输油管道设计与管理

关于输油管道设计与管理由于含蜡原油的凝点一般高于管道周围环境温度，必须降凝降粘后输送，目前多采用加热输送。热输含蜡原油管道的特点：随着管道中沿程油温的降低，在析蜡点以下，原油中石蜡逐渐析出并沉积在管壁上，使流通截面减少，摩阻增大，管道输送能力降低；同时又增大了油流至管内壁的热阻，使总传热系数下降，并使输送费用增加。

如铁大线熊岳至复线站间自1975年投产到1979年底未进行清蜡，管壁的当量结蜡厚度达26mm，摩阻上升1.2MPa，管道效率下降了20％，1980年清管后，在同样的输油压力下输量比1979年提高了100万吨。第2页,共43页，2024年2月25日，星期天由于管内壁结蜡，给输油工作带来了许多新的问题。以往大庆和胜利油田采用保持输油温度不低于40℃的措施来控制管内壁结蜡，这虽然是减少结蜡的措施，但增加了管道的热损失。为了在经济加热温度较低时确保管道的输油能力，国内外对管内壁石蜡沉积的条件和机理进行了不少实验研究工作。下面就管内壁的结蜡机理、影响管内壁石蜡沉积速率的因素、管壁结蜡时温降和摩阻的影响以及减少结蜡和清蜡措施作简单介绍。第3页,共43页，2024年2月25日，星期天一、原油析蜡和管壁结蜡过程1、温降过程中石蜡的析出原油中的石蜡是指十六烷以上的正构烷烃的混合物，其中中等分子量的蜡组分含量最多，低分子量和高分子量的蜡所占的比例都比较小。蜡在原油中的溶解度随其分子量的增大和熔点的升高而下降，随原油密度和平均分子量的减小而增加。不同熔点的蜡在同一种原油中有不同的溶解度。含蜡原油在温降过程中，其中所含的蜡总是按分子量的高低，次第析出。第4页,共43页，2024年2月25日，星期天当温度降到其含蜡量高于溶解度时，某种熔点的蜡就开始从液相中析出。由于蜡晶粒刚开始析出时，不易形成稳定的结晶核心，故原油常在溶蜡量达到过饱和时，才析出蜡晶。原油中刚开始析出蜡晶粒时的温度称为蜡的初始结晶温度，或称为析蜡点。析蜡点的判定：①原油中蜡晶粒的析出量已开始影响原油的粘温曲线，使其发生转折时的温度，可由实测粘温曲线来判断。②原油比热—温度曲线开始随温度的下降而上升时的温度。根据上述两种方法确定的析蜡点并非刚开始析出蜡晶粒时的温度，在该温度时，已经有相当数量的蜡晶析出了。第5页,共43页，2024年2月25日，星期天在原油的温降过程中，必然有一个从开始析出少量的高熔点石蜡，到大量析出中等分子量的蜡，以至析蜡量又逐渐减少的过程。蜡结晶大量析出的温度范围称为析蜡高峰区，随原油的组成而不同。2、管壁“结蜡”现象我们通常所说的“结蜡”实际上是指在管道内壁上逐渐沉积了某一厚度的石蜡、胶质、凝油、砂和其它机械杂质的混合物。在长输管道的沉积物中，原油的含量要高些。第6页,共43页，2024年2月25日，星期天大口径长输管道的“结蜡”特点：管壁上的凝结层一般比较松软。管壁上的沉积物有明显的分界，紧贴管壁的是黑褐色发暗、类似细砂的薄层，其组成主要是蜡，是真正的结蜡，有一定的剪切强度，这一层的厚度一般只有几毫米，与管壁粘结较牢固，在蜡层上面是厚度要大得多的黑色发亮的沉积物，主要是凝油，即在蜡和胶质、沥青质构成的网络结构中包含着部分液态粘油。在管道中途某一温度范围内是结蜡高峰区，过了结蜡高峰区后结蜡层有减薄现象，在末端结蜡层厚度又上升，这是由于油流带来的前面冲刷下来的“蜡块”重新沉积的缘故。第7页,共43页，2024年2月25日，星期天3、管壁结蜡的机理管内壁结蜡实际上是石蜡在管内壁的沉积过程和油流的冲刷过程共同作用的结果。不少学者认为含蜡原油管道中的蜡沉积机理有3个，即①分子扩散，②布朗运动，③剪切弥散。含蜡原油在管内输送过程中，油温不断降低，当油温降低到某一温度时，由于管壁温度总是低于油温，靠近管壁处的溶解石蜡首先达到饱和状态，如果油温再降低，则会出现过饱和，借助管内壁提供的结晶中心(粗糙突起、杂质)而首先析出。管壁处石蜡的析出，使其浓度降低，这样便会在管壁和紊流核心之间产生浓度梯度(Concentrationgradient)。该浓度梯度使溶解在原油中的石蜡分子从管中心向管壁扩散，为管壁上的继续结蜡创造条件。(1)分子扩散第8页,共43页，2024年2月25日，星期天石蜡分子向管壁的扩散速率可用Fick扩散方程计算：①第9页,共43页，2024年2月25日，星期天式中：WmL—单位时间扩散通过单位面积的蜡分子的质量，即由分子扩散引起的蜡沉积速率，kg/(sm2)ρL—蜡的密度，kg/m3,Dm—分子扩散系数，m2/s；—温降1℃析出的蜡晶量的百分数，即蜡晶在原油中的溶解度系数，1/℃—管壁处径向温度梯度，℃/m第10页,共43页，2024年2月25日，星期天式中：μ—原油的动力粘度，Pa·sB—常数，近似取2.4×10-2

N管壁处径向温度梯度可根据微元管段上的热平衡求得：dT/dL为轴向温度梯度，可由轴向温降公式计算。第11页,共43页，2024年2月25日，星期天严格地说，Fick定律只适用于静止油品被冷却时的扩散情况。流动流体内部的质量传递机理取决于流体的流动状态，紊流时，管内油品的流动可分为三层：层流边层、紊流核心以及处于两者之间的过渡层。在紊流核心中，流体中充满了旋涡和湍动而使流体质点产生垂直于流动方向的移动，故紊流核心中温度梯度几乎为零，浓度梯度也为零，即温度和浓度均匀一致，但在紧贴管壁的层流边层内质点只沿流动方向移动，垂直于流动方向的质量传递只能靠分子扩散，所以在层流边层内仍可用Fick定律描述。第12页,共43页，2024年2月25日，星期天层流边界层中的蜡晶粒，会由于布朗运动而互相粘结变大而沉降，但其作用较弱。(2)布朗运动(Brownianmovement)当原油温度降到析蜡点以下时，石蜡分子就形成微小的蜡晶从原油中析出。悬浮在层流中的蜡晶颗粒，由于流速梯度场的存在，会以一定的角速度作旋转运动，并出现横向的局部平移（如图所示），使蜡晶向管壁移动，最后沉积在管壁上。(3)剪切弥散(sheardispersion)第13页,共43页，2024年2月25日，星期天由于油品具有粘性，旋转的蜡晶颗粒会使靠近颗粒表面的流层产生环流。处于环流区的颗粒对相邻的颗粒会产生吸引力，使之互相碰撞。如果原油中蜡晶颗粒很少，相互碰撞只产生暂时的位移，以后仍然回到原来的流线，并不产生净的径向移动。如果原油中蜡晶颗粒很多，则互相碰撞会造成净的横向分散，称为剪切弥散，使石蜡结晶从紊流核心向管壁传递，传递来的石蜡便在管壁处沉积起来。另外原油中的微晶蜡处于热运动状态，因此产生布朗运动，由于径向存在浓度梯度，布朗运动的净结果，使蜡晶颗粒由高浓度区向低浓度区扩散。上述两种扩散作用引起的石蜡沉积速率可表示为：第14页,共43页，2024年2月25日，星期天式中：(du/dr)bi—管壁处的速度梯度，1/sC*—管壁处蜡晶的体积百分浓度K*—沉积速率常数，可由试验确定，kg/m2②由式①②所得的沉积速率相加，就得到由分子扩散及蜡晶横向移动引起的总的蜡沉积率：第15页,共43页，2024年2月25日，星期天试验表明，油温高、热流强度大、油壁温差大、油流粘度又小时，分子扩散对沉积速率起主要影响；油温低、热流弱、剪切速率又大时，剪切弥散起主要作用。但随着剪切速率的上升，由于剪切应力增大，又可能剪掉管壁上的凝油层。当两者达到动态平衡时，冲刷速率等于沉积速率，结蜡层厚度达到稳定值。考虑到管壁上的结蜡层实际上是由蜡结晶作网络骨架的凝油，故凝结层的总沉积速率Wt应为WtL除以重量百分数表示的原油含蜡量CL，即：第16页,共43页，2024年2月25日，星期天(4)冲刷过程上面讨论了石蜡沉积层的凝结生长过程，另外还存在另一个相反作用，即油流的冲刷作用。大家在流体力学中已学过，流体在管内流动时，管壁处的剪切应力最大，随着结蜡层在管壁上的生长，管内流速不断增大，管壁处的剪切应力也不断增大，当管壁处的剪切应力大于沉积层的破环强度时，就会有部分沉积物从管壁上剥落下来。随着外部沉积物的剥落，凝结层还会生长，最后凝结层的生长和油流冲刷处于动平衡状态，凝结层厚度达到一个稳定值，即由于冲刷过程的存在使结蜡层不会无限制地增长。第17页,共43页，2024年2月25日，星期天4、影响管壁结蜡强度的因素①油温的影响试验表明，在接近析蜡点的高温和接近凝固点的低温下输送时，管内壁结蜡较轻微，在二者之间有一个结蜡严重的温度区间。这个温度区间大致与原油中大量析蜡的温度范围相近。右图是实测的大庆原油温度与管壁结蜡速率的关系曲线。结蜡强度系指单位时间、单位管壁面积上的石蜡沉积量。影响管壁石蜡沉积的因素很多。对于长输管道来说，主要因素有油温、油品组成、油流速度、管材的表面性质、油品粘度等。

第18页,共43页，2024年2月25日，星期天从图可以看出，油温高于45℃时随油温的下降为结蜡缓增区，在30～40℃之间为结蜡高峰区，低于30℃为结蜡递降区，这与石蜡组成的图形基本一致。在结蜡高峰区，析出的是含量较高的中等分子量石蜡，在此温度范围内，管截面上浓度梯度大，油流粘度却不大，因而分子扩散作用强，且由于蜡晶颗粒的大量析出，一方面碰撞的机会增多，容易互相粘结而沉积在管壁上;另一方面，蜡晶颗粒浓度的迅速增大使剪切弥散作用加强，故形成了结蜡高峰区。低温时,油流粘度大,分子扩散作用很弱,虽然此时剪切弥散作用较强,但管壁处的剪应力较大,且此时形成的凝结层的附着强度不大,凝油层又会被剪掉一部分,故低温时凝油层较薄。

第19页,共43页，2024年2月25日，星期天②油壁温差的影响沉积速率随油壁温差的增大而增大。这是因为油壁温差越大，浓度梯度和蜡晶浓度就愈大，从而分子扩散和剪切弥散作用都加强。油壁温差的大小不仅取决于油温和周围介质温度，还与管道的热阻大小有关。在冬季，地温低，油壁温差大，结蜡较严重。在某些散热很大的局部段落，地下水位高并有渗流处，保温层破损的水下管道，或覆土太浅的管段，结蜡层的厚度可能最大。第20页,共43页，2024年2月25日，星期天③流速的影响流速对管壁结蜡强度的影响主要表现为，随着流速的增大，管壁结蜡强度减弱。层流时的结蜡比紊流严重，Re数愈小，结蜡愈严重。因为随着流速的增大，虽然管壁处剪切速率的增大会使蜡晶的剪切弥散作用有所加强，但层流边层的减薄，油壁温差的减小，管壁处剪切应力的增大，这些因素都会使管壁上的结蜡层减薄。实践表明，当流速大于1.5m/s时，管内就较少结蜡。流速对凝油层剪切冲刷的强弱，还决定于温度、原油物性、热处理条件等的凝油层网络结构强度有关。右图为大庆原油蜡沉积强度与流速的关系。第21页,共43页，2024年2月25日，星期天油品中含蜡是管壁结蜡的根本原因。因此油品含蜡量的大小将直接影响石蜡沉积速率。含蜡量越高，石蜡沉积速率越大。大多数含蜡原油中都含有数量不等的胶质和沥青质。一般认为胶质沥青质对石蜡沉积的影响表现为两个方面：一方面是当油温高于析蜡点时，由于胶质沥青质的存在，增加了原油的粘度，不利于石蜡分子的径向扩散。另一方面当油温低于析蜡点时，胶质沥青质会吸附在蜡晶表面上，阻碍蜡晶的互相聚结，从而消弱了剪切弥散作用，显然原油中的胶质沥青质的含量越高，石蜡沉积速率越小。原油含水率增大，蜡沉积速率降低，原油中含砂或其它机械杂质容易成为蜡结晶的核心，使结晶强度增大。④原油组成的影响第22页,共43页，2024年2月25日，星期天⑤管壁材质的影响试验表明管壁材质和光洁度对结蜡也有明显的影响。由于管壁或涂料的表面结构和性质不同，在石蜡结晶过程中内壁所提供的结晶核心的多少和结晶的难易程度就不同，因此结蜡速率也不同。管壁的粗糙度越越大，越容易结蜡。第23页,共43页，2024年2月25日，星期天对于埋地管道，凝油层厚度的变化还随季节而不同，当地温逐渐下降时，凝油层逐渐增厚；当地温逐渐上升时，凝油层又逐渐减薄。当输量和油温稳定时，在某一季节，凝油层厚度常保持在某一范围内。以上分析了各因素单独对管壁结蜡的影响。实际运行的管道结蜡的情况受到上述诸因素的综合影响。第24页,共43页，2024年2月25日，星期天二、析蜡与结蜡对沿程温降及摩阻的影响1、结蜡层的平均厚度计算由于热含蜡原油管道沿线的油温和油壁温差不同，沿线的结蜡层厚度也不同。限于目前的测量技术，还没有比较完善的描述热油管道内壁结蜡规律的公式。工程上常引用某段管路的当量结蜡厚度δdL，认为该管段的结蜡情况对摩阻的影响与管内半径缩小了δdL相同。因此，可将管道分成若干段，按沿线实测的摩阻反算当量管内径，然后再计算结蜡层平均当量厚度。第25页,共43页，2024年2月25日，星期天D1—钢管内径，m式中：

Q、υ、hL—实测的流量、粘度、摩阻第26页,共43页，2024年2月25日，星期天2、结蜡对沿程温降的影响管内壁结蜡后，由于结蜡层的导热系数较小，一般在0.15W/m℃左右，其作用相当于增加了一层热阻。计算K值时可加上这一层热阻。由于结蜡层热阻的存在，使总传热系数值减小，从而使轴向温降减小，温度分布曲线变平，管线的散热量减小。当出站油温和输量不变时，下一站的进站油温将提高。

式中：

λL—结蜡层导热系数，kg/m℃δdL—结蜡层平均厚度,mD1—钢管内径,m结蜡层热阻为：第27页,共43页，2024年2月25日，星期天3、结蜡对管道摩阻的影响管壁结蜡对摩阻的影响表现为两个方面。一方面由于内壁结蜡，使流通面积减少，内径由原来的D1减小为D1-2δdL

，当输量不变时，摩阻升高。另一方面，由于结蜡层的保温作用，当维持TR不变运行时，沿线油温会升高，粘度减小，摩阻减小。当然结蜡层引起的摩阻升高还是主要的。第28页,共43页，2024年2月25日，星期天当热油管道在较低温度和流速下运行时，如果由于某种原因而使输量减小时，将使油温进一步降低，从而使结蜡层进一步加厚。流通面积进一步缩小，可引起摩阻的增加，从而使出现不稳定区的可能性比无结蜡层时增大。同时由于高含蜡原油在油温高于凝点10℃左右时就表现出非牛顿流体的特性，当因流量减小而使油流中的速梯减小时，油流的表观粘度将因此增大，有可能使摩阻升高。另外，随输量的减小和油温的降低，非牛顿流体的表观粘度变化比牛顿流体要剧烈的多，也就是说其表观粘温指数要比牛顿流的粘温指数大的多，更容易满足出现不稳定区的条件。

4、管内壁结蜡和油品析蜡对管路工作特性的影响第29页,共43页，2024年2月25日，星期天三、热输含蜡原油管道工艺设计应注意的问题1、设计参数的选择一般取进站油温高于原油凝点。若接近或低于凝点，必须考虑管道停输温降情况及再启动措施，保证管道能顺利地再启动。出站油温过高对减少含蜡原油摩阻作用不大而会显著增大热损失，故出站油温不宜过高。含蜡原油的比热容在热力计算时采用所计算的温度区间的平均比热容。第30页,共43页，2024年2月25日，星期天按临界雷诺数值可计算出紊流转变为层流时的临界粘度υLj

及对应的油温

TLj，牛顿紊流牛顿层流非牛顿层流，牛顿紊流非牛顿紊流非牛顿层流进站油温低于反常点的热含蜡原油管道可能出现的情况为：牛顿紊流→牛顿层流或非牛顿紊流→非牛顿层流2、流态和流型的变化第31页,共43页，2024年2月25日，星期天3、防止结蜡和清蜡的措施由上面的讨论我们知道，管壁结蜡对热油管道的运行和管理是不利的，那么我们应当怎样才能防止和减少结蜡呢？从影响蜡沉积的因素方面考虑，防止和减少结蜡的措施有：(1)保持沿线油温均高于析蜡点，可大大减少石蜡沉积。(2)缩小油壁温差。可采用保温的方法，既可以减少结蜡又可以降低热损失，但要进行技术经济比较，以确定是否采取保温措施。(3)保持管内流速在1.5m/s以上，避免在低输量下运行。第32页,共43页，2024年2月25日，星期天(4)采用不吸附蜡的管材或内涂层。(5)化学防蜡。可采用表面活性剂作为防蜡剂，阻止蜡分子在已结晶的表面上继续析出。也可以在原油中加入蜡晶改良剂，使石蜡晶体分散在油流中并保持悬浮，阻碍蜡晶的聚结或沉积。但目前这种方法还很不经济，因为化学添加剂太贵。(6)清管器清蜡上面讨论的各种措施虽然可在不同程度上减少结蜡，但还不能从根本上清除结蜡。因此，目前长输管道上广泛采用的是清管器清蜡。目前最常用的清管器有机械清管器和泡沫塑料清管器。第33页,共43页，2024年2月25日，星期天组织和实行定期清蜡是对长输管道进行有效操作的极为重要的条件。对管路进行定期清蜡包括一系列组织－技术措施：a对管路进行清蜡前的准备工作，并对工况进行分析；b确定沿线收发球点的位置；c选定各段的清管周期；d选择清管器的类型；e收发清管器。在上述工作中，一项重要的工作就是确定清管周期。清管周期长，则动力消耗大，热损失小，清管费用也小；而清管周期短，动力消耗小，但热损失和清管费用大，因此存在一个使总费用最小的最优清管周期。第34页,共43页，2024年2月25日，星期天确定最优清管周期有两种方法。一种方法是根据过去历次的清管实践，统计计算出不同清管周期下的总费用，通过比较选择最优清管周期，这种方法的计算工作量相当大，且有很大的局限性。另一种方法是列出该问题的数学模型，通过优化方法进行求解，但这种方法要求知道管壁的结蜡规律(即结蜡层厚度与时间的关系)，而目前在理论上还无法解决这个问题，因而求解时还存在许多问题，是一个尚待研究的课题。清管后摩阻降低，散热量增大。因此，对于不满负荷运行的管道，清管是否经济要视管线的具体情况而定。如果清管后泵站要节流，则不如不清管。第35页,共43页，2024年2月25日，星期天第二节含蜡原油降凝剂改性处理输送工艺含蜡原油管道输送的主要矛盾是其较高的凝点。由于凝点以上，特别是反常点以上温度下含蜡原油的粘度一般都不太高，故降粘一般是含蜡原油安全输送的次要矛盾。含蜡原油降凝的重点是针对原油中的蜡，通过化学、物理的方法改变已析出的蜡晶的形态，使其不易联结成结构，或削弱已形成结构的强度，其结果不仅能降低凝点，反常点温度以下的粘度也显著下降。目前含蜡原油降凝的主流方向，包括添加降凝剂、热处理等。第36页,共43页，2024年2月25日，星期天一、含蜡原油降凝剂及其作用原理含蜡原油降凝剂是高分子聚合物。它是通过改变蜡晶的形态和结构，从而改善含蜡原油低温流动性的，故也称为蜡晶改良剂。关于降凝剂改变蜡晶形态和结构，其作用机理目前还不是非常清楚，大致有三种观点：1、晶核作用原油降凝剂在高于原油析蜡点的温度结晶析出，起晶核作用而成为蜡晶发育的中心，使得原油中的小蜡晶增多，从而不易产生大的蜡团。第37页,共43页，2