原油管道安全停輸時(shí)間影響因素分析

徐雙友, 劉 斌

（中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司襄陽(yáng)輸油處，湖北 襄陽(yáng) 448002）

原油管道安全停輸時(shí)間影響因素分析

徐雙友, 劉 斌

（中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司襄陽(yáng)輸油處，湖北 襄陽(yáng) 448002）

我國(guó)原油管道近幾十年發(fā)展迅速，有些管道已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展中后期，管道發(fā)生事故的概率上升。原油管道不可避免發(fā)生停輸，安全停輸時(shí)間是再啟動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于管道的安全運(yùn)行至關(guān)重要。根據(jù)輸油管道溫降公式，利用迭代法求解公式，并編制了應(yīng)用軟件。研究發(fā)現(xiàn)，安全停輸時(shí)間不是一個(gè)定值，它隨管道輸量、出站溫度、自然地溫和原油比熱容的增加而增加，隨總傳熱系數(shù)的增加而降低。當(dāng)管道周?chē)鷧?shù)發(fā)生變化時(shí)，需要密切關(guān)注安全停輸時(shí)間，研究結(jié)果可以為原油管道的安全運(yùn)行提供指導(dǎo)。

原油；管道；安全停輸時(shí)間；出站溫度；總傳熱系數(shù)

目前，管道以其數(shù)量大、價(jià)格低、輸送距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)不斷發(fā)展，已經(jīng)成為我國(guó)原油輸送的主要方式，我國(guó)輸油管道的總里程在不斷增加[1]。然而，我國(guó)大多數(shù)油田生產(chǎn)的原油大多為高含蠟原油，主要采用熱油輸送的工藝，最近幾年來(lái)，我國(guó)早期投入生產(chǎn)的管道陸續(xù)已經(jīng)進(jìn)入中晚期，管道的輸量在不斷變小，管道受自然環(huán)境的影響，發(fā)生事故的概率在不斷上升。輸油管道由于長(zhǎng)期運(yùn)行以及人為操作等的影響，難免需要進(jìn)行停輸， 以進(jìn)行維修等事宜[2]。同時(shí)，由于輸量的減小，也有用間歇輸油的工藝來(lái)代替正反輸工藝。

輸油管道停輸之后，管道內(nèi)油溫會(huì)不斷下降，原油粘度會(huì)隨著原油溫度的降低而變大，原油粘度升高后，會(huì)給輸油管道的再啟動(dòng)造成很大的麻煩，如果發(fā)生凝管，將會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。輸油管道的安全停輸時(shí)間是管道事故處理、編制維修計(jì)劃和再啟動(dòng)方案的關(guān)鍵參數(shù)，所以，研究安全停輸時(shí)間的計(jì)算方法和影響因素至關(guān)重要。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)原油管道停輸溫降過(guò)程做了大量研究，張圓圓利用數(shù)值計(jì)算的方法，建立了熱油管道溫降問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，模擬了水下管道、架空管道和埋地管道停輸溫降的過(guò)程，得出了熱油管道不同環(huán)境下溫降的過(guò)程的規(guī)律[5-7]。南發(fā)學(xué)利用熱力學(xué)原理，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法，計(jì)算出不同季節(jié)管線溫降隨時(shí)間的變化曲線圖，為不同季節(jié)的管線檢修提供了一定指導(dǎo)[8]。李偉采用數(shù)值計(jì)算的方法，建立了熱油管道運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出大修期間管道熱力參數(shù)對(duì)停輸溫降的影響規(guī)律，并以鐵秦線為例，得出了管線檢修開(kāi)挖的最大長(zhǎng)度[9]。同時(shí)，李偉通過(guò)理論分析研究發(fā)現(xiàn)，停輸時(shí)的初始條件、原油物性、管道周?chē)h(huán)境、管道結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響停輸后溫降分布[10]。劉曉燕運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)慶哈埋地管道在不同月份的允許停輸時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，得出了不同月份的安全停輸時(shí)間，同時(shí)發(fā)現(xiàn)泄洪區(qū)是停輸過(guò)程中最危險(xiǎn)的地段[11]。王雷運(yùn)用數(shù)值方法，研究了保溫層不同失效比例時(shí)對(duì)熱油管道安全停輸時(shí)間的影響，研究發(fā)現(xiàn)不同失效比，管道的安全停輸時(shí)間不一樣[12]。孫偉棟利用熱力學(xué)原理，將埋地管道的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到海底管道的傳熱研究上，建立了海底管道的傳熱模型，并將模擬計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，誤差在可控范圍內(nèi)[13]。

2 數(shù)學(xué)模型

原油管道停輸后，主要散熱過(guò)程有三步：原油與鋼管壁之間的自然對(duì)流傳熱、鋼管壁與防腐層之間的導(dǎo)熱和防腐層與大地之間的導(dǎo)熱。這是一個(gè)三維非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程，在實(shí)際過(guò)程中，由于管道軸向溫降相對(duì)徑向很小，所以在運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的過(guò)程中，通常將傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為二維非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。

原油管道停輸過(guò)程中溫降是一個(gè)影響因素非常復(fù)雜的體系，很難給出準(zhǔn)確的解析解。目前，前人對(duì)停輸過(guò)程的研究主要采用數(shù)值計(jì)算的方法，實(shí)踐證明，此類(lèi)方法可以滿足工程需要。采用數(shù)值計(jì)算方法可以在花費(fèi)很少的人力和時(shí)間的條件下，獲得大量的研究成果。

對(duì)于埋地管道，按照集總參數(shù)法做如下假設(shè)來(lái)計(jì)算停輸溫降：（1）管道橫截面上溫度梯度不計(jì)，橫截面油溫按平均值計(jì)算；（2）總傳熱系數(shù)為定值；（3）油品物性不隨溫度變化而變化；（4）環(huán)境溫度為定值；（5）保溫層的熱容量忽略不計(jì)[14]。

前人雖然對(duì)熱油管道的溫降規(guī)律做了大量研究，但是都是針對(duì)某一個(gè)因素進(jìn)行了計(jì)算，沒(méi)有分析各個(gè)因素對(duì)安全停輸時(shí)間的具體影響規(guī)律，同時(shí)數(shù)值計(jì)算方法太復(fù)雜，很難掌握。本文采用數(shù)值計(jì)算的方法，運(yùn)用 C++程序語(yǔ)言編程代碼來(lái)求解，研究輸油管道輸量、出站溫度、總傳熱系數(shù)、自然地溫和原油比熱容參數(shù)對(duì)安全停輸時(shí)間的影響規(guī)律，同時(shí)編制了應(yīng)用軟件，以期為原油管道的安全運(yùn)行提供一定指導(dǎo)。

1.1 原油管道沿線溫度分布

原油管道周?chē)寥赖男顭崃亢蜔嶙韬艽螅诠艿劳］敽笥土鳒囟冉档退俾史浅Ｂ?，所以可以假設(shè)油流的溫降過(guò)程是一系列相互交替的穩(wěn)態(tài)過(guò)程，假設(shè)在 dt時(shí)間內(nèi)，管道內(nèi)原油及管道溫降熱量與管道向環(huán)境周?chē)纳崃肯嗤?，總傳熱系?shù)K為一定值，就可以求得管道截面上平均溫度的變化規(guī)律。

將上式合并

對(duì)上式進(jìn)行積分，當(dāng)τ=0時(shí)，距出站位置 L處油溫按蘇霍夫溫降公式有：

則距出站位置L處，停輸τ時(shí)間后管道內(nèi)油溫的計(jì)算公式為：

式中：TL—停輸 τ時(shí)間后，距管道出站位置L處的管道內(nèi)油溫，℃；

T0—管道埋深處自然地溫，℃；

TR—開(kāi)始停輸時(shí)管道出站溫度，℃；

K—管道穩(wěn)定工況下的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

D,D1,D2—管道平均直徑、鋼管內(nèi)徑、外徑，m；

G—油品的質(zhì)量流量，kg/s；

cy—平均輸油溫度下油品的比熱容，J/(kg·℃)；

L—距管道出站位置的距離，m；

τ—停輸時(shí)間，s；

cg—鋼材的比熱容，J/(kg·℃)；

ρg—鋼材的密度，kg/m3；

ρy—油品密度，kg/m3。

在上式中，采用穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的總傳熱系數(shù)代替停輸后的傳熱系數(shù)，由于管道停輸后管內(nèi)自然對(duì)流換熱的傳熱系數(shù)要低于管道運(yùn)行時(shí)管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱的傳熱系數(shù)，因此采用穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的總傳熱系數(shù)值計(jì)算停輸后的油溫要比實(shí)際油溫低一些，但在停輸時(shí)間較短，熱阻變化較小的情況下，采用公式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際相差不大。

1.2 安全停輸時(shí)間求解

對(duì)上述公式，采用迭代法來(lái)求解安全停輸時(shí)間。在開(kāi)始計(jì)算時(shí)，首先假設(shè)安全停輸時(shí)間為零，代入式中計(jì)算出管道沿線溫度分布，然后時(shí)間不斷疊加，直到管道末端溫度等于最小允許進(jìn)站溫度，此時(shí)的時(shí)間即為安全停輸時(shí)間[15]。圖 1 為安全停輸時(shí)間計(jì)算框圖。

3 實(shí)例分析

以某已建的原油管道為例，兩個(gè)輸油站之間的距離為 24 km，管道管徑為 377 mm×8 mm，原油允許的最低進(jìn)站溫度為 39 ℃，管道的總傳熱系數(shù)為2.85 W/(m2·℃)，管道原油輸量為 320 m3/h，管道周?chē)h(huán)境溫度為 12℃，首站出站油溫為 65 ℃，原油密度為 949 kg/m3，原油的比熱容為 2 226 J/(kg·K)，鋼管的密度 7 861 kg/m3，鋼管的比熱容為 479 J/(kg·K)。

圖 1 安全停輸時(shí)間計(jì)算框圖Fig.1 Solution chart of safety shutdown time

根據(jù)圖1 的計(jì)算框圖，利用 C++語(yǔ)言編寫(xiě)可視化的計(jì)算程序，將繁瑣的計(jì)算公式和求解過(guò)程隱藏在程序后臺(tái)，用戶在使用時(shí)，界面非常清晰，可以實(shí)現(xiàn)可視化操作，用戶僅需輸入相應(yīng)參數(shù)的值，并可完成計(jì)算，軟件對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求很低，計(jì)算速度很快，使用非常方便快捷，軟件界面見(jiàn)圖2所示。

圖 2 軟件計(jì)算界面Fig.2 Calculation software interface

2.1 輸量對(duì)安全停輸時(shí)間的影響

保持其它參數(shù)不變，改變輸油管道輸量的大小，利用軟件計(jì)算結(jié)果如圖3所示，當(dāng)輸油管道的輸量變大時(shí)，安全停輸時(shí)間變長(zhǎng)。當(dāng)輸量從 220 m3/h 增加到 400 m3/h 時(shí)，輸油管道的安全停輸時(shí)間增加了9.3 h，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是當(dāng)輸量增加時(shí)，管道內(nèi)熱量增大，所以溫降時(shí)間較長(zhǎng)。隨著輸量的慢慢增加，安全停輸時(shí)間的增加的幅度慢慢變小。目前，我國(guó)大部分油田原油產(chǎn)量下降，低輸量運(yùn)行的管道很多，所以在低流量的工況下，更要注意輸量對(duì)安全停輸時(shí)間的影響。在允許的條件下，在停輸之前，可以采用正反輸?shù)姆绞教岣咻斄?，同時(shí)提高原油管道的安全停輸時(shí)間。

圖 3 安全停輸時(shí)間隨輸量的變化曲線Fig.3 Safe shutdown time under different throughput

2.2 出站油溫對(duì)安全停輸時(shí)間的影響

改變輸油管道原油出站溫度的大小，其它參數(shù)不變，利用計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果如圖4所示，由圖可知當(dāng)管道出站油溫增加時(shí)，管道的安全停輸時(shí)間增加，當(dāng)出站油溫從 55 ℃增加到 73 ℃時(shí)，安全停輸時(shí)間增加 11.6 h。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是出站油溫增加時(shí)，管道內(nèi)油品的總熱量增加，所以在其它參數(shù)不變的情況下，安全停輸時(shí)間變長(zhǎng)。由圖可知出站溫度與安全停輸時(shí)間的函數(shù)關(guān)系近似于直線。

圖 4 安全停輸時(shí)間隨出站溫度的變化曲線Fig.4 Safe shutdown time under different out-station temperature

2.3 總傳熱系數(shù)對(duì)安全停輸時(shí)間的影響

改變總傳熱系數(shù)的大小，其余參數(shù)不變，利用計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果如圖5所示，由圖可知安全停輸時(shí)間隨總傳熱的增加而減小，當(dāng)管道的總傳熱系數(shù)從 0.85 增加到 4.45 W/(m2·℃)時(shí)，安全停輸時(shí)間減小了 60.5 h，特別是當(dāng)總傳熱系數(shù)為 4.45 時(shí)，進(jìn)站溫度低于 39 ℃，所以必須要提高原油出站溫度。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是當(dāng)總傳熱系數(shù)變大時(shí)，管道溫降加快，所以管道內(nèi)油溫降低速度加快，管道安全停輸時(shí)間變短。由圖可發(fā)現(xiàn)安全停輸時(shí)間隨總傳熱系數(shù)的變化非常強(qiáng)烈，當(dāng)管道周?chē)h(huán)境發(fā)生變化時(shí)，引起總傳熱系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，要特別注意安全停輸時(shí)間。

圖 5 安全停輸時(shí)間隨總傳熱系數(shù)的變化曲線Fig.5 Safety shutdown time under different overall heat transfer coefficient

圖 6 安全停輸時(shí)間隨自然地溫的變化曲線Fig.6 Safe shutdown time under different natural ground temperature

圖 7 安全停輸時(shí)間隨原油比熱容的變化曲線Fig.7 Safe shutdown time under different heat capacity of the crude oil

影響原油管道總傳熱系數(shù)的因素有保溫層損壞程度、防腐層損壞程度、管道周?chē)寥赖臐穸?、覆土的厚度、大氣濕度等。?dāng)發(fā)生洪災(zāi)、大雨大雪天氣、管道維修開(kāi)挖等因素都會(huì)影響總傳熱系數(shù)，在發(fā)現(xiàn)這些因素發(fā)生變化時(shí)，必須實(shí)時(shí)監(jiān)督管線的安全停輸時(shí)間。

2.4 自然地溫對(duì)安全停輸時(shí)間的影響

改變管道周?chē)匀坏販氐拇笮〉闹?，其余參?shù)不變，利用計(jì)算程序計(jì)算結(jié)果如圖6所示，由圖可知輸油管道安全停輸時(shí)間隨著自然地溫的增加而增加，當(dāng)自然地溫從 0 ℃增加到 18 ℃時(shí)，安全停輸時(shí)間增加了 9.4 h。產(chǎn)生比現(xiàn)象的原因是當(dāng)?shù)販刈兏邥r(shí)，管道與周?chē)h(huán)境的溫差變小，所以熱流量變小，管道溫降變慢。自然地溫對(duì)安全停輸時(shí)間直接的函數(shù)關(guān)系近似于直線。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降溫、管線裸露時(shí)，特別是冬季地溫較低時(shí)，需要特別關(guān)注安全停輸時(shí)間。

2.5 原油比熱容對(duì)安全停輸時(shí)間的影響

改變?cè)捅葻崛莸拇笮?，其余參?shù)不變，利用計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果如圖7所示，由圖可知管道安全時(shí)間隨管道中原油比熱容的增大而增大，當(dāng)原油比熱容從 1 726 J/(kg·K)增大到 2 626 J/(kg·K)時(shí)，安全停輸時(shí)間增大了 6.1 h，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是原油比熱容變大，自身攜帶熱量變多，其它參數(shù)不變，溫降的時(shí)間變長(zhǎng)。比熱容對(duì)安全時(shí)間的影響函數(shù)關(guān)系近似于直線。所以在輸送不同的油品時(shí)，管線的安全停輸時(shí)間不一樣，在輸送比熱容較低的原油時(shí)，需要注意安全停輸時(shí)間的變化。

4 結(jié) 論

由以上分析可知，對(duì)于一條已建輸油管道，管道的安全停輸不是一個(gè)固定的值，它會(huì)隨著管道周?chē)h(huán)境參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)的變化而變化。輸油管道的安全停輸時(shí)間隨管道輸量、出站溫度、自然地溫和原油比熱容的增大而增大；隨管道總傳熱系數(shù)的增大而變小。當(dāng)輸油管道環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，影響總傳熱系數(shù)發(fā)現(xiàn)變化后，要密切留意安全停輸時(shí)間的變化，及時(shí)為熱油管道的檢修和安全運(yùn)行提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

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Analysis of Influence Factors for Crude Oil Pipeline Safety Shutdown Time

XU Shuang-you，LIU Bin
（Sinopec Pipeline Storage & Transportation Company Xiangyang Oil Transportation Department, Hubei Xiangyang 448002，China）

In recent decades crude oil pipeline in our country is developing rapidly, some pipes have entered the mid-and-late part stage, and probability of pipeline accidents rises. It is inevitable that crude oil pipeline shutdown happens. The safe shutdown time is a key parameter for start-up and it is very important to safe operation of pipeline. In this paper, according to the pipeline temperature drop formula, the iteration was used to solve the formula, and its application software was compiled. The study found that safe shutdown time is not a fixed value. It increases along with the increase of throughput, outbound temperature, natural ground temperature and heat capacity of the crude oil, and decreases with the increase of the total heat transfer coefficient. When the pipe parameters change, the safe shutdown time should be paid more attention. The results can provide the guidance to the safe operation of oil pipeline.

Crude oil; Pipeline; Safe shutdown time; Out-station temperature; Overall heat transfer coefficient

TE 832

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1353-04

2014-05-19

徐雙友（1974-），男，湖北襄陽(yáng)人，工程師，1998 年畢業(yè)于河北省廊坊市石油管道學(xué)校石油儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)。研究方向：從事石油管道儲(chǔ)運(yùn)的生產(chǎn)管理工作。郵箱：xusy_74@126.com。