趙　丹， 黃啟玉， 呂志娟， 呂銘寬

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221008)

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塘燕原油管道蠟沉積規(guī)律研究

趙丹1， 黃啟玉1， 呂志娟1， 呂銘寬2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221008)

塘燕原油管道輸送原油種類多、油品切換頻繁，增加了蠟沉積預(yù)測(cè)的難度。根據(jù)管輸原油物性，運(yùn)用普適性蠟沉積模型，研究了塘燕線不同季節(jié)、輸送不同種類原油時(shí)的蠟沉積速率，并結(jié)合管道運(yùn)行參數(shù)，預(yù)測(cè)了塘燕線管道沿線的蠟沉積層厚度及分布。塘燕線冬季的蠟沉積最多，春、秋季居中，夏季最少；輸送埃斯坡、馬西拉原油蠟沉積較少，輸送杰諾、沙中、沙重原油蠟沉積相對(duì)較多；管道沿線的蠟沉積分布不均勻，主要集中在靠近進(jìn)站管段處，在管道全線運(yùn)行壓力變化不大時(shí)，對(duì)于蠟沉積嚴(yán)重的管段，其壓降迅速增加，造成管道安全運(yùn)行隱患，建議每年秋季進(jìn)行一次清管作業(yè)。

塘燕線；蠟沉積速率；結(jié)蠟厚度；蠟沉積分布

原油管道結(jié)蠟嚴(yán)重影響管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-3]。塘燕原油管道的輸送介質(zhì)為沙中、馬西拉、埃斯坡等多種進(jìn)口原油，且油品切換頻繁還存在混輸。相比于輸送油品單一的原油管道，塘燕線管道結(jié)蠟情況復(fù)雜，沿線蠟沉積分布更難確定。雖然塘燕線所輸油品均為進(jìn)口油，但在清管的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有大量的蠟存在，并發(fā)生了蠟堵現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了管道的安全運(yùn)行。為解決這一問(wèn)題，有必要研究管道沿線的結(jié)蠟規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)清管作業(yè)提供理論依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文基于中國(guó)石油大學(xué)(北京)的普適性蠟沉積模型[4-7]，研究了塘燕線天津油庫(kù)至?？谟荆煌竟?jié)輸送不同原油時(shí)的蠟沉積速率，并結(jié)合管道現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)，預(yù)測(cè)了塘燕管道沿線的蠟沉積層厚度及分布。

1　塘燕線概況及原油物性

塘燕輸油管道起點(diǎn)為塘沽油庫(kù)，途徑天津中轉(zhuǎn)油庫(kù)、廊坊熱泵站，終點(diǎn)為?？谟?。其中塘沽至天津段管徑為711 mm×9.5 mm，線路總長(zhǎng)46 km，管線設(shè)計(jì)壓力4.4 MPa，設(shè)計(jì)輸量2 000×104t/a；天津至牛口峪段管徑為559 mm×9.5 mm，天津至廊坊段長(zhǎng)93 km，廊坊至?？谟伍L(zhǎng)85 km，設(shè)計(jì)輸量1 000×104t/a，天津中轉(zhuǎn)油庫(kù)分輸站出站管線設(shè)計(jì)壓力為6.5 MPa，廊坊熱泵站出站管線設(shè)計(jì)壓力為6.4 MPa。

由于塘燕線所輸進(jìn)口原油種類多，油品切換頻繁，主要研究了輸油量較大、輸油時(shí)間長(zhǎng)的幾種油品對(duì)管道蠟沉積規(guī)律的影響。其中，輸油量較大、輸油時(shí)間較長(zhǎng)的油品為沙中、馬西拉、埃斯坡、沙重和杰諾，其輸油比例為13∶2∶2∶1∶1，主要基本物性如表1所示。

表1　管輸原油基本物性

2　 原油的蠟沉積模型

目前，主要根據(jù)傳質(zhì)傳熱原理進(jìn)行蠟沉積模型的建立。E.D.Burger等[8]提出了綜合分子擴(kuò)散和剪切彌散兩種機(jī)理的蠟沉積模型，模型中的蠟沉積速率系數(shù)需要根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定；A.A.Hamouda等[9-10]認(rèn)為在蠟沉積過(guò)程中起主要作用的是分子擴(kuò)散，模型中的結(jié)蠟傾向系數(shù)要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定；J.J.C.Hsu等[11-12]根據(jù)臨界蠟強(qiáng)度建立了蠟沉積模型，其中的結(jié)蠟傾向系數(shù)也要通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定；H.S.Lee[13]、R.Venkatesan等[14]修正了以上模型的不足；J.F.Tinsley[15]和R.Hoffmann等[16]認(rèn)為蠟沉積的主要機(jī)理是分子擴(kuò)散，但還要考慮沖刷的影響；黃啟玉等[4-6]以分子擴(kuò)散機(jī)理為基礎(chǔ)，考慮了管壁處剪切應(yīng)力和溫度梯度等因素對(duì)結(jié)蠟的影響，結(jié)合理論分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了如式(1)所示的適合含蠟原油的普適性蠟沉積模型。

(1)

式中：W為管道蠟沉積速率，g/(m2·h)；τw為管壁處剪切應(yīng)力，Pa；μ為原油黏度，mPa·s； dC/dT為管壁處的蠟晶溶解度系數(shù)，10-3/℃； dT/dr為管壁處的徑向溫度梯度，℃/mm；k、m、n需要根據(jù)原油的密度、黏度和析蠟特性等基本物性回歸得到。

對(duì)于塘燕線，沙中、馬西拉、埃斯坡、沙重和杰諾五種油品相應(yīng)的k、m、n值，如表2所示。

表2　模型經(jīng)驗(yàn)系數(shù)回歸結(jié)果

3　 塘燕線蠟沉積規(guī)律研究

3.1預(yù)測(cè)蠟沉積速率所需參數(shù)

研究管道的蠟沉積分布，需要確定原油黏度、油溫、管壁處剪切率、徑向溫度梯度及蠟晶濃度梯度等參數(shù)。其中，管道沿線的油溫分布可以結(jié)合管道參數(shù)運(yùn)用蘇霍夫溫降公式進(jìn)行計(jì)算。

(2)

在運(yùn)行條件下，管道不同管段的徑向溫度梯度可根據(jù)熱平衡關(guān)系，利用下式計(jì)算。

(3)

管流流態(tài)不同，管壁處剪切率的計(jì)算方法亦不相同。

在紊流狀態(tài)下，牛頓流體的管壁剪切率為：

(4)

(5)

不同溫度下的原油黏度和析蠟量可以根據(jù)不同管段的平均油溫，通過(guò)對(duì)原油黏溫關(guān)系曲線、蠟晶溶解度系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線進(jìn)行插值計(jì)算得到。

管線結(jié)蠟后的總傳熱系數(shù)與結(jié)蠟前的有所不同，可用式(6)計(jì)算：

(6)

式中：Kw為結(jié)蠟后管路的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；K為結(jié)蠟前管路的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；λw為結(jié)蠟層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；δ為結(jié)蠟層厚度，m。

3.2現(xiàn)場(chǎng)蠟沉積預(yù)測(cè)

根據(jù)建立的管輸原油蠟沉積模型，結(jié)合管道運(yùn)行參數(shù)，預(yù)測(cè)了塘燕線不同季節(jié)輸送不同油品時(shí)的蠟沉積速率及管道沿線的結(jié)蠟層厚度及其分布趨勢(shì)。

3.2.1不同原油的蠟沉積速率塘燕線在秋季清管時(shí)發(fā)生了蠟堵，為保證管道的安全運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)分析了塘燕線2013年11月至2014年7月中旬的運(yùn)行參數(shù)，應(yīng)用建立的蠟沉積模型預(yù)測(cè)了塘燕線在不同季節(jié)、輸送不同油品時(shí)管道沿線的蠟沉積速率，為預(yù)測(cè)管道沿線蠟沉積分布趨勢(shì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。塘燕線不同月份各站間運(yùn)行參數(shù)見表3，不同季節(jié)、輸送不同原油時(shí)的蠟沉積速率如圖1-3所示。

表3　塘燕線不同月份管道運(yùn)行參數(shù)

圖1　春秋季輸送不同原油的蠟沉積速率

圖2　夏季輸送不同原油的蠟沉積速率

圖3　冬季輸送不同原油的蠟沉積速率

由圖1-3可以看出，季節(jié)變化對(duì)蠟沉積過(guò)程有較大影響，不同季節(jié)得到的原油蠟沉積速率并不相同。其中，冬季的蠟沉積最多，而夏季的蠟沉積最少，春、秋季則介于冬夏季之間。這主要是由于進(jìn)站溫度和地溫的影響，夏季進(jìn)站溫度和地溫較高，蠟沉積速率小，而冬季進(jìn)站溫度和地溫較低，蠟沉積速率大。

此外，原油種類對(duì)蠟沉積過(guò)程也有較大影響。管輸原油不同，管道沿線的蠟沉積速率不同，輸送埃斯坡、馬西拉原油蠟沉積較少，輸送杰諾、沙中、沙重原油蠟沉積相對(duì)較多。這是因?yàn)?，各原油的析蠟特性不同，原油杰諾、沙重的含蠟量是最高的，雖然原油沙中的含蠟量較小但其輸油量是最大的，使其蠟沉積較多，而原油埃斯坡、馬西拉的蠟沉積較少則是由于其含蠟量不高且輸油量很小。

3.2.2塘燕線蠟沉積層厚度及分布由于塘燕線的預(yù)測(cè)截止時(shí)間是2014年7月中旬，7月14日至7月16日于正在運(yùn)行的塘燕線輸油管道上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)油樣進(jìn)行了3次密度測(cè)試，得油樣20 ℃的平均密度為854.8 kg/m3，并在不同時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試了其黏度，黏度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同時(shí)間管輸原油黏溫曲線

采用壓力反算法計(jì)算管道實(shí)際管徑，牛頓體水力光滑區(qū)站間壓降計(jì)算式為：

(7)

式中：hf為摩阻損失，m；Q為輸量，m3/s；ν為原油運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；L為站間距，m；D為有效管徑，m；ΔH為高程差，m。

根據(jù)所測(cè)原油物性及管道進(jìn)出站壓力和流量(見表4)，反算管道的實(shí)際管徑，結(jié)果如表5所示。

表4　塘燕線7月份管道進(jìn)出站壓力

表5　實(shí)際管徑計(jì)算結(jié)果

以1 km為步長(zhǎng)，根據(jù)管道輸送不同種類原油時(shí)不同位置的蠟沉積速率，計(jì)算管道沿線各段的結(jié)蠟層厚度，并按輸油比例累加結(jié)蠟厚度，結(jié)合管徑反算所得的實(shí)際管徑對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到塘燕線天津站至?？谟靖鞴芏窝鼐€的蠟層厚度及分布如圖5所示。

由圖5可知，塘燕管道沿線均有蠟沉積發(fā)生，但蠟沉積分布并不均勻一致，各管段蠟層厚度隨著距離的增加逐漸增大?？拷M(jìn)站處的管段蠟沉積較為嚴(yán)重，這主要是因?yàn)檫M(jìn)站管段處油溫低。天津到廊坊管段的蠟沉積比廊坊到牛口峪管段的嚴(yán)重，且天津至廊坊管段沿線結(jié)蠟層厚度的增加趨勢(shì)比廊坊到?？谟淖兓瘎×?，這是因?yàn)樘旖虻嚼确还芏蔚妮S向溫差更大一些，單位長(zhǎng)度上的溫降較大。由于蠟沉積分布不均勻，在管道全線運(yùn)行壓力變化不大的情況下，對(duì)于蠟沉積嚴(yán)重的管段，其壓降迅速增加，可能會(huì)給管道安全運(yùn)行造成隱患。因此，建議每年秋季進(jìn)行一次清管作業(yè)，以確保管道的安全運(yùn)行。

圖5　天津—廊坊和廊坊—牛口峪管段蠟層厚度分布

4　 結(jié)論

根據(jù)塘燕線管輸原油的基本物性，結(jié)合管道運(yùn)行參數(shù)，預(yù)測(cè)了塘燕線管道沿線結(jié)蠟層厚度及分布趨勢(shì)，得到了以下結(jié)論：

(1) 季節(jié)變化對(duì)管道蠟沉積有較大影響。其中冬季蠟沉積最多，夏季最少，春、秋季介于冬夏季之間，這主要是受進(jìn)站溫度和地溫的影響。

(2) 原油種類對(duì)蠟沉積過(guò)程也有較大影響。管輸原油不同，蠟沉積速率不同。對(duì)于輸送多種原油的管道而言，各原油的析蠟特性及其所占的輸油比例等都會(huì)影響蠟沉積速率的變化。

(3) 目前運(yùn)行參數(shù)下，塘燕原油管道沿線均有蠟沉積發(fā)生，但分布不均勻，主要集中在靠近管段進(jìn)站處。由于管道所輸油品都是進(jìn)口原油，與國(guó)內(nèi)的高含蠟原油相比蠟含量很低，但如果長(zhǎng)期運(yùn)行且不清管，會(huì)對(duì)管道安全造成很大的威脅。因此，建議每年秋季進(jìn)行一次清管作業(yè)，以保證管道的安全運(yùn)行。

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(編輯王亞新)

Wax Deposition of Tangyan Crude Oil Pipeline

Zhao Dan1， Huang Qiyu1， Lyu Zhijuan1， Lyu Mingkuan2

(1.BejingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasDistributionTechnology,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.SinopecPipelineTransportationCompany,XuzhouJiangsu221008,China)

A number of crude oils is transported by Tangyan crude oil pipeline with frequent switch and thus wax deposition prediction is difficult. In this paper, wax deposition rates of different transported crudes along Tangyan pipeline in different seasons are predicted by using the unified wax deposition model based on crude properties. The thickness and distribution of wax deposition are forecasted, which provide a theoretical basis for the pigging operation securely. The results show that the wax deposition rates of different crudes in different seasons are various. Wax deposition along Tangyan pipeline mostly happens in winter and seldom happens in summer. Wax deposition of Aisipo and Maxila crude oil is less than that of Jienuo and Shazhong crude oil. The distribution of wax deposition along the pipelineis uneven. Wax deposition mainly accumulates in the inlets of the pump stations. When there is little variation of pipeline operation stress, the pressure drop in the unit length increases rapidly in the position where wax deposition is serious. Pressure effect may cause potential security risks in the pipeline. It is suggested that the pigging operation should be conducted in each autumn.

Tangyan pipeline； Wax deposition rate； Wax deposition thickness； Wax deposition distribution

1006-396X(2016)01-0080-06

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2015-04-30

2015-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“油包水型乳狀液蠟分子擴(kuò)散和蠟晶顆粒沉積機(jī)理研究”(51374224)。

趙丹(1991-)，女，碩士研究生，從事原油管道蠟沉積及油氣田集輸技術(shù)方面的研究；E-mail：zhaod66@126.com。

黃啟玉(1969-)，男，博士，教授，從事油氣管道流動(dòng)保障技術(shù)及油氣田集輸技術(shù)方面的研究；E-mail：ppd@cup.edu.cn。

TE812

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.01.016