ỔN ĐỊNH NHIỆT TRONG ĐƯỜNG ỐNG DẨN DẦU–KHÍ

Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
236
N NH NHIT TRONG NG NG DN DU–KHÍ

HEAT STABILIZATION FOR OIL AND GAS PIPELINES


Trn Th Mai Hng

Khoa K thut a cht & Du khí, i hc Bách khoa TP. HCM, Vit Nam
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

TÓM TT

Trong quá trình thit k và vn hành các tuyn ng dn du-khí, vic duy trì nhit cho dòng cht
lu chuyn đng là mt yêu cu quan trng hàng đu và đó cng là chc nng ca h thng n đnh
nhit. Yêu cu này phi đc tính toán ngay t giai đon thit k và kéo dài trong sut quá trình phát
trin ca m, đm bo các ch tiêu v công nghip, thng mi và dân sinh. Qua bài báo, tác gi mun
mô t cu to ca h thng n đnh nhit cng nh c ch truyn nhit trên các tuyn ng vn chuyn
du khí đã và đang đc áp dng trong ngành công nghip du khí.

ABSTRACT

In the process of designing and operating oil and gas pipelines, to meet the demands for
maintaining the temperature of the system is very important and that is the main function of the heat
stabilization. The requirements for this system must be taken into account right in the design stage and
satisfied industrial, commercial and social criteria during the development of the oil field together with
other. In this paper, the author describes the components of two popular heat stabilization models as
well as the mechanism of heat transfer along the thermally stabilized pipelines currently used in
petroleum industry in Vietnam.

1. M U
S phát trin ca công nghip du – khí, nht
là công nghip khí đng ngha vi s phát trin
ca các h thng tuyn ng, đây là phng tin
r tin và an toàn nht. Hin nay, trên th gii đã
có nhiu phng tin vn chuyn thay th nhng
tuyn ng vn gi v trí quan trng nht đnh.
Tuy vy, vn có nhiu vn đ đt ra cho h
thng tuyn ng nh các vn đ chính tr, xã
hi, môi trng,… và công ngh
. Các tuyn ng
thng đc lp đt ngm di đáy bin hay tri
dài trên din rng hay theo thi gian b chng
chéo lên nhau,…. to môi trng thoát nhit ln,
đ an toàn thp,…
Trong các đ tài nghiên cu v tuyn ng
thng đi sâu v vn đ công ngh, an toàn,
riêng vn đ thit k chúng ta ch quan tâm đn
b dày, chiu dài tuyn ng vì nó liên quan đn
hai vn đ ln trên. Vn đ đt ra là: Nhit đ
dòng sn phm, các tác đng môi trng nh
hng trc tip hay gián tip nh th nào đn
cht lng tuyn ng
2. C CH TRUYN NHIT VÀ CÁC YU
T LÀM THAY I NHIT  TRONG
H THNG NG NG NGM VÀ B
MT
D đoán s phân b nhit đ trong h thng
đ

ng ng vn chuyn du khí cng quan trng
nh áp sut. Nhit đ hiđrat hoá khí, đc tính
ca pha hi - lng và hàm lng nc ca khí là
các đi lng nhy cm vi nhit đ. D đoán
nhit đ là giai đon đu tiên ca quá trình tính
Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
237
toán.
Nhit đc truyn theo 3 c ch: S dn
nhit, trao đi nhit đi lu và trao đi nhit bc
x th hin trên các tuyn ng dn du khí đc
lp đt ngm và trên mt đt.
S dn nhit xut hin khi có s tip xúc vt
lý. Nhit đc truyn rt tt qua hu ht các kim
loi vì kim loi là cht dn nhit tt. Mt vt
liu cách nhit tt là mt vt liu dn nhit kém
và ngc li. Nhit đ  các đim khác nhau có
th d đoán đc nh ng dng cân bng nhit
nng. Nu th nng và đng nng không đáng k
và công bng 0, khi đó t đnh lut cân bng th
nht đi vi h tr
ng thái n đnh đc gin
lc thành: ∆
H = Q
i vi cht lng, entapy hu nh không ph
thuc vào áp sut. Do đó entapy  mt s đim
ph thuc c vào áp sut ti các đim này và
nhit nng mt đi hoc thêm vào qua thành ng
dn. T đnh lut truyn nhit, có:
Q = UA∆

t
m
(1)
Entanpy ca khí tng khi gim áp sut, có
phng trình sau:
Q = (U) (π
dL) (∆T
m
) (2)
Trong đó:
Q - Lng nhit mt đi trong đon ng dn
dài L.
A - Hng s (A = 0,372)
L - Chiu dài đon ng
L = L
s
– L
i

L
i
, L
s
- Là đim đu và đim cui đon
ng cn xét
∆T
m
– Giá tr trung bình,
∆T
m

= (∆T
i
- ∆T
s
)/ln(∆T
i
/∆T
s
)
∆T
i
= T
i
- T
g
∆T
s
= T
s
- T
g
T
g
- Nhit đ ca đt hay nc ti đim đó
T
i
, T
s
- Nhit đ đu và cui ca tuyn ng
cn xét

U - H s truyn nhit tng.


Hình 1: S ph thuc gia chiu dài ca đon
ng và nhit đ gia các đim
Nu nhit đ ca dòng cao hn T
g
thì lng
nhit truyn đi s âm còn nu nh hn T
g
thì lu
lng s dng và đng cong s gn vi T
g
t
phía di. ng A áp dng khi nh hng ca
áp sut lên entapy đc b qua. ây là quá trình
truyn nhit đn gin và nhit đ dòng du
không h xung thp hn T
g
. ng B phn ánh
s thay đi ph thêm ca nhit đ do nh hng
ca áp sut lên entanpy. Trong thc t, trong các
h thng đng ng vn chuyn khí, đng này
h xung thp hn T
g
khong 2 – 3
0
C đi vi
trng hp gim áp sut thun túy. Nu tuyn
ng không gi đc nhit ca dòng sn phm có

th to st áp dòng ln gây tc ng, bp ng dn
đn n,… thit hi rt ln.
Trao đi nhit đi lu, xy ra khi có s
chuyn đng ca không khí bên trên hoc xung
quanh b mt ca ng vn chuyn d
u khí. H
s truyn nhit tng (U) trong phng trình (1)
và (2) din t tt c các yu t làm thay đi nhit
đ dòng sn phm, c ch truyn nhit này th
hin rõ qua h thng ng dn ngm.
1. H s màng gia dòng và thành ngoài ng
ngoài ng
2. Thành ngoài ng
3. Lp ph ng (n đnh nhit)
T
i
T
s
T
g
T

L
A

B

L
i
L

s
Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
238
a
a
T
h
R
T +=
π
4. Lp bê tông hoc mi ni
5. Cát đp
6. t t nhiên gn ng dn có nhit đ cao
hn nhit đ thng
i vi các ng dn ngm chôn di đt các
yu t 1, 2, 3, 5, 6 và các ng ngm chôn di
đáy bin có tr lc 1, 2, 3, 6 làm thay đi nhit
đ dòng sn phm trong ng
Tr lc 6 cn đc chnh sao cho vic tng
nhit đ xung quanh ng dn cao hn T
g
. Theo
các nghiên cu, nhit đ đt trong khong cách
5m t thành ng dn ra cao hn nhit đ đt.
ây là yu t ln làm gim nhit đ dòng .
H s (U) đc tìn thy qua thc nghim, các
ng thu gom và ng dn không có lp n đnh
nhit cho thy U = 5 ÷ 20 kJ/gi.m
3
.K. Phn ln

các giá tr xác đnh đc thng thp hn giá tr
này 1/3. Nhit đ T
g
không phi là giá tr c
đnh, mà  mc đ nào đó ph thuc vào nhit
đ không khí. Nhit đ cc đi ca đt chm
hn nhit đ ca không khí 1 hoc 2 tháng.
ng ng chôn trong nc  đ sâu > 30m có
nhit đ gn nh nhau, Mt s đáy h có nhit
đ thay đi không quá 3
0
C trong mt nm. Vì
T
g
thay đi nên giá tr (U) cng thay đi . Trong
mùa hè (U) có th cao hn mùa đông 50 ÷ 60%
Trao đi nhit bc x trên tuyn ng đc
mô t vi hin tng: Bn cm thy m lên khi
đng di mt tri hoc hoc bên cnh mt lò
la. C ch truyn nhit này th hin rõ  ng
dn trên mt đt.
Phng trình (1) và (2) không áp dng cho
ng dn trên mt đt do không có giá tr T
g
. D
đoán nhit đ cc đi ca dòng chy trong ng
dn (T) là kt qu ca vic nhn nhit ban ngày
t mt tri do bc x và mt nhit do đi lu vi
không khí. Nhit đ ph thuc vào các yu t
nh:

- Thi gian ban ngày
- iu kin khí quyn
- Nhit đ không khí (T
a
)
- Tc đ gió
- Màu và tính cht ca b mt ng
- Vn tc chy và tính cht ca dòng trong
ng dn


Trong đó:
T - Nhit đ cc đi ca dòng,
0
F
T
a
- Nhit đ không khí môi trng,
0
F
R - Lng bc x mt tri, Btu.gi/ft
2

h
a
- h s màng ca không khí cho quá trình
đi lu, Btu /ft
2
.gi.
0

F

Giá tr T thng không vt giá tr trung
bình t 10 ÷ 16
0
F. Nhit đ thc thng thp
hn nhit đ trung bình tr phi xét trên đon ng
trn rt dài. c tính ca dòng chy, vn tc,
chiu dài ng, mùa trong nm, điu kin đa
lý,… đu nh hng đn giá tr T. Giá tr T luôn
thay đi theo thi gian.
Hình 2: Tuyn ng vn chuyn khí đt trên
mt đt
Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
239
3. H THNG N NH NHIT: CU
TO VÀ TÍNH TOÁN THIT K
S thay đi nhit đ trong ng dn du khí
cho ta thy cn phi có mt cht gì đó (hóa hc)
làm gim s trao đi nhit ca dòng sn phm ra
bên ngoài. Tuy nhiên, điu đó s làm gim tính
cht dòng và sn phm cui phi mt thêm 1
khâu tinh ch li.  đn gin, chúng ta làm cho
ng dày lên. Vn đ n đnh nhit tuyn ng
thc cht có t
 lâu trên th gii, chúng đc
quan tâm t khâu thit k đn khâu vn hành.
Mt vt liu hoc t hp các vt liu đc dùng
đ cn tr dòng nhit đc gi là h thng n
đnh nhit. Mc đích là làm gim vn tc trao

đi nng lng qua ng dn. Hin nay có hai
dng n đnh nhit 1 lp và nhiu lp (hình 4).
Mi d
ng ph thuc vào gii hn c hc ca vt
liu và tính kinh t







C ch truyn nhit qua lp n đnh nhit
đc đánh giá bng mi quan h hàm s gia
nhit to ca lp n đnh nhit theo đ dày,
nhit đ làm vic ca b mt, các đc tính b
mt ca lp màng mng bao bên ngoài và các
điu kin môi trng xung quanh.
* Nhit truyn qua ng có 1 lp vt liu n
đnh nhi
t:
()
i
si
r
r
TTKL
U
0
ln

2 −
=
π
(3)
Trong đó:
K - H s dn nhit (Btu.in/(h.ft
2
.
0
F)
L - Chiu dài ng (ft)
T
i
, T
s
- Nhit đ bên trong và bên ngoài ng
(
0
F)
r
i
, r
0
– Bán kính b mt trong ng và b mt
lp n đnh nhit (in)
*Nhit truyn qua ng có nhiu lp vt liu
n đnh nhit:
T (3) ta có:
fK
rrr

K
rrr
TT
U
i
1/ln/ln
3
233
1
13
21
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−
=
(4)
Trong đó:
r
1
, r
2
, r
3
– Bán kính b mt ngoài ca các lp

n đnh nhit tính t trong ra ngoài
1/f - H s nhit tr b mt (nhit tr đi lu)
a phn các vt liu đng nht dn nhit tt.
Giá tr ca nó không ph thuc vào din tích, đ
dày, hình dng,… ca vt liu. Các cht này có
nhit tr b mt ln hn nhit tr tng cng và
ngc li. Còn s truyn nhit li ph thuc vào
hình dáng ca vt n đnh nhit và đc bit b
chi phi bi đ dày ca lp n đnh nhit. Khi
giá tr mt đ dòng nhit truyn t b mt ra
không khí cao hn thì nhit tr b mt thp hn
và ngc li. Khi nhit truyn qua mt vt liu
đc ra môi tr
ng ngoài s to ra s đi pha
gia lp khí ti b mt giao tip vi lp khí
quyn bên ngoài. Do đó lng nhit truyn t b
mt s ít hn nu nh nhit tr không có ti
đim này
4. CÁC DNG H THNG N NH
NHIT ÁP DNG  VIT NAM
* ng mt lp vt liu n đnh nhit
th
ng áp dng trên các ng đn gin nh chân
giàn khoan, các đng ng dn khí nh,… phc
v trên các giàn khoan hay trong ni b nhà
máy. n đnh nhit mt lp áp dng nhiu trong
công tác bo dng ng đnh k. Vi nhng loi
ng này ch yu s dng các lp sn ph. Do
các lp sn rt mng (micron) nên thc t vn
Hình 3: Mt ct ngang ca h

 thng n đnh
nhit 1 lp (a) và nhiu lp (b)
ng
r
i
r
0
(a)
(b)
Các lp n
đnh nhit
r
3
r
1
r
i
r
2

Hi ngh khoa hc và công ngh ln th 9, Trng i hc Bách khoa Tp. HCM, 11/10/2005
240
coi đây là ng n đnh nhit 1 lp. Trc khi
tin hành sn ph cn lu ý:
+ ánh sch ng sau đó quét mt lp nh
trng (spirit) lên b mt ng
+ Tin hành sn lót, lp sn lót phi mng
+ Các lp sn tip theo phi tuân th các yêu
cu đt ra.
Bng 1: Các bc tin hành sn ph

Loi sn
 dày lp
sn
(micron)

S
lp
Thi gian
sn lp sau
(gi)
SDZin 1500
(nguyên cht)
65 1 24
Eromarine
Ex500
25 2 8
Eromarine
Ex500
75 3 8
Retan 6000 100 4 8
Retan 6000 40 5 6
Tng cng 350 5 54

* ng nhiu lp vt liu n đnh nhit:
Sn phm vn chuyn trong các tuyn ng du
khí đc coi là các cht lng truyn nhit đã
đc gia nhit hay làm mát ti giá tr nhit đ
thit k và đc duy trì n đnh trong sut quá
trình vn chuyn. iu này ph thuc nhiu vào

thit b vn chuyn. Vi ng n
đnh nhit
nhiu lp s truyn nhit ra bên ngoài ng s
gim theo s gia c các lp n đnh nhit to
môi trng n đnh cho dòng sn phm. Các vt
liu dùng trong ng n đnh nhit du khí
thng là bông khoáng, silicat hoc thy tinh
th. Trong hu ht các trng hp do dao đng
nhit đ ln  mi lp, đòi hi h th
ng n đnh
nhit tng hp. Vi ng có hai lp vt liu n
đnh nhit, khi kt hp các vt liu bông khoáng
và thu tinh th còn có th phc v cho yêu cu
bo v, vt liu bông khoáng s to ra mt vùng
đm gia lp kim loi và lp thy tinh th, và
lp thy tinh s chng đc quá trình bc hi
khi nhit đ trong h th
ng xung thp hn môi
trng bên ngoài ng tránh hin tng st áp
ln. Vi ng có trên hai lp n đnh nhit cng
tng t nh vy nhng cn phi xem xét môi
trng đt ng đ tránh mi nguy him v cháy
nu chúng hp th vào vt liu n đnh nhit có
kh nng thm thu
Ngoài ra, tu thuc vào các điu kin đa
cht, môi trng bên ngoài ng, sn phm vn
chuyn,… mà tng lp vt liu n đnh nhit
cho tuyn ng. ng vn chuyn khí hai pha
Nam Côn Sn có 3 lp n đnh nhit (không k
lp sn) còn ng vn chuyn khí Rng ông

Bch H ch có 2 lp n đnh nhit (không k
lp sn)
Bng 2: Nhit đ ca mt s vt liu cách nhit
đang áp dng
Vt liu
cách nhit
Nhit đ
chu đng
cc đi
0
F
Nhit đ
chu đng
cc tiu
0
F

thm
thu
Silicat
Canxi
1000 250 NA
Thy tinh
th
900 - 450 0,005
Bt
elastom
200 - 40 0,3
Bông thy
tinh

850 42 75
Bông
khoáng
1200 42 150
Perlite (đá
trân châu)
1000 250 18
Bt Phend 300 75 6 - 7

5. KT LUN
Qua bài báo, tác gi đã mô t cu to ca h
thng n đnh nhit cng nh c ch truyn
nhit trên các tuyn ng vn chuyn du khí đã
và đang đc áp dng trong ngành công nghip
du khí. Vic hiu bn cht ca dòng vn
chuyn, c ch truyn nhit cng nh nguyên lý
hot đng ca các h thng n đnh nhit s h
tr đc lc cho vic xây dng các tuyn ng
hin đi, tit kim và đm bo an toàn.
Các h thng n đnh nhit s dng nhiu lp
hin đang đc s dng nhiu  Vit Nam trong
các ng vn chuyn du khí cng nh các sn