре до 800° С и напряжении до 600 В. В за¬висимости от требуемой мощности и исполнения выпускается не¬сколько типоразмеров кабелей МИ.

■ Спрессованная окись магния, наиболее часто используемая в кабелях МИ в качестве электрической изоляции, имеет высокий коэффициент теплопроводности, значительно превышающий теп-лопроводность других изоляционных материалов, применяемых в кабельной промышленности. Материал для оболочки кабелей МИ выбирается в зависимости от рабочей температуры. При тем-пературе не более 200° С применяется медь, при большей темпе-ратуре— алюминий (до 300°С), углеродистая сталь (до 400°С) и нержавеющая сталь (до 800°С).

В СССР выпускаются нагревательные кабели типа МИ в мед¬ной и стальной оболочках (КМЖ, КНМС). Для электроподогрева эти кабели широкого применения не нашли вследствие высокой стоимости и ограниченного объема производства.

При низких рабочих температурах в качестве греющего ка-'беля может служить геофизический провод марки ПСМШ (ГОСТ •6021—77) с тепловодостойкой резиновой изоляцией. Таким про¬водом выполнена система электронагрева водопровода на Край¬нем Севере [3].

В СКВ «Транснефтеавтоматика» разработано две модифика¬ции нагревательных кабелей, которым присвоен общий индекс — ЭНГК (элемент нагревательный гибкий кабельный). ЭНГК пред-ставляет собой комплектное нагревательное устройство, подго-товленное для непосредственного включения в питающую сеть. Кабели ЭНГК различаются по теплостойкости или рабочей тем-пературе: ЭНГК-85 имеет теплостойкость 85° С, ЭНГК-180 — 180° С.

Нагревательный кабель ЭНГК-85, как и ЭНГК-180 (рис. 2), состоит из трех частей: активной (греющей) части, коммутацион-ных соединений и низкотемпературных выводов. Активная часть представляет собой одно- или многопроволочную нагревательную жилу с наложенными поверх изоляционными слоями. Непосред-ственно на жиле находится слой кремнийорганической резины, затем слой технологической оплетки из стеклонити, поверх кото-рой нанесена оболочка из поливинилхлорида, затем экранирую-щая оплетка из медных проволок и защитная оболочка из ка-бельного пластика. Активная часть кабеля соединяется с низко-температурными выводами путем опрессовки, пайки или сварки с последующей изоляцией теплостойкой изоляционной лентой. Места соединений защищаются снаружи герметичной пластиковой опрессовкой или стальной муфтой с сальниковыми уплотнениями или же герметизирующим компаундом.

Основными техническими характеристиками кабеля ЭНГК-85 являются питающее напряжение, равное 220 В (по требованию заказчика кабели могут быть изготовлены на другое напряжение, но не выше 380 В), и удельная мощность. Диапазон удельных мощностей, т. е. мощностей, приходящихся на 1 м активной длины кабеля, находится в пределах от 10 до 45 Вт/м. Длина нагрева-тельных кабелей может быть от 25 до 140 м. Технические харак-теристики нагревательного кабеля отражаются в условном обо-значении, включающем марку, число нагревательных жил, мощ-ность, рабочее напряжение, исполнение по разделке концевых частей, длину активной (нагревательной) части.

Варианты исполнения по разделке концевых частей нагрева-тельного кабеля маркируются двумя буквами, при этом первая буква обозначает вид разделки с одного конца кабеля, а вто¬рая — вид разделки с другого конца кабеля: Н — наконечник, М — муфта, С — опрессовка, К — ответвительная коробка, Г — глухая разделка.

В качестве примера приведем обозначение для нагреватель-ного двужильного кабеля мощностью 1,97 кВт на напряжение 220 В, длина активной части 98,4 м, соединение нагревательных жил и экранирующей оплетки с низкотемпературными выводами с обоих концов нагревателя с помощью соединительных муфт: ЭНГК-85-2-1.97/220ММ 98,4 ТА2.983.559 ТУ.

Нагревательный кабель ЭНГК-180 имеет на нагревательной жиле оплетку из стеклонити и оболочку из кремнийорганической резины. Кабели ЭНГК-180 могут иметь общую длину от 26 до 56 м с удельной мощностью от 3^0 до 70 Вт/м. Основные техниче¬ские характеристики кабелей ЭНГК-180 приведены в табл. 1. В настоящее время организовано серийное производство кабелей ЭНГК-85. Кабели ЭНГК-180 готовятся в серийное производство.

Особенности монтажа нагревательных кабелей при подогреве технологического оборудования

Прокладка греющих кабелей может быть внутренней и наруж-ной. В первом случае греющий кабель прокладывается внутри трубопровода, во втором — линейно по поверхности трубопровода сверху, снизу или под любым требуемым углом или же спи¬рально. При наружной прокладке греющие кабели крепятся к трубопроводу бандажами из стали или алюминия (рис. 3). Ка-бели покрываются полосами и затем тепловой изоляцией, поверх которой накладывается защитный кожух. Холодные выводы ка-белей выводятся через теплоизоляцию и подключаются к клемм-ным коробкам.

Более сложным является обогрев кабелями сложного по форме технологического оборудования, такого, как счетчики, за¬порная арматура и т. д. На рис. 4 показан монтаж и крепление кабелей к корпусам вентилей, к фланцам на коленах. В этом слу¬чае для крепления применяются стальные бандажи, хомуты и металлорукава при обходе острых выступов. Расположение кабе-лей (линейное или спиральное) на трубопроводе с точки зрения передачи теплоты практически не имеет большого значения, так как теплопроводность металла трубопровода в десятки раз боль-ше теплопроводности контактной зоны и теплоизоляции.

Однако в случае перекачки продуктов, допускающих нагрев в узком диапазоне температур, и при повышенных требованиях к температурному режиму кабель располагается на трубе с уче¬том распределения температур по периметру трубы. В этом слу¬чае учитывается возникающая разность температур между нагре-вательным кабелем и обогреваемым трубопроводом, которая зависит от способа крепления кабеля, качества и площади тепло-вого контакта, теплопроводности изоляции самого кабеля.

При ухудшении теплового контакта, например при попадании теплоизоляции между трубой и нагревательным кабелем, разность температур может достигнуть опасного значения, что приводит даже к перегреву, повреждению или выходу из строя нагрева-тельного кабеля. Во избежание перегрева рекомендуется иметь гарантийный тепловой контакт, например крепление с использо-ванием теплопроводящего цемента.

При внутренней прокладке кабель находится внутри про¬дукта, что делает этот способ монтажа наиболее эффективным с точки зрения теплопередачи. Внутренняя прокладка греющих кабелей обычно применяется для подземных трубопроводов с вы-соковязкими топливами. Концы кабеля выводятся через сальни-ковое уплотнение, через фланцы тройников или штуцеров. Соеди-нение концов осуществляется с помощью соединительной коробки, монтируемой на обогреваемом трубопроводе.

Однако технические трудности выполнения вводов нагрева-тельных кабелей в трубопровод, прокладка их внутри трубопро-

Рис. 3. Наружная прокладка нагревательных кабелей.

а — общий вид; 6 — сечение трубопровода. / — нагревательный кабель; 2 —корпус терморегулятора; 3 — алюминиевые бандажи; 4 — защитная алюминиевая полоса; 5 —заделка вывода; « — бандажи на холодных выводах; 7 — термобаллон терморегулятора.

Рис. 4. Монтаж нагревательных кабелей на арматуре и фланцах.

а — схема обогрева задвижки; б — обход фланца; в — схема интенсивного обогрева эа«

движки.

1 — нагревательный кабель; 2 — бандаж.

водов и защита от движущегося продукта в значительной сте¬пени ограничивают применение внутреннего подогрева. В высоко-напорных трубопроводах при транспорте абразивосодержащих и агрессивных продуктов внутренний подогрев вообще невоз¬можен.

Несмотря на то, что наружная прокладка нагревательных ка-белей применяется в подавляющем числе случаев, следует ука¬зать на некоторые недостатки этого способа монтажа. При по¬вреждении нагревательных кабелей возникает необходимость в полном демонтаже теплоизоляционных покрытий, что приводит к полному или частичному выходу последних из строя. Естест¬венно, что тепловые потери при наружной прокладке выше, чем при внутренней.