侯昊 章濤 白樺 李江飛

摘 要：管道停輸與再啟動(dòng)是埋地?zé)嵊凸艿肋\(yùn)行中經(jīng)常遇到的問題。介紹了國內(nèi)外的專家學(xué)者在該領(lǐng)域的研究成果，包括實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩個(gè)方面。在對(duì)不同研究者的研究方法進(jìn)行分析后，總結(jié)了管道停輸與再啟動(dòng)數(shù)值模擬方面目前尚未解決好的問題，為停輸再啟動(dòng)過程的研究提供了一定參考。

關(guān) 鍵 詞：含蠟原油；停輸再啟動(dòng)；管道；數(shù)值模擬；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1560-04

Study on Shutdown and Restart of Buried Hot-Oil Pipeline

HOU Hao1，ZHANG Tao1，BAI Hua1，LI Jiang-fei2

（1. China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China；

2. Department of Thermal Engineering， Chengde Petroleum College， Hebei Chengde 067000， China）

Abstract： The shutdown and restart of buried hot-oil pipelines often occur. Researchers have done a lot of studies on these problems and acquired quantities of achievements. In this paper， research status of shutdown and restart of buried hot-oil pipelines was introduced from aspects of numerical simulation and experiments. Unsolved problems of shutdown and restart were presented.

Key words： Waxy crude oil； Shutdown and restart； Pipeline； Numerical simulation； Experiment

熱油管道的停輸是不可避免的，無論是意外故障還是計(jì)劃維修都會(huì)導(dǎo)致管道停輸。然而，管道的停輸會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)油品和管外環(huán)境由于溫度差異而產(chǎn)生復(fù)雜的熱量交換。如果外界環(huán)境溫度低于管內(nèi)介質(zhì)溫度，管內(nèi)油品溫度降低，這時(shí)就有可能出現(xiàn)蠟的析出現(xiàn)象。大量蠟晶可能形成一定的結(jié)構(gòu)（例如網(wǎng)狀）增強(qiáng)油品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。如果泵提供的壓力不足以破壞這個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，就有可能發(fā)生凝管事故。為此，國內(nèi)外研究者對(duì)管道停輸再啟動(dòng)過程從數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究兩方面展開了大量的研究，本文在分析總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上，探討了目前關(guān)于停輸再啟動(dòng)過程的研究中所存在的一些問題，為以后的研究提供了一定的參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 停輸溫降計(jì)算

對(duì)熱油管道停輸溫降的研究方法主要有數(shù)值方法和解析法[1，2]，由于熱油管道停輸溫降是一個(gè)三維的非穩(wěn)態(tài)的過程，并且伴隨著析蠟放熱和邊界移動(dòng)等問題，加之對(duì)熱油管道停輸溫降的影響因素很多，并且有些因素還具有模糊性和隨機(jī)性，因此對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的過程是很難通過解析的方法來求解的，除非進(jìn)行大量的假設(shè)和簡化。因此，數(shù)值方法表現(xiàn)出其優(yōu)越性，加之近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為數(shù)值計(jì)算提供了便利，因此越來越多的研究者通過數(shù)值方法對(duì)熱油管道停輸溫降進(jìn)行了大量的模擬分析研究，取得了很大進(jìn)展。

1.1.1 計(jì)算區(qū)域的確定

實(shí)際情況中，管道停輸后的熱量交換問題十分復(fù)雜，可能還包括流體相平衡及相變、對(duì)流導(dǎo)熱的耦合等問題。尤其是三維計(jì)算區(qū)域下，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)很多，計(jì)算量非常大，所消耗的資源更是巨大?？紤]到管道停輸后的軸向溫降與徑向溫降相比小得多，所以往往忽略軸向的溫度梯度，這也是國內(nèi)外通用的做法。加之管道及周圍土壤溫度場的分布的軸對(duì)稱性，因此溫度場計(jì)算區(qū)域可以簡化為垂直于管道的半無限大平面。直接對(duì)半無限大區(qū)域計(jì)算，會(huì)帶來計(jì)算量大且重復(fù)，效率不高的問題。對(duì)此，研究人員可以通過建立的各種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，有代表性的方法是半空間模型法[1，3]、等效圓筒法[4]和熱力影響區(qū)域法[5-7]。對(duì)于半空間模型法，通常將半無限大土壤區(qū)域簡化為有界的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。熱力影響區(qū)域法認(rèn)為，大地恒溫層溫度Th在距地面H處不受熱油管道溫度的影響；而在水平方向上距離管道中心L距離處熱量的傳遞可以被忽略。等效圓筒法把管道看做是土壤包裹著的介質(zhì)，土壤被意象為圓筒狀，可以視為包裹著管道的環(huán)狀的保溫層。國際著名的流動(dòng)模擬軟件OLGA就是根據(jù)等效圓筒模型而開發(fā)的。該方法可以廣泛應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)模型的求解，但是鑒于其界定保溫層厚度的難度，對(duì)求解非穩(wěn)態(tài)問題并不適用[8]。因此，對(duì)停輸再啟動(dòng)過程的研究很少采用等效圓筒模型。

1.1.2 停輸溫降過程的研究

原油管道停輸以后，按照傳熱方式的不同，可以把管內(nèi)停輸溫降過程分為三個(gè)階段[9]。第一階段：自然對(duì)流傳熱主導(dǎo)階段，管道剛停輸時(shí)油溫較高，結(jié)蠟層很薄，管內(nèi)油品主要以液態(tài)形式存在，因此自然對(duì)流放熱強(qiáng)度較大；然而管內(nèi)存油和鋼管的熱容量都較小，故該階段溫降速度很快。第二階段：自然對(duì)流與熱傳導(dǎo)共同控制階段。當(dāng)原油溫度下降至析蠟點(diǎn)以后，原油開始析蠟?zāi)z凝。管壁結(jié)蠟層不斷加厚，固液界面會(huì)逐漸擴(kuò)展到管中心方向。第三階段：純導(dǎo)熱階段。該階段管內(nèi)存油已全部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，原油失去流動(dòng)性，凝油層主要以熱傳導(dǎo)方式向外界散熱。該階段中的溫降速率低于第一階段而高于第二階段。因此，在管道停輸后的熱力方程分析求解通常圍繞以下三方面主題：（1）液相區(qū)自然對(duì)流傳熱；（2）固液移動(dòng)相界面?zhèn)鳠?；?）原油析蠟潛熱的處理。

一個(gè)方法是把熱油管道停輸溫降問題視為一系列類似的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題來進(jìn)行處理，即聯(lián)立土壤導(dǎo)熱方程、管壁以及保溫層導(dǎo)熱方程以及油品導(dǎo)熱方程，結(jié)合邊界條件進(jìn)行數(shù)值求解。顯然這種處理方法跟實(shí)際情況有很大的差異。

另一種研究方法則考慮原油溫降過程中自然對(duì)流的影響。即通過劃分對(duì)流區(qū)和導(dǎo)熱區(qū)的方法綜合考慮自然對(duì)流和導(dǎo)熱換熱的影響，劃分的邊界也是動(dòng)態(tài)變化的。為了更好地處理自然對(duì)流問題，人們?cè)诖艘肓水?dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的概念以轉(zhuǎn)化自然對(duì)流問題為導(dǎo)熱問題，這樣可以憑借一個(gè)導(dǎo)熱方程描述整個(gè)對(duì)流換熱和導(dǎo)熱過程。與普通導(dǎo)熱方程不同之處就在于方程中的導(dǎo)熱系數(shù)不是原來意義上的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)，而是當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。原油凝結(jié)析蠟過程會(huì)放出析蠟潛熱，人們開發(fā)了兩種方法研究相變潛熱釋放后可能帶來的相態(tài)變化問題，第一種[10]將析蠟潛熱對(duì)原油溫降的影響通過原油的比熱容隨溫度的變化來反映，第二種[3]認(rèn)為原油只是在固液界面上放出析蠟潛熱。目前，普遍采用的是第一種方法。

1.2 再啟動(dòng)計(jì)算

含蠟原油管道停輸后再啟動(dòng)時(shí)，往往采用熱油或者水，甚至直接用低粘度油品做頂級(jí)液頂出管內(nèi)凝結(jié)油品。啟動(dòng)過程是否順利，取決于停輸過程的溫降幅度、啟動(dòng)初始時(shí)刻的油溫分布以及原油的流變性等因素，最終通過流量的恢復(fù)情況來反映。

1.2.1 管道再啟動(dòng)過程的熱力計(jì)算

李長俊等[11]將再啟動(dòng)過程中土壤熱物性參數(shù)看作是隨溫度變化的函數(shù)，通過keller盒式積分法和廣義阻尼牛頓-拉夫遜法對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。趙曉東[12]等對(duì)管道再啟動(dòng)過程進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)認(rèn)為壓力波到達(dá)前，熱力計(jì)算模型與停輸溫降模型相同；壓力波到達(dá)后，則通過聯(lián)立油流熱平衡方程、凝油層導(dǎo)熱方程以及土壤導(dǎo)熱方程，用數(shù)值法進(jìn)行求解。

1.2.2 再啟動(dòng)過程的水力計(jì)算

熱油管道再啟動(dòng)過程通常是熱力和水力相互耦合的過程，對(duì)再啟動(dòng)過程的計(jì)算通常是聯(lián)立求解原油的控制方程，結(jié)蠟層、管壁、保溫層的導(dǎo)熱方程。管道啟動(dòng)時(shí)，壓力有一個(gè)傳遞過程，使得膠凝原油的屈服不是在同一時(shí)間完成，而是沿管道不斷向前推進(jìn)的。再啟動(dòng)過程的不同時(shí)刻，壓力波所到達(dá)的位置不同，管道不同截面或相同界面不同徑向位置原油的結(jié)構(gòu)參數(shù)、屈服情況以及剪切歷史均不相同，因而管道不同位置處的原油觸變過程是不一樣的。為此，壓力波傳播速度及其影響因素以及觸變過程的研究是再啟動(dòng)過程水力計(jì)算的重點(diǎn)。

如前所述，再啟動(dòng)過程的不同時(shí)刻，壓力波所到達(dá)的位置不同。管道不同截面或相同界面不同徑向位置原油的結(jié)構(gòu)參數(shù)、屈服情況以及剪切歷史均不相同，因此不同屈服段的原油的觸變過程是不同的。如何描述不同屈服段的觸變過程是個(gè)難題，引起了很多專家學(xué)者的討論和研究，也取得了一定成果。目前，有以下幾種方法處理不同屈服段：Sesteak[13]模型沒有考慮管道軸向和徑向上原油結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，也忽視了凝油壓縮性和慣性的影響，凝油段的觸變過程采用Houska模型進(jìn)行描述。通過本模型求解控制方程，可以預(yù)測管道停輸后所需最小啟動(dòng)壓力以及凝油的排出時(shí)間。王東等[14]把再啟動(dòng)過程所需啟動(dòng)壓力視為頂擠液壓降、被頂凝油段壓降、慣性壓降和高程差產(chǎn)生的壓降四部分之和。因?yàn)轫敂D液通常為熱水或熱油，用牛頓流體或冪律流體的壓降公式進(jìn)行計(jì)算；考慮到被頂擠液有可能是牛頓流體、無觸變性的冪律流體或觸變性流體，觸變性流體通過試算得到壓降；慣性壓降由每一列壓力波產(chǎn)生流量增量所產(chǎn)生的壓力的疊加而得到。陳宏健等[15]用雙速率觸變模型計(jì)算觸變性原油再啟動(dòng)過程，認(rèn)為結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力和稠度有各自的裂降速率，不是等速率裂降。

Chang[16]認(rèn)為由管壁向管中心，凝油截面可以分為三個(gè)區(qū)，依次稱為流動(dòng)區(qū)、蠕變區(qū)和彈性形變區(qū)。在對(duì)管道加上一個(gè)恒定的啟動(dòng)壓力以后，管道的啟動(dòng)情況也可能有三種變化，包括瞬時(shí)啟動(dòng)（Start-up without delay）、延時(shí)啟動(dòng)（Start-up with delay）和失敗啟動(dòng)（unsuccessful start-up）這三種情形。以上三種啟動(dòng)情況可以通過力平衡關(guān)系計(jì)算得出。描述觸變性采用的則是賓漢姆模型，該模型的缺陷在于，凝油壓縮性的影響并沒有被考慮進(jìn)去，同時(shí)也忽視了軸向上流變性變化的作用。

Cawkwell[17]改進(jìn)了傳統(tǒng)的sesteak模型，具體內(nèi)容如下：網(wǎng)格的劃分沿管道的軸向和徑向方向，采用二維網(wǎng)格，即軸向和徑向上流變參數(shù)的變化都被納入了考慮；該模型提出了“流核區(qū)”的概念，假設(shè)剪切在該區(qū)域內(nèi)并不會(huì)發(fā)生，而只在該區(qū)域與管壁之間的環(huán)形空間里產(chǎn)生剪切現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)研究包括室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)兩種方式來，主要用來對(duì)所建立的再啟動(dòng)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。通過實(shí)驗(yàn)可以對(duì)管道停輸與再啟動(dòng)過程停輸溫降、壓力波速和再啟動(dòng)壓力等方面進(jìn)行研究。

目前研究者們通過實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行以下各方面的研究：

（1）崔國秀、李才等[18-20]主要通過環(huán)道實(shí)驗(yàn)來研究管道再動(dòng)動(dòng)過程的壓力波傳播規(guī)律及其影響因素。研究者們通過測量壓力波傳到不同位置處的兩個(gè)傳感器的時(shí)間差，計(jì)算出壓力波傳播的平均速度，然后分析不同因素對(duì)壓力波的影響。李才等[36]在室內(nèi)環(huán)道上進(jìn)行了啟動(dòng)膠凝原油的實(shí)驗(yàn)，以研究管道中的壓力的傳遞過程。通過實(shí)驗(yàn)得出壓縮膠凝原油中的“孔隙”的阻尼作用和凝油屈服過程的徑向滯后是影響壓力傳遞速度的兩個(gè)重要因素，然后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出估算膠凝原油管道中壓力傳遞速度的表達(dá)式。

（2）還有研究者[18，21]通過環(huán)道實(shí)驗(yàn)來研究管道停輸后的溫降規(guī)律?？梢酝ㄟ^在管道內(nèi)部以及管道周圍土壤中不同布置一些熱電偶，對(duì)停輸與再啟動(dòng)過程的溫度場情況進(jìn)行監(jiān)測，可以得到停輸溫降規(guī)律和再啟動(dòng)過程的溫度場情況。

（3）因?yàn)橛推吩诹髯儍x內(nèi)的受剪切情況跟在埋地管道內(nèi)的受剪切情況有很大差異，因此有的研究者[22，23]通過實(shí)驗(yàn)環(huán)道來測量原油流變參數(shù)；

（4）還有的研究者[24]通過環(huán)道實(shí)驗(yàn)分析添加流動(dòng)改進(jìn)劑對(duì)管道再啟動(dòng)特性的影響。通過實(shí)驗(yàn)研究添加流動(dòng)改進(jìn)劑后，油品流變性、再啟動(dòng)壓力、壓力波速等的變化。

（5）通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究；管道現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的主要目的有兩個(gè)方面，目的之一是檢驗(yàn)埋地?zé)嵊凸艿劳］斉c再啟動(dòng)數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法的可靠性以及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度，從而對(duì)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修正[25，26]。另一個(gè)目的是通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)來研究添加流動(dòng)改進(jìn)劑（如降粘劑、降凝劑等）對(duì)管道再啟動(dòng)特性的影響[27，28]。

3 結(jié) 論

管道再啟動(dòng)過程的數(shù)值計(jì)算還有很多沒有解決的問題，目前數(shù)值模擬方面尚未解決的問題主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

（1）對(duì)熱油管道而言，其停輸與再啟動(dòng)的過程十分復(fù)雜，往往牽扯到非穩(wěn)態(tài)的水力和熱力過程。所以，研究者們通常都會(huì)對(duì)控制方程進(jìn)行簡化，例如做一些假設(shè)的先決條件以降低計(jì)算量。這些簡化就會(huì)帶來計(jì)算的不準(zhǔn)確和誤差。此外，還有一些變量（例如剪切）歷史對(duì)油品工況的影響目前很難定量描述，這也會(huì)帶來計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確。

（2）熱油管道停輸以后，隨著溫度降低蠟結(jié)晶析出管道流動(dòng)中還會(huì)出現(xiàn)相變現(xiàn)象。目前，研究人員要么在導(dǎo)熱系數(shù)中加入相變的影響因素，即當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響，要么只考慮相變過程放出的相變潛熱。顯而易見，上述處理手段總會(huì)帶來計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的差異。

（3）原油在膠凝過程中，膠凝界面并不與管道中心成同心環(huán)狀[3]。目前對(duì)移動(dòng)邊界問題的研究均認(rèn)為相界面是與管道同心的環(huán)狀，因此會(huì)產(chǎn)生誤差。邊界移動(dòng)問題還有待于研究。

（4）到目前為止，還沒有研究者考慮過壓力波反射對(duì)原油結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。對(duì)不同觸變段的研究目前主要的處理方法有四種，均沒有考慮壓力波反射對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

（5）目前還沒有公認(rèn)的觸變性模型。另一方面，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)道與實(shí)際生產(chǎn)管道的差異，實(shí)驗(yàn)環(huán)道上所得的結(jié)論不一定跟實(shí)際情況完全符合。因此數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)應(yīng)該結(jié)合起來，以實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和修正數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以數(shù)值計(jì)算改進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究。

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（上接第1559頁）

（3）發(fā)現(xiàn)催化劑硫中毒后，嚴(yán)格執(zhí)行硫高降溫的基本規(guī)則，適當(dāng)加大注氯量，抑制可逆硫的吸附，同時(shí)迅速查找原因，根據(jù)具體情況選擇最佳的解決辦法。

（4）嚴(yán)格監(jiān)控重整進(jìn)料，密切關(guān)注重整各反應(yīng)參數(shù)的變化，加強(qiáng)工藝管理及設(shè)備管理，保證第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題。

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