胡志勇，吳 明，酆春博，任洪達(dá)，王少松，牛 冉

（1. 中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266071； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

我國生產(chǎn)的原油多為含蠟粘稠原油，具有含蠟量高、凝點(diǎn)高、粘度大的特點(diǎn)[1]，管道蠟沉積一方面使管道流通面積減小，而且過厚的蠟沉積層會導(dǎo)致管道停輸再啟動過程出現(xiàn)危險(xiǎn)；另一方面，蠟沉積層的存在起到了保溫作用，減小了管道運(yùn)行的熱力費(fèi)用[2]。

目前國內(nèi)的原油管道少部分采用保溫層保溫，然而對于這類輸油管道的清蠟周期方案的制定只是在不保溫管道運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)中得來的，缺乏深入的研究和科學(xué)的理論依據(jù)。因此，本文將分析國內(nèi)外學(xué)者研究不保溫原油管道時(shí)的思路與方法，對影響蠟沉積因素、建立的實(shí)驗(yàn)裝置、模型建立、保溫層影響等方面展開討論，提出保溫原油管道蠟沉積研究的方向。

1 蠟沉積的影響因素

1.1 油溫

李俊剛等[3]在蠟沉積室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將管壁溫度設(shè)置在42 ℃到50 ℃，獲得壁溫一定的情況下，隨著油溫的升高結(jié)蠟速率呈增大趨勢。

朱林等[4]對大慶原油進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中在保持油壁溫差為2 ℃的前提下，通過改變油溫與流量的方案，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在某一溫度下結(jié)蠟速率達(dá)到最大，該峰點(diǎn)溫度之前，隨著油溫的上升，結(jié)蠟量逐漸減少。

因此，在接近析蠟溫度的較高溫度與接近凝點(diǎn)的較低溫度之間有一個(gè)蠟沉積較為嚴(yán)重的區(qū)域，而在這上述的兩個(gè)溫度附近蠟沉積較輕。根據(jù)蠟沉積機(jī)理，這種情況應(yīng)該與管壁溫度即油流與管壁的溫差有關(guān)。

1.2 溫差

如文獻(xiàn)[2]中所述，原油與管壁的溫差決定著蠟分子通過沉積層擴(kuò)散與沉積層中低分子量烴的反擴(kuò)散。當(dāng)壁溫低于原油中蠟的初始結(jié)晶溫度時(shí)，將導(dǎo)致壁溫與中心油流的溫差和蠟分子的濃度梯度均增加，分子擴(kuò)散作用也隨之增強(qiáng)。然而蠟沉積的發(fā)生必須滿足表面溫度低于原油的析蠟點(diǎn)和溶解溫度。因此，溫差是蠟沉積的主要因素，當(dāng)壁溫高于油溫時(shí)，管壁內(nèi)幾乎沒有蠟沉積；當(dāng)滿足溫度條件時(shí)，蠟沉積量隨溫差的加大而增加。

1.3 剪切速率

Hsu等[5]在自行研制的高壓紊流環(huán)道裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為層流情況比紊流情況下蠟沉積嚴(yán)重，隨著流速的增大，原油流動的流態(tài)從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)，其蠟沉積減少近75%。Jessen等[6]認(rèn)為，層流與紊流兩種流態(tài)相比，由于流速增大、油壁溫差減小和壁面處剪切應(yīng)力的增大，將會導(dǎo)致管壁上蠟沉積層變薄，因此，層流流態(tài)下蠟沉積量隨著剪切速率的增加相應(yīng)地增加，而紊流流態(tài)恰恰相反。

Agrawal[7]在實(shí)驗(yàn)過程中保證壁溫保持一定，研究不同油溫下，蠟沉積量隨流量大小變化的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在一定油溫下，蠟沉積量隨流量的增加先增加后減小，即存在一個(gè)蠟沉積量最大的流量值，且該流量值隨著油溫的升高而增大。

1.4 原油的組成

含蠟原油中通常含有膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。這兩種物質(zhì)的存在對蠟沉積的影響作用并不相同，單獨(dú)存在的瀝青質(zhì)幾乎不會影響蠟沉積，瀝青質(zhì)則對蠟沉積層的形成起到了加速作用。隨著原油含水率的增大，易在管壁形成水膜，從而削弱蠟與管壁的接觸機(jī)會和結(jié)合力，導(dǎo)致蠟沉積速率降低[8]。其他機(jī)械雜質(zhì)的存在，也容易形成結(jié)蠟核心，增大結(jié)蠟強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 冷板法與冷指法

Hunt[9]、Jorda[10]、Charle[11]等人采用的冷板法試驗(yàn)裝置中，可以通過磁力攪拌桿攪拌原油，易于控制油與板的溫差，使用該方法研究蠟沉積規(guī)律的試驗(yàn)裝置較為簡單。Cole[12]等對油水兩相流層流狀態(tài)下的蠟沉積進(jìn)行了冷板實(shí)驗(yàn)，研究了不同的潤濕特性（冷板材質(zhì)特性的改變）對蠟沉積的影響。

Hamouda[13]、Weispfening[14]和 Bern[15]等通過改變沉積面，即采用圓柱面，建立了冷指法試驗(yàn)裝置，Hamouda利用冷指實(shí)驗(yàn)裝置，研究了單相含蠟油體系中的蠟沉積規(guī)律，張宇等[16]利用冷指實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了含蠟油-水乳狀液的蠟沉積規(guī)律研究，該研究彌補(bǔ)了以往文獻(xiàn)中蠟沉積冷指實(shí)驗(yàn)的不足，考慮了乳狀液粒徑分布對蠟沉積的影響，較為準(zhǔn)確地描述了含蠟油-水兩相體系中的蠟沉積規(guī)律。

上述兩種方法在工作原理方面是類似的，均采用控制油溫與介質(zhì)的溫度，達(dá)到恒溫、恒溫差或恒速降溫的目的，都可以測量規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)的蠟沉積量，還可以測量溫度、溫差、冷卻速率、時(shí)間、沉積表面性質(zhì)及化學(xué)劑等 6個(gè)方面對蠟沉積的影響。

2.2 旋轉(zhuǎn)圓盤法

Matlach等[17]使用旋轉(zhuǎn)圓盤法測量蠟沉積量的試驗(yàn)裝置可通過控制油溫、轉(zhuǎn)盤溫度、旋轉(zhuǎn)時(shí)間和速度，實(shí)現(xiàn)圓盤轉(zhuǎn)速與蠟沉積量的實(shí)時(shí)測量。該方法除了能夠完成冷板法和冷指法所研究的6個(gè)方面的影響因素之外，還可以研究剪切速率對蠟沉積的影響，而且控制與測量的實(shí)現(xiàn)也較為方便。但存在的缺點(diǎn)是蠟沉積在旋轉(zhuǎn)的圓盤上，與實(shí)際管道中原油流動且沉積表面固定的情況并不相符。

2.3 環(huán)道法

環(huán)道法是將管道浸入冷卻介質(zhì)中，使原油在管內(nèi)流動，以此來控制原油的流量和溫度，以及冷卻介質(zhì)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)恒溫、恒溫差或恒速降溫的要求，最終可以測量規(guī)定時(shí)間內(nèi)的結(jié)蠟量。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是更易真實(shí)地模擬含蠟原油在實(shí)際管道中的流場分布和描述其蠟沉積規(guī)律。

較為典型的有Hunt等建立的小型環(huán)道模擬實(shí)際管道，這種裝置在蠟沉積厚度的測量方面較為困難，不能解決原油粘度在測量過程中的變化造成的壓降增大問題。Hsu[18]和Singh[19]等對原有環(huán)道裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置了測試段與參比段兩個(gè)部分。Hsu等建立了高壓紊流環(huán)道，該裝置的測試段與參比段完全相同，利用水套控制管壁溫度，根據(jù)參比段與測試段的壓差計(jì)算蠟沉積量。該裝置的成功之處在于，不需頻繁拆卸試驗(yàn)管段，重復(fù)性好，因此獲得的試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

在環(huán)道試驗(yàn)方法中蠟沉積量的測量是試驗(yàn)的關(guān)鍵因素，目前蠟沉積量的測定方法有如下幾種。

2.3.1 直接法

在環(huán)道試驗(yàn)中測量蠟沉積量的直接方法是拆管法和清管法。拆管法就是測量從含有蠟沉積的測試管段中移出的沉積蠟的質(zhì)量，從而確定結(jié)蠟厚度。清管法就是直接在管道中通球，然后測量移出的蠟容積來獲得結(jié)蠟厚度。這種直接法簡單直接，可以對蠟沉積物進(jìn)行成分分析，由于該方法具有簡單直接以及可以分析蠟沉積物成分等優(yōu)點(diǎn)，雖然存在操作耗時(shí)和只能計(jì)算平均厚度的缺陷，但在低壓單相流動的蠟沉積試驗(yàn)研究中仍然廣泛應(yīng)用。

2.3.2 壓降法

隨著蠟沉積的產(chǎn)生，管道的流通面積減小，流體的水力直徑也相應(yīng)減小，從而造成了管道端面的壓力增大。因此壓降法就是根據(jù)達(dá)西公式，求得管壁的平均結(jié)蠟厚度。

目前，國內(nèi)很多學(xué)者建立的蠟沉積試驗(yàn)環(huán)道均采用壓降法，但該方法并不適用于多相流動中壓降特性更為復(fù)雜情況下結(jié)蠟厚度的測量。

2.3.3 傳熱法

在管道中未形成結(jié)蠟層的時(shí)候，流體與環(huán)境之間存在一個(gè)總的熱阻，隨著蠟沉積物的產(chǎn)生，整個(gè)管道會增加一個(gè)新的熱阻。傳熱法中是通過將新增熱阻與結(jié)蠟厚度近似地認(rèn)為成正比，獲得相關(guān)的熱參數(shù)后，由傳熱公式解得結(jié)蠟厚度。

傳熱法是非插入式的在線結(jié)蠟厚度測量法，此方法能夠得到較為精確的結(jié)蠟厚度的前提是能夠精確地預(yù)測內(nèi)外管壁上的傳熱系數(shù)。由于在多相管流中無法滿足這一要求，因此該方法并不適用。另外，對于水平管道和近水平管道，特別是當(dāng)管道中出現(xiàn)段塞流和層流時(shí)，管壁周圍的傳熱系數(shù)通常是不相同的。

2.3.4 其他新技術(shù)

除上述方法外，目前還有一些新的測試方法。如液體置換與檢測法[20]、超聲波法和激光測厚法等。

液體置換與檢測法是將管段豎直放置，用參比段中的試驗(yàn)油品重新填充經(jīng)壓縮天然氣排空的測試段，根據(jù)油品在兩部分管段的液位高度的差值變化，計(jì)算測試管段中各環(huán)向截面的結(jié)蠟厚度。美國Tulsa大學(xué)[21]氣液兩相流蠟沉積試驗(yàn)裝置中就采用了液體置換與檢測法裝置來測量結(jié)蠟厚度，試驗(yàn)結(jié)果十分可靠、精確。

超聲波技術(shù)測量目前僅僅處于試驗(yàn)階段，在國外Isaksen[22]和Adersen[23]等利用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在線測量管壁上蠟沉積物分布情況的目標(biāo)。

Rainer[24]等人在測量單相原油結(jié)蠟厚度時(shí)采用了特殊的激光裝置，并使用微型照相機(jī)拍攝原油管道內(nèi)壁的蠟沉積狀況，對蠟沉積發(fā)生前后的照片進(jìn)行處理和分析后，可以觀測到較為精確的管內(nèi)結(jié)蠟厚度環(huán)狀分布狀況，而且可以利用激光發(fā)射器在管道軸線方向的移動功能，達(dá)到了觀測管內(nèi)蠟沉積厚度的軸向分布狀況的目的。

3 模型建立

目前關(guān)于蠟沉積的理論模型主要有兩種，一種是熱力學(xué)模型，另一種是動力學(xué)模型。動力學(xué)模型能夠確定不同流動及熱力條件下的蠟沉積量，所需參數(shù)較少，容易測定，比較適于研究工程實(shí)際問題。由于國內(nèi)外學(xué)者在建立蠟沉積模型過程中，選取的影響因素和采用的建模方法不同，獲得的模型也有一定差異。

Hamouda等[25]認(rèn)為在蠟沉積過程中，分子擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，忽略剪切彌散的影響，認(rèn)為蠟分子質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度為常數(shù)，并建立了蠟沉積速率模型。然而，在實(shí)際中管內(nèi)油流具有沖刷作用，并不存在所有擴(kuò)散到管壁的蠟分子全部沉積的情況，因此，這一理論所建立的模型與工程實(shí)際有一定差距。

Hsu等[26,27]提出了將分子擴(kuò)散和剪切彌散兩類影響因素考慮在內(nèi)的蠟沉積傾向系數(shù)這一概念，該系數(shù)僅僅與溫度和剪切速率有關(guān)。該模型中探索了蠟沉積放大的問題，但其提出的“臨界蠟強(qiáng)度”物理意義較為牽強(qiáng)，而且放大依據(jù)并不充分。

Burer等[28]所建立的蠟沉積模型中，分別計(jì)算了因分子擴(kuò)散和剪切彌散引起的蠟沉積，但是模型仍未考慮油流的沖刷作用，蠟沉積物的含蠟率也并非常數(shù)。另外，現(xiàn)在的絕大多數(shù)的研究中，均不支持剪切彌散使原油中已經(jīng)析出的蠟晶沉積的觀點(diǎn)。

由于管壁沉積物中有部分物質(zhì)并不是蠟，因此在對蠟沉積層的形成、老化等沉積機(jī)理進(jìn)行深入的研究后，Singh等[29]人分別根據(jù)質(zhì)量守恒和沉積機(jī)理，建立了新的蠟沉積速率模型和沉積物含蠟量計(jì)算模型。Hernandez等[30]人在借鑒Singh的思路基礎(chǔ)上，考慮剪切對沉積物的剝離作用，提出了改進(jìn)的蠟沉積速率模型和沉積物含蠟量計(jì)算模型。

目前，在蠟沉積的研究中，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為影響管道蠟沉積速率的主要因素有4個(gè)，分別是剪切應(yīng)力、溫度梯度、蠟分子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度和原油的動力粘度。

周詩崠等[31]采用逐步回歸法，將上述四個(gè)影響因素考慮在內(nèi)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，建立了大慶原油蠟沉積速率模型，為進(jìn)一步研究原油管道蠟沉積規(guī)律和管道優(yōu)化運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。另外，其認(rèn)為因不同油品的物性參數(shù)不同，加上蠟沉積過程的復(fù)雜性，造成了各個(gè)因素的影響因子并不相同，即蠟沉積速率與四類影響因素之間存在的是一個(gè)復(fù)雜的非線性關(guān)系，管道蠟沉積預(yù)測是一個(gè)多因素非線性預(yù)測問題[32]。該研究中采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法模擬各種影響因素與原油管道蠟沉積速率之間的映射關(guān)系，建立了多因素非線性影響下的蠟沉積速率模型，預(yù)測精度高，誤差在2%以內(nèi)。

逐步回歸法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法相比，后者具有能夠描述多因素之間的非線性關(guān)系，求解精度高的優(yōu)點(diǎn)，而前者只能描述線性關(guān)系，求解精度低；但后者的計(jì)算速度慢，不能得到蠟沉積速率與其影響參數(shù)的親疏程度，相反前者計(jì)算速度快，可以確定影響蠟沉積速率的主要因素[33]。

劉勇峰等[34]基于灰色系統(tǒng)理論建立了管輸原油蠟沉積速率灰色預(yù)測模型，該方法解決了因片面考察個(gè)別影響因素而影響整體預(yù)測結(jié)果的客觀性問題，比逐步回歸法求解的精度高，與逐步回歸法相比較，更適用于原油蠟沉積規(guī)律的預(yù)測。

刁俊[35]采用灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對原油管道內(nèi)的蠟沉積速率進(jìn)行了預(yù)測分析，與傳統(tǒng)的灰色預(yù)測方法相比，所得到的預(yù)測值更為接近實(shí)際值，蠟沉積速率的相對誤差絕對值在 1.6%以內(nèi)，預(yù)測的效果良好。

4 保溫層影響

目前國內(nèi)部分原油管道都使用了保溫層保溫，保溫層的使用減少了熱媒在輸送過程中的熱損失，保證了介質(zhì)的出口溫度[36]，同時(shí)也改變了蠟沉積各個(gè)影響因素的作用效果，還可能改變影響蠟沉積因素的主次關(guān)系。若直接采用不保溫管道的蠟沉積速率模型與清蠟周期模型或根據(jù)不保溫管道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)建立模型，都存在很大的偏差。

5 結(jié)束語

各類文獻(xiàn)中對不保溫原油管道蠟沉積規(guī)律的研究提出了思路與方法，針對目前在保溫管道中采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ退鶐淼木窒扌?，對于保溫原油管道研究，仍?yīng)該從蠟沉積機(jī)理入手，分析在保溫管道中各個(gè)影響因素的作用與關(guān)系，重新建立適用于保溫管道蠟沉積研究的試驗(yàn)裝置，同時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確模擬同一輸量下不同環(huán)境的蠟沉積狀況，運(yùn)用新的測試與檢測技術(shù)，動態(tài)檢測管道內(nèi)的蠟沉積分布，深入分析影響保溫原油管道蠟沉積的關(guān)鍵性因素，對保溫輸油管道的蠟沉積規(guī)律進(jìn)行全面地研究，建立考慮多種因素影響的清蠟周期模型，分析溫降、燃料和電能消耗等對清蠟周期的影響，為保溫管道清管方案的制定提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。

同時(shí)，應(yīng)該解決將室內(nèi)小管徑試驗(yàn)管路的蠟沉積規(guī)律放大應(yīng)用到大口徑實(shí)際管道的問題，利用現(xiàn)代動態(tài)仿真技術(shù)、室內(nèi)環(huán)道試驗(yàn)以及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，在保溫原油管道蠟沉積研究領(lǐng)域有所突破，以滿足工程實(shí)際的要求。

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