VARMETAP FRA UNDERSJØISKE RØRLEDNINGER Erling Meyer (1995) SAMMENDRAG Stort varmetap fra undersjøiske rørledninger kan forårsake alvorlige problemer for transporten av olje fra undervanns satellitter og fram til plattformen. I en uisolert eller dårlig isolert rørledning vil temperaturen til oljen raskt synke til omgivelses temperaturen. Dette kan føre til hydrat eller voks dannelser i rørledningen, som igjen kan føre til en betydelig reduksjon i produksjonsraten. Varmeovergang fra olje til omgivelser kan reduseres ved å varmeisolere rørledningen. Varmeisolering kan gjøres ved å isolere rørledningen før den legges på havbunnen eller ved nedgraving/ tildekking av rørledningen. I denne rapporten er følsomheten av den ytre varmeovergangskoeffisienten på det totale varmetap studert i to modell-systemer, en analytisk beregning og et simuleringsprogram, med hovedvekt på nedgravde rørledninger. Modellene gir sammenfallende resultater. En 15 km lang rørledning med oljerate på 5000 Sm3/D og med en innløpstemperatur på 80 0C vil med en nedgravingsdybde på 25 cm få en utløpstemperatur på 30 0C. Den ytre varmeovergangskoeffisienten er for denne modellen på 90-95 % av den totale varmegjennomgangskoeffisienten. Målinger som er gjort på eksisterende rørledninger nedgravd i finkornig sand har vist en varmeledingsevne gjennom sandlaget på 2.0 W/m 0C. Varmeisolering av rørledninger ved nedgraving har vist seg å være effektiv, og spesielt lønnsomt der hvor mekanisk beskyttelse eller stabilisasjon av rørledningen er påkrevd. For en isolert rørledning fritt eksponert mot vann vil den ytre varmeovergangskoeffisienten, representert ved film koeffisienten, utøve liten virkning på det totale varmetapet. INNLEDNING Flerfase strømningsledninger blir stadig oftere brukt i utbygging og utvikling av nye og gamle felt hvor undervanns satellitter er langt fra plattformen. Et aktuelt problem i denne sammenheng er det varmetap og de fysikalsk-kjemiske endringer transport av flerfase fluid vil ha i slike ledningssystemer. Reservoarfluid når vanligvis havbunnen med en temperatur på omlag 90-95 0C (1). Med en temperatur i havvann på cirka +4 0C vil selvsagt varmetapet være sterkt avhengig av ledningssytemets isolering, og dess større varmetap, dess raskere reduseres temperaturen i blandingen og dess større er risikoen for hydrat- og voksdannelse. Hydrat og voksdannelser oppstår ved lave temperaturer og høye trykk og kan lett medføre blokkering av rørledningen. Det finnes flere metoder å unngå hydrat- og voksdannelser. En metode er å injisere kjemikalier i rørledningen (f.eks glykol). Glykol har imidlertid endel bivirkninger (kostbart, korrosjonsømfiendtlig, og må fjernes i ettertid). Ved å redusere varmetapet fra rørledningen slik at temperaturen til blandingen holdes over den kritiske temperaturen for hydrat og voksdannelser, vil faren for blokkering av ledningen unngås. Det er derfor viktig å forstå hvordan varmovergang fra undersjøiske rørledninger fungerer. Varmetap kan uttrykkes ved en total varmegjennomgangskoeffisient. Den inkluderer alle mekanismer for varmeoverføring fra fluid i rørledningen til omgivelsene rundt røret (2). Hva gjelder varmeovergang fra innsiden til utsiden av røret, er de termodynamiske forhold velkjent og vel dokumentert. Annerledes er det for det videre varmetapet til omgivelsene, og spesielt om rørledningen er nedgravd. Hvordan er varmetapet fra en rørledning som er nedgravd i havbunnen sammenlignet med en ledning som ikke er nedgravd ? Hensikten med denne rapporten er å drøfte følsomheten av den ytre varmeovergangskoeffisienten og dens innvirkning på det totale varmetapet, og spesielt hvilken effekt nedgraving eller tildekking av rørledningen har på den totale varmegjennomgangskoeffisienten. Dette vil belyses ved analytiske beregninger og ved hjelp av simuleringer på data programmet PIPESIM (3). KONKLUSJON 1. Varmeisolering av rørledninger i form av nedgraving er effektiv. Den ytre varmeovergangskoeffisienten vil for et nedgravd rør være den dominerende faktor på det totale varmetapet. 2. For en rørledning 15 km lang, indre diameter 250 mm, strømningsrate 5000 Sm3/D og nedgravd til en dybde på 25-30 cm vil 90-95 % av temperaturfallet skje i nedgravingsmaterialet, og oljen med en innløpstemperatur på 80 0C vil ha en utløpstemperatur på ca. 30 0C. 3. Varmeisolering av rørledninger ved nedgraving/ tildekking vil være spesielt gunstig hvor mekanisk beskyttelse er påkrevd. 4. Fri strømning i porøse materialer reduserer den effektive varmeledningsevnen til materialet. Forståelsen av problemet er likevel ikke fullt ut dokumentert. 5. For isolerte rørledninger fritt eksponert mot vann vil den ytre varmeovergangs koeffisienten ha liten innvirkning på det totale varmetapet. REFERANSELISTE 1. King, W. Nicholas: Multi-phase flow in Pipeline Systems, paper 3 Features and Design Considerations of Multi-Phase Pipelines by T Baxter, ch.4. pp 3-4, Glasgow 1990. 2. Asheim, H.: Kompendium i fag 24046 Petroleumsproduksjon 1, Petroleumsproduksjon og prosessering på plattformen kap. 6. 137-160, Trondheim 1994. 3. Baker Jardine & Associates Limited: PIPESIM for Windows User’sGuide, versjon 2.0, London 1994. 4. Holman, J.P.: Thermodynamics 4th. edition kap. 11. pp 588-609, Singapore 1988. 5. Boer, S. Delft Hydraulics : Temperature Distribution around Covered and Buried Flowlines, paper to be presented on seminar: ‘ Draft guidelines for thermal insulation systems for offshore pipelines’, Edinburgh nov 26-27,1992 6. Traa, M. van, DeRuiter, K., Boer, S. and Watson R.: The Use of a Precisely Applied Sand Mixture as a Method for Thermally Insulating Subsea Flovlines, Offshore Technology Conference, Paper No. OCT 6156, 1989. 7. Asheim, H.: Kompendium i fag 24048 Petroleumsproduksjon 3 kap. 2.3. 50-62 Trondheim. 1994. 8. Rogers, G.F.C., and Mayhew, Y.R.: Engineering Thermodynamics Work & Heat Transfer part IV Heat Transfer ch.21 pp 469-479, Bristol 1957.