裸露管線停輸影響因素分析

趙燕輝，吳 明，劉 杰，張國軍，杜義朋，于麗麗

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

我國各大油田生產(chǎn)的原油中高粘、高含蠟、易凝原油占有較大的比重。針對 “三高”原油流動性差的特性，目前主要采用加熱輸送工藝。原油管道停輸是輸油管道運行中常見的現(xiàn)象，管道在維護檢修和發(fā)生事故時，不可避免地要停輸。停輸后，管內(nèi)原油會向周圍散熱，油溫不斷下降，原油粘度隨之增大，若時間控制不當就可能會發(fā)生凝管事故[1]。裸露管段由于沒有土壤的保溫作用，較之埋地管道溫降速度快，成為確定安全停輸時間和再啟動方案的關(guān)鍵。裸露管段通常成為停輸過程中的“卡脖子”段[2]?？梢?，研究裸露管道的停輸溫降規(guī)律對確定安全停輸時間和再啟動方案意義重大。

目前，國內(nèi)的研究工作者主要是針對埋地管道[3-5]的溫降過程進行分析和計算。在裸露管道停輸溫降研究方面，劉勇峰[6]研究了環(huán)境溫度變化對裸露管道停輸溫降的影響，李晉[7]使用有限差分法得到了裸露管線溫降規(guī)律的數(shù)值解，盧濤[8]建立了架空原油管線溫降的模型。本文在目前已有研究成果的基礎(chǔ)上，考慮相變潛熱，改變影響停輸溫降的各種因素（停輸起始油溫、環(huán)境溫度、管徑、結(jié)蠟層厚度、保溫層厚度等），利用CFD軟件對停輸過程進行數(shù)值模擬，得到了對應的安全停輸時間。

1 問題描述

本文參考某條原油管道的裸露管段，該管道全長74.51 km，裸露段長185.8 m，管道外徑720 mm管壁厚度10 mm，導熱系數(shù)48 W/(m?K)，結(jié)蠟層厚度15 mm，導熱系數(shù)2.5 W/(m?K)，保溫層厚度為40 mm，導熱系數(shù) 0.04 W/(m?K)，原油密度 870 kg/m3，比熱 2 250 J/(kg?K)，導熱系數(shù) 0.16 W/(m?K)，原油凝固點為305.15 K，停輸前油溫為345 K，環(huán)境溫度為263.15 K。改變其中任意一種影響因素，對其停輸溫降過程進行模擬分析。

2 模型簡化

裸露管道停輸溫降過程是一個非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，過程中的熱量來源于存油、結(jié)蠟層和鋼管。熱量首先以對流傳熱方式由原油傳到凝油層，再以導熱方式傳到管壁，最后再以對流換熱方式傳到大氣。停輸過程中，軸向溫降遠小于徑向溫降，可將三維傳熱問題簡化為二維傳熱問題，并假設(shè)原油物性不發(fā)生變化。綜合考慮以上因素，建立裸露管道的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型。圖1為裸露原油管道橫截面示意圖。

圖1 裸露管道截面圖Fig.1 Bare pipeline sectional view

該數(shù)學模型中，二維常物性非穩(wěn)態(tài)導熱的微分方程式為：

式中: t —溫度，℃；

a—導溫系數(shù)；

τ—時間，s。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

裸露管道在正常運行過程中形成了穩(wěn)定的溫度場，停輸開始那一刻可假設(shè)原油溫度分布均勻，但需要對保溫層、管道及結(jié)蠟層的溫度分布進行穩(wěn)態(tài)計算，然后再將得到的結(jié)果作為初始條件進行非穩(wěn)態(tài)計算。圖2為停輸40 h后的管內(nèi)溫度分布情況，由圖可知，原油溫度沿徑向逐漸降低，靠近結(jié)蠟層處最低。

圖3為管內(nèi)油流區(qū)不同位置處的停輸溫降曲線。由圖可以看出，油流區(qū)中心處的溫降速度較慢，而靠近結(jié)蠟層處，在停輸開始的一段時間內(nèi)溫降速度較快，后來逐漸變慢，這兩處的溫差隨著停輸時間的延長越來越小，造成該變化的原因是保溫層對這兩處的影響不同，離保溫層越遠處受到的保溫影響就越小，溫降就會越小。

圖2 停輸40 h后管內(nèi)溫度分布Fig.2 Tube temperature distribution after 40 hours

圖3 油流區(qū)不同位置處溫降曲線圖Fig.3 Temperature drop curve of different place in oil flow area

裸露管道停輸過程中，隨著熱量的持續(xù)傳遞管內(nèi)各處溫度不斷降低。當停輸88 h后，管內(nèi)油流區(qū)的最高溫度為325.30 K，最低溫度為293.03 K，平均溫度為308.40 K。當停輸89 h后，油流區(qū)的最高溫度為324.93 K，最低溫度為292.81 K，平均溫度為308.09 K。原油管道運行技術(shù)規(guī)范中規(guī)定管內(nèi)最低進站油溫應在原油凝固點3 ℃以上，由此可知，該條件下安全停輸時間為88 h。

圖4 初始油溫對停輸溫降的影響Fig.4 Influence of initial oil temperature on shutdown temperature drop

圖4為不同停輸起始溫度條件下的原油平均溫度變化曲線，停輸起始溫度為325 K、335 K和345 K時所對應的安全停輸時間分別為47 h、69 h和88 h，起始溫度從325 K升到335 K和從335 K升到345 K，安全停輸時間分別增加了22 h和19 h，由次可見，高的起始溫度可以延長安全停輸時間。

圖5為其他條件不變，僅改變環(huán)境溫度時的原油平均溫度變化曲線，環(huán)境溫度越高，原油溫降速度就越慢，同一停輸時刻的原油溫度越高。環(huán)境溫度為263.15 K、273.15 K和283.15 K時所對應的安全停輸時間分別為88 h、106 h和134 h，即環(huán)境溫度每增大10 K對應的安全停輸時間分別延長18 h和28 h。

圖5 環(huán)境溫度對停輸溫降的影響Fig.5 Influence of environment temperature on shutdown temperature drop

圖6為三種不同管徑條件下的原油平均溫度變化情況，由圖可知，在停輸過程中大管徑管道的溫降曲線坡度較緩，管徑越小，溫降曲線坡度越陡，安全停輸時間越短，這是由于管徑小時管內(nèi)原油含量少，則熱量也少。三種管徑對應的安全停輸時間分別為37 h、58 h和88 h，即管徑增大到2倍時安全停輸時間可以延長到2.4倍。

圖6 管徑對停輸溫降的影響Fig.6 Influence of pipe diameter on shutdown temperature drop

圖7為結(jié)蠟層厚度不同時管內(nèi)原油平均溫度變化曲線。管道開始停輸一段時間內(nèi)，同一停輸時刻，結(jié)蠟層厚的管內(nèi)原油平均溫度高，這是由于結(jié)蠟層對原油有保溫作用，結(jié)蠟層越厚保溫效果就越好，此時結(jié)蠟層的保溫作用占主導地位；然而當停輸進行到某一時刻之后，結(jié)蠟層越厚管內(nèi)原油平均溫度反而越低，這是由于結(jié)蠟層厚的管內(nèi)原油的熱量低，此時原油的熱量占主導地位。結(jié)蠟層厚度為5 mm、15 mm和30 mm時對應的安全停輸時間分別為89 h、88 h和87 h。

圖7 結(jié)蠟層厚度對停輸溫降的影響Fig.7 Influence of wax layer thickness on shutdown temperature drop

圖8為保溫層厚度不同時管內(nèi)原油平均溫度變化曲線，隨著保溫層厚度的增大，同一停輸時刻管內(nèi)原油的平均溫度升高，并且溫差減小。保溫層厚度為20 mm、30 mm和40 mm所對應的安全停輸時間分別為58 h、73 h和88 h，保溫層厚度從20 mm增大到30 mm和從30 mm增大到40 mm，安全停輸時間分別增加了15 h，所以增大保溫層厚度可以延長安全停輸時間。

圖8 保溫層厚度對停輸溫降的影響Fig.8 Influence of thermal insulation layer thickness on shutdown temperature drop

4 結(jié) 論

裸露管道停輸溫降過程受多種因素影響，通過改變各種因素進行數(shù)值模擬，繪制了相應條件下的溫降變化曲線圖，得出了對應的安全停輸時間。結(jié)果表明：提高停輸起始油溫可延長停輸時間，但需要綜合考慮熱能和動力消耗等因素；環(huán)境溫度越高，管道溫降速度越慢，安全停輸時間越長；管徑越大，管內(nèi)原油的熱量越高，停輸持續(xù)時間越長；結(jié)蠟層對停輸溫降的影響很小，且隨著其厚度的增加管道停輸時間略有縮短；保溫層越厚，對管道的保溫效果越好，單位時間內(nèi)管道散失的熱量越少。

［1］B.M.阿卡帕金.原油和油品管道的熱力與水力計算[M].羅塘湖，譯.北京：石油工業(yè)出版社，1986：11.

［2］齊晗兵.海底輸油管道安全停輸實驗[J].油氣田地面工程，2007，26(6)：18－19.

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［5］杜明俊，馬貴陽，陳笑寒.凍土區(qū)理地熱油管道停輸溫降數(shù)值模擬[J].天然氣與石油，2010，28(4)：54－57.

［6］劉勇峰，吳明，張宏濤，等.裸露管線停輸溫降規(guī)律數(shù)值模擬[J].天然氣與石油，2011，29(5)：18－20.

［7］李晉，王平，王洪霞，等.裸露管線溫降規(guī)律研究[J].石油化工高等學校學報，2009，22(1)：73－75.

［8］盧濤，孫軍生，姜培學.架空原油管道停輸期間溫降及原油凝固界面推進[J].石油化工高等學校學報，2005，18(4)：54－57.