塘燕原油管道蠟沉積規(guī)律研究

趙　丹， 黃啟玉， 呂志娟， 呂銘寬

(1.中國石油大學(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249；2.中國石化管道儲運有限公司，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.中國石油大學(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249；2.中國石化管道儲運有限公司，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)測的難度。根據(jù)管輸原油物性，運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的蠟沉積速率，并結(jié)合管道運行參數(shù)，預(yù)測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較多；管道沿線的蠟沉積分布不均勻，主要集中在靠近進站管段處，在管道全線運行壓力變化不大時，對于蠟沉積嚴重的管段，其壓降迅速增加，造成管道安全運行隱患，建議每年秋季進行一次清管作業(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)蠟嚴重影響管道的安全經(jīng)濟運行[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口油，但在清管的過程中發(fā)現(xiàn)有大量的蠟存在，并發(fā)生了蠟堵現(xiàn)象，嚴重影響了管道的安全運行。為解決這一問題，有必要研究管道沿線的結(jié)蠟規(guī)律，為現(xiàn)場清管作業(yè)提供理論依據(jù)，進而實現(xiàn)管道的安全經(jīng)濟運行。本文基于中國石油大學(北京)的普適性蠟沉積模型[4-7]，研究了塘燕線天津油庫至牛口峪站，不同季節(jié)輸送不同原油時的蠟沉積速率，并結(jié)合管道現(xiàn)場運行參數(shù)，預(yù)測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

塘燕輸油管道起點為塘沽油庫，途徑天津中轉(zhuǎn)油庫、廊坊熱泵站，終點為?？谟?。其中塘沽至天津段管徑為711 mm×9.5 mm，線路總長46 km，管線設(shè)計壓力4.4 MPa，設(shè)計輸量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93 km，廊坊至?？谟伍L85 km，設(shè)計輸量1 000×104t/a，天津中轉(zhuǎn)油庫分輸站出站管線設(shè)計壓力為6.5 MPa，廊坊熱泵站出站管線設(shè)計壓力為6.4 MPa。

由于塘燕線所輸進口原油種類多，油品切換頻繁，主要研究了輸油量較大、輸油時間長的幾種油品對管道蠟沉積規(guī)律的影響。其中，輸油量較大、輸油時間較長的油品為沙中、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)傳熱原理進行蠟沉積模型的建立。E.D.Burger等[8]提出了綜合分子擴散和剪切彌散兩種機理的蠟沉積模型，模型中的蠟沉積速率系數(shù)需要根據(jù)室內(nèi)實驗確定；A.A.Hamouda等[9-10]認為在蠟沉積過程中起主要作用的是分子擴散，模型中的結(jié)蠟傾向系數(shù)要通過實驗確定；J.J.C.Hsu等[11-12]根據(jù)臨界蠟強度建立了蠟沉積模型，其中的結(jié)蠟傾向系數(shù)也要通過室內(nèi)實驗確定；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]認為蠟沉積的主要機理是分子擴散，但還要考慮沖刷的影響；黃啟玉等[4-6]以分子擴散機理為基礎(chǔ)，考慮了管壁處剪切應(yīng)力和溫度梯度等因素對結(jié)蠟的影響，結(jié)合理論分析與實驗數(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)運用蘇霍夫溫降公式進行計算。

(2)

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

(3)

管流流態(tài)不同，管壁處剪切率的計算方法亦不相同。

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，通過對原油黏溫關(guān)系曲線、蠟晶溶解度系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線進行插值計算得到。

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)場蠟沉積預(yù)測

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

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

表3　塘燕線不同月份管道運行參數(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)變化對蠟沉積過程有較大影響，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。這主要是由于進站溫度和地溫的影響，夏季進站溫度和地溫較高，蠟沉積速率小，而冬季進站溫度和地溫較低，蠟沉積速率大。

此外，原油種類對蠟沉積過程也有較大影響。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較多。這是因為，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)測截止時間是2014年7月中旬，7月14日至7月16日于正在運行的塘燕線輸油管道上進行了現(xiàn)場取樣，對油樣進行了3次密度測試，得油樣20 ℃的平均密度為854.8 kg/m3，并在不同時間現(xiàn)場取樣測試了其黏度，黏度測試結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同時間管輸原油黏溫曲線

采用壓力反算法計算管道實際管徑，牛頓體水力光滑區(qū)站間壓降計算式為：

(7)

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

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

表4　塘燕線7月份管道進出站壓力

表5　實際管徑計算結(jié)果

以1 km為步長，根據(jù)管道輸送不同種類原油時不同位置的蠟沉積速率，計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際管徑對預(yù)測結(jié)果進行驗證，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站處的管段蠟沉積較為嚴重，這主要是因為進站管段處油溫低。天津到廊坊管段的蠟沉積比廊坊到?？谟芏蔚膰乐?，且天津至廊坊管段沿線結(jié)蠟層厚度的增加趨勢比廊坊到?？谟淖兓瘎×遥@是因為天津到廊坊管段的軸向溫差更大一些，單位長度上的溫降較大。由于蠟沉積分布不均勻，在管道全線運行壓力變化不大的情況下，對于蠟沉積嚴重的管段，其壓降迅速增加，可能會給管道安全運行造成隱患。因此，建議每年秋季進行一次清管作業(yè)，以確保管道的安全運行。

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)合管道運行參數(shù)，預(yù)測了塘燕線管道沿線結(jié)蠟層厚度及分布趨勢，得到了以下結(jié)論：

(1) 季節(jié)變化對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，這主要是受進站溫度和地溫的影響。

(2) 原油種類對蠟沉積過程也有較大影響。管輸原油不同，蠟沉積速率不同。對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影響蠟沉積速率的變化。

(3) 目前運行參數(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站處。由于管道所輸油品都是進口原油，與國內(nèi)的高含蠟原油相比蠟含量很低，但如果長期運行且不清管，會對管道安全造成很大的威脅。因此，建議每年秋季進行一次清管作業(yè)，以保證管道的安全運行。

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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

國家自然科學基金資助項目“油包水型乳狀液蠟分子擴散和蠟晶顆粒沉積機理研究”(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