輸油管道設計與管理

輸油管道設計與管理由于含蠟原油的凝點一般高于管道周圍環(huán)境溫度，必須降凝降粘后輸送，目前多采用加熱輸送。熱輸含蠟原油管道的特點：隨著管道中沿程油溫的降低，在析蠟點以下，原油中石蠟逐漸析出并沉積在管壁上，使流通截面減少，摩阻增大，管道輸送能力降低；同時又增大了油流至管內壁的熱阻，使總傳熱系數(shù)下降，并使輸送費用增加。

如鐵大線熊岳至復線站間自1975年投產(chǎn)到1979年底未進行清蠟，管壁的當量結蠟厚度達26mm，摩阻上升1.2MPa，管道效率下降了20％，1980年清管后，在同樣的輸油壓力下輸量比1979年提高了100萬噸。第2頁,共40頁，2024年2月25日，星期天由于管內壁結蠟，給輸油工作帶來了許多新的問題。以往大慶和勝利油田采用保持輸油溫度不低于40℃的措施來控制管內壁結蠟，這雖然是減少結蠟的措施，但增加了管道的熱損失。為了在經(jīng)濟加熱溫度較低時確保管道的輸油能力，國內外對管內壁石蠟沉積的條件和機理進行了不少實驗研究工作。下面就管內壁的結蠟機理、影響管內壁石蠟沉積速率的因素、管壁結蠟時溫降和摩阻的影響以及減少結蠟和清蠟措施作簡單介紹。第3頁,共40頁，2024年2月25日，星期天一、原油析蠟和管壁結蠟過程1、溫降過程中石蠟的析出原油中的石蠟是指十六烷以上的正構烷烴的混合物，其中中等分子量的蠟組分含量最多，低分子量和高分子量的蠟所占的比例都比較小。蠟在原油中的溶解度隨其分子量的增大和熔點的升高而下降，隨原油密度和平均分子量的減小而增加。不同熔點的蠟在同一種原油中有不同的溶解度。含蠟原油在溫降過程中，其中所含的蠟總是按分子量的高低，次第析出。第4頁,共40頁，2024年2月25日，星期天當溫度降到其含蠟量高于溶解度時，某種熔點的蠟就開始從液相中析出。由于蠟晶粒剛開始析出時，不易形成穩(wěn)定的結晶核心，故原油常在溶蠟量達到過飽和時，才析出蠟晶。原油中剛開始析出蠟晶粒時的溫度稱為蠟的初始結晶溫度，或稱為析蠟點。析蠟點的判定：①原油中蠟晶粒的析出量已開始影響原油的粘溫曲線，使其發(fā)生轉折時的溫度，可由實測粘溫曲線來判斷。②原油比熱—溫度曲線開始隨溫度的下降而上升時的溫度。根據(jù)上述兩種方法確定的析蠟點并非剛開始析出蠟晶粒時的溫度，在該溫度時，已經(jīng)有相當數(shù)量的蠟晶析出了。第5頁,共40頁，2024年2月25日，星期天在原油的溫降過程中，必然有一個從開始析出少量的高熔點石蠟，到大量析出中等分子量的蠟，以至析蠟量又逐漸減少的過程。蠟結晶大量析出的溫度范圍稱為析蠟高峰區(qū)，隨原油的組成而不同。2、管壁“結蠟”現(xiàn)象我們通常所說的“結蠟”實際上是指在管道內壁上逐漸沉積了某一厚度的石蠟、膠質、凝油、砂和其它機械雜質的混合物。在長輸管道的沉積物中，原油的含量要高些。第6頁,共40頁，2024年2月25日，星期天大口徑長輸管道的“結蠟”特點：管壁上的凝結層一般比較松軟。管壁上的沉積物有明顯的分界，緊貼管壁的是黑褐色發(fā)暗、類似細砂的薄層，其組成主要是蠟，是真正的結蠟，有一定的剪切強度，這一層的厚度一般只有幾毫米，與管壁粘結較牢固，在蠟層上面是厚度要大得多的黑色發(fā)亮的沉積物，主要是凝油，即在蠟和膠質、瀝青質構成的網(wǎng)絡結構中包含著部分液態(tài)粘油。在管道中途某一溫度范圍內是結蠟高峰區(qū)，過了結蠟高峰區(qū)后結蠟層有減薄現(xiàn)象，在末端結蠟層厚度又上升，這是由于油流帶來的前面沖刷下來的“蠟塊”重新沉積的緣故。第7頁,共40頁，2024年2月25日，星期天3、管壁結蠟的機理管內壁結蠟實際上是石蠟在管內壁的沉積過程和油流的沖刷過程共同作用的結果。不少學者認為含蠟原油管道中的蠟沉積機理有3個，即①分子擴散，②布朗運動，③剪切彌散。含蠟原油在管內輸送過程中，油溫不斷降低，當油溫降低到某一溫度時，由于管壁溫度總是低于油溫，靠近管壁處的溶解石蠟首先達到飽和狀態(tài)，如果油溫再降低，則會出現(xiàn)過飽和，借助管內壁提供的結晶中心(粗糙突起、雜質)而首先析出。管壁處石蠟的析出，使其濃度降低，這樣便會在管壁和紊流核心之間產(chǎn)生濃度梯度(Concentrationgradient)。該濃度梯度使溶解在原油中的石蠟分子從管中心向管壁擴散，為管壁上的繼續(xù)結蠟創(chuàng)造條件。(1)分子擴散第8頁,共40頁，2024年2月25日，星期天石蠟分子向管壁的擴散速率可用Fick擴散方程計算：①第9頁,共40頁，2024年2月25日，星期天式中：WmL—單位時間擴散通過單位面積的蠟分子的質量，即由分子擴散引起的蠟沉積速率，kg/(sm2)ρL—蠟的密度，kg/m3,Dm—分子擴散系數(shù)，m2/s；—溫降1℃析出的蠟晶量的百分數(shù)，即蠟晶在原油中的溶解度系數(shù)，1/℃—管壁處徑向溫度梯度，℃/m第10頁,共40頁，2024年2月25日，星期天式中：μ—原油的動力粘度，Pa·sB—常數(shù)，近似取2.4×10-2

N管壁處徑向溫度梯度可根據(jù)微元管段上的熱平衡求得：dT/dL為軸向溫度梯度，可由軸向溫降公式計算。第11頁,共40頁，2024年2月25日，星期天嚴格地說，F(xiàn)ick定律只適用于靜止油品被冷卻時的擴散情況。流動流體內部的質量傳遞機理取決于流體的流動狀態(tài)，紊流時，管內油品的流動可分為三層：層流邊層、紊流核心以及處于兩者之間的過渡層。在紊流核心中，流體中充滿了旋渦和湍動而使流體質點產(chǎn)生垂直于流動方向的移動，故紊流核心中溫度梯度幾乎為零，濃度梯度也為零，即溫度和濃度均勻一致，但在緊貼管壁的層流邊層內質點只沿流動方向移動，垂直于流動方向的質量傳遞只能靠分子擴散，所以在層流邊層內仍可用Fick定律描述。第12頁,共40頁，2024年2月25日，星期天層流邊界層中的蠟晶粒，會由于布朗運動而互相粘結變大而沉降，但其作用較弱。(2)布朗運動(Brownianmovement)當原油溫度降到析蠟點以下時，石蠟分子就形成微小的蠟晶從原油中析出。懸浮在層流中的蠟晶顆粒，由于流速梯度場的存在，會以一定的角速度作旋轉運動，并出現(xiàn)橫向的局部平移（如圖所示），使蠟晶向管壁移動，最后沉積在管壁上。(3)剪切彌散(sheardispersion)第13頁,共40頁，2024年2月25日，星期天由于油品具有粘性，旋轉的蠟晶顆粒會使靠近顆粒表面的流層產(chǎn)生環(huán)流。處于環(huán)流區(qū)的顆粒對相鄰的顆粒會產(chǎn)生吸引力，使之互相碰撞。如果原油中蠟晶顆粒很少，相互碰撞只產(chǎn)生暫時的位移，以后仍然回到原來的流線，并不產(chǎn)生凈的徑向移動。如果原油中蠟晶顆粒很多，則互相碰撞會造成凈的橫向分散，稱為剪切彌散，使石蠟結晶從紊流核心向管壁傳遞，傳遞來的石蠟便在管壁處沉積起來。另外原油中的微晶蠟處于熱運動狀態(tài)，因此產(chǎn)生布朗運動，由于徑向存在濃度梯度，布朗運動的凈結果，使蠟晶顆粒由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散。上述兩種擴散作用引起的石蠟沉積速率可表示為：第14頁,共40頁，2024年2月25日，星期天式中：(du/dr)bi—管壁處的速度梯度，1/sC*—管壁處蠟晶的體積百分濃度K*—沉積速率常數(shù)，可由試驗確定，kg/m2②由式①②所得的沉積速率相加，就得到由分子擴散及蠟晶橫向移動引起的總的蠟沉積率：第15頁,共40頁，2024年2月25日，星期天試驗表明，油溫高、熱流強度大、油壁溫差大、油流粘度又小時，分子擴散對沉積速率起主要影響；油溫低、熱流弱、剪切速率又大時，剪切彌散起主要作用。但隨著剪切速率的上升，由于剪切應力增大，又可能剪掉管壁上的凝油層。當兩者達到動態(tài)平衡時，沖刷速率等于沉積速率，結蠟層厚度達到穩(wěn)定值?？紤]到管壁上的結蠟層實際上是由蠟結晶作網(wǎng)絡骨架的凝油，故凝結層的總沉積速率Wt應為WtL除以重量百分數(shù)表示的原油含蠟量CL，即：第16頁,共40頁，2024年2月25日，星期天(4)沖刷過程上面討論了石蠟沉積層的凝結生長過程，另外還存在另一個相反作用，即油流的沖刷作用。大家在流體力學中已學過，流體在管內流動時，管壁處的剪切應力最大，隨著結蠟層在管壁上的生長，管內流速不斷增大，管壁處的剪切應力也不斷增大，當管壁處的剪切應力大于沉積層的破環(huán)強度時，就會有部分沉積物從管壁上剝落下來。隨著外部沉積物的剝落，凝結層還會生長，最后凝結層的生長和油流沖刷處于動平衡狀態(tài)，凝結層厚度達到一個穩(wěn)定值，即由于沖刷過程的存在使結蠟層不會無限制地增長。第17頁,共40頁，2024年2月25日，星期天4、影響管壁結蠟強度的因素①油溫的影響試驗表明，在接近析蠟點的高溫和接近凝固點的低溫下輸送時，管內壁結蠟較輕微，在二者之間有一個結蠟嚴重的溫度區(qū)間。這個溫度區(qū)間大致與原油中大量析蠟的溫度范圍相近。右圖是實測的大慶原油溫度與管壁結蠟速率的關系曲線。結蠟強度系指單位時間、單位管壁面積上的石蠟沉積量。影響管壁石蠟沉積的因素很多。對于長輸管道來說，主要因素有油溫、油品組成、油流速度、管材的表面性質、油品粘度等。

第18頁,共40頁，2024年2月25日，星期天從圖可以看出，油溫高于45℃時隨油溫的下降為結蠟緩增區(qū)，在30～40℃之間為結蠟高峰區(qū)，低于30℃為結蠟遞降區(qū)，這與石蠟組成的圖形基本一致。在結蠟高峰區(qū)，析出的是含量較高的中等分子量石蠟，在此溫度范圍內，管截面上濃度梯度大，油流粘度卻不大，因而分子擴散作用強，且由于蠟晶顆粒的大量析出，一方面碰撞的機會增多，容易互相粘結而沉積在管壁上;另一方面，蠟晶顆粒濃度的迅速增大使剪切彌散作用加強，故形成了結蠟高峰區(qū)。低溫時,油流粘度大,分子擴散作用很弱,雖然此時剪切彌散作用較強,但管壁處的剪應力較大,且此時形成的凝結層的附著強度不大,凝油層又會被剪掉一部分,故低溫時凝油層較薄。

第19頁,共40頁，2024年2月25日，星期天②油壁溫差的影響沉積速率隨油壁溫差的增大而增大。這是因為油壁溫差越大，濃度梯度和蠟晶濃度就愈大，從而分子擴散和剪切彌散作用都加強。油壁溫差的大小不僅取決于油溫和周圍介質溫度，還與管道的熱阻大小有關。在冬季，地溫低，油壁溫差大，結蠟較嚴重。在某些散熱很大的局部段落，地下水位高并有滲流處，保溫層破損的水下管道，或覆土太淺的管段，結蠟層的厚度可能最大。第20頁,共40頁，2024年2月25日，星期天③流速的影響流速對管壁結蠟強度的影響主要表現(xiàn)為，隨著流速的增大，管壁結蠟強度減弱。層流時的結蠟比紊流嚴重，Re數(shù)愈小，結蠟愈嚴重。因為隨著流速的增大，雖然管壁處剪切速率的增大會使蠟晶的剪切彌散作用有所加強，但層流邊層的減薄，油壁溫差的減小，管壁處剪切應力的增大，這些因素都會使管壁上的結蠟層減薄。實踐表明，當流速大于1.5m/s時，管內就較少結蠟。流速對凝油層剪切沖刷的強弱，還決定于溫度、原油物性、熱處理條件等的凝油層網(wǎng)絡結構強度有關。右圖為大慶原油蠟沉積強度與流速的關系。第21頁,共40頁，2024年2月25日，星期天油品中含蠟是管壁結蠟的根本原因。因此油品含蠟量的大小將直接影響石蠟沉積速率。含蠟量越高，石蠟沉積速率越大。大多數(shù)含蠟原油中都含有數(shù)量不等的膠質和瀝青質。一般認為膠質瀝青質對石蠟沉積的影響表現(xiàn)為兩個方面：一方面是當油溫高于析蠟點時，由于膠質瀝青質的存在，增加了原油的粘度，不利于石蠟分子的徑向擴散。另一方面當油溫低于析蠟點時，膠質瀝青質會吸附在蠟晶表面上，阻礙蠟晶的互相聚結，從而消弱了剪切彌散作用，顯然原油中的膠質瀝青質的含量越高，石蠟沉積速率越小。原油含水率增大，蠟沉積速率降低，原油中含砂或其它機械雜質容易成為蠟結晶的核心，使結晶強度增大。④原油組成的影響第22頁,共40頁，2024年2月25日，星期天⑤管壁材質的影響試驗表明管壁材質和光潔度對結蠟也有明顯的影響。由于管壁或涂料的表面結構和性質不同，在石蠟結晶過程中內壁所提供的結晶核心的多少和結晶的難易程度就不同，因此結蠟速率也不同。管壁的粗糙度越越大，越容易結蠟。第23頁,共40頁，2024年2月25日，星期天對于埋地管道，凝油層厚度的變化還隨季節(jié)而不同，當?shù)販刂饾u下降時，凝油層逐漸增厚；當?shù)販刂饾u上升時，凝油層又逐漸減薄。當輸量和油溫穩(wěn)定時，在某一季節(jié)，凝油層厚度常保持在某一范圍內。以上分析了各因素單獨對管壁結蠟的影響。實際運行的管道結蠟的情況受到上述諸因素的綜合影響。第24頁,共40頁，2024年2月25日，星期天二、析蠟與結蠟對沿程溫降及摩阻的影響1、結蠟層的平均厚度計算由于熱含蠟原油管道沿線的油溫和油壁溫差不同，沿線的結蠟層厚度也不同。限于目前的測量技術，還沒有比較完善的描述熱油管道內壁結蠟規(guī)律的公式。工程上常引用某段管路的當量結蠟厚度δdL，認為該管段的結蠟情況對摩阻的影響與管內半徑縮小了δdL相同。因此，可將管道分成若干段，按沿線實測的摩阻反算當量管內徑，然后再計算結蠟層平均當量厚度。第25頁,共40頁，2024年2月25日，星期天D1—鋼管內徑，m式中：

Q、υ、hL—實測的流量、粘度、摩阻第26頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2、結蠟對沿程溫降的影響管內壁結蠟后，由于結蠟層的導熱系數(shù)較小，一般在0.15W/m℃左右，其作用相當于增加了一層熱阻。計算K值時可加上這一層熱阻。由于結蠟層熱阻的存在，使總傳熱系數(shù)值減小，從而使軸向溫降減小，溫度分布曲線變平，管線的散熱量減小。當出站油溫和輸量不變時，下一站的進站油溫將提高。

式中：

λL—結蠟層導熱系數(shù)，kg/m℃δdL—結蠟層平均厚度,mD1—鋼管內徑,m結蠟層熱阻為：第27頁,共40頁，2024年2月25日，星期天3、結蠟對管道摩阻的影響管壁結蠟對摩阻的影響表現(xiàn)為兩個方面。一方面由于內壁結蠟，使流通面積減少，內徑由原來的D1減小為D1-2δdL

，當輸量不變時，摩阻升高。另一方面，由于結蠟層的保溫作用，當維持TR不變運行時，沿線油溫會升高，粘度減小，摩阻減小。當然結蠟層引起的摩阻升高還是主要的。第28頁,共40頁，2024年2月25日，星期天當熱油管道在較低溫度和流速下運行時，如果由于某種原因而使輸量減小時，將使油溫進一步降低，從而使結蠟層進一步加厚。流通面積進一步縮小，可引起摩阻的增加，從而使出現(xiàn)不穩(wěn)定區(qū)的可能性比無結蠟層時增大。同時由于高含蠟原油在油溫高于凝點10℃左右時就表現(xiàn)出非牛頓流體的特性，當因流量減小而使油流中的速梯減小時，油流的表觀粘度將因此增大，有可能使摩阻升高。另外，隨輸量的減小和油溫的降低，非牛頓流體的表觀粘度變化比牛頓流體要劇烈的多，也就是說其表觀粘溫指數(shù)要比牛頓流的粘溫指數(shù)大的多，更容易滿足出現(xiàn)不穩(wěn)定區(qū)的條件。

4、管內壁結蠟和油品析蠟對管路工作特性的影響第29頁,共40頁，2024年2月25日，星期天三、熱輸含蠟原油管道工藝設計應注意的問題1、設計參數(shù)的選擇一般取進站油溫高于原油凝點。若接近或低于凝點，必須考慮管道停輸溫降情況及再啟動措施，保證管道能順利地再啟動。出站油溫過高對減少含蠟原油摩阻作用不大而會顯著增大熱損失，故出站油溫不宜過高。含蠟原油的比熱容在熱力計算時采用所計算的溫度區(qū)間的平均比熱容。第30頁,共40頁，2024年2月25日，星期天按臨界雷諾數(shù)值可計算出紊流轉變?yōu)閷恿鲿r的臨界粘度υLj

及對應的油溫

TLj，牛頓紊流牛頓層流非牛頓層流，牛頓紊流非牛頓紊流非牛頓層流進站油溫低于反常點的熱含蠟原油管道可能出現(xiàn)的情況為：牛頓紊流→牛頓層流或非牛頓紊流→非牛頓層流2、流態(tài)和流型的變化第31頁,共40頁，2024年2月25日，星期天3、防止結蠟和清蠟的措施由上面的討論我們知道，管壁結蠟對熱油管道的運行和管理是不利的，那么我們應當怎樣才能防止和減少結蠟呢？從影響蠟沉積的因素方面考慮，防止和減少結蠟的措施有：(1)保持沿線油溫均高于析蠟點，可大大減少石蠟沉積。(2)縮小油壁溫差?？刹捎帽氐姆椒?，既可以減少結蠟又可以降低熱損失，但要進行技術經(jīng)濟比較，以確定是否采取保溫措施。(3)保持管內流速在1.5m/s以上，避免在低輸量下運行。第32頁,共40頁，2024年2月25日，星期天(4)采用不吸附蠟的管材或內涂層。(5)化學防蠟?？刹捎帽砻婊钚詣┳鳛榉老瀯?，阻止蠟分子在已結晶的表面上繼續(xù)析出。也可以在原油中加入蠟晶改良劑，使石蠟晶體分散在油流中并保持懸浮，阻礙蠟晶的聚結或沉積。但目前這種方法還很不經(jīng)濟，因為化學添加劑太貴。(6)清管器清蠟上面討論的各種措施雖然可在不同程度上減少結蠟，但還不能從根本上清除結蠟。因此，目前長輸管道上廣泛采用的是清管器清蠟。目前最常用的清管器有機械清管器和泡沫塑料清管器。第33頁,共40頁，2024年2月25日，星期天組織和實行定期清蠟是對長輸管道進行有效操作的極為重要的條件。對管路進行定期清蠟包括一系列組織－技術措施：a對管路進行清蠟前的準備工作，并對工況進行分析；b確定沿線收發(fā)球點的位置；c選定各段的清管周期；d選擇清管器的類型；e收發(fā)清管器。在上述工作中，一項重要的工作就是確定清管周期。清管周期長，則動力消耗大，熱損失小，清管費用也小；而清管周期短，動力消耗小，但熱損失和清管費用大，因此存在一個使總費用最小的最優(yōu)清管周期。第34頁,共40頁，2024年2月25日，星期天確定最優(yōu)清管周期有兩種方法。一種方法是根據(jù)過去歷次的清管實踐，統(tǒng)計計算出不同清管周期下的總費用，通過比較選擇最優(yōu)清管周期，這種方法的計算工作量相當大，且有很大的局限性。另一種方法是列出該問題的數(shù)學模型，通過優(yōu)化方法進行求解，但這種方法要求知道管壁的結蠟規(guī)律(即結蠟層厚度與時間的關系)，而目前在理論上還無法解決這個問題，因而求解時還存在許多問題，是一個尚待研究的課題。清管后摩阻降低，散熱量增大。因此，對于不滿負荷運行的管道，清管是否經(jīng)濟要視管線的具體情況而定。如果清管后泵站要節(jié)流，則不如不清管。第35頁,共40頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)含蠟原油降凝劑改性處理輸送工藝含蠟原油管道輸送的主要矛盾是其較高的凝點。由于凝點以上，特別是反常點以