成品油攜水攜雜質及管內腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

劉 剛，趙家良，盧興國，陳 雷，隋 冰

(1.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580；2.中石化石油工程設計有限公司,山東 東營 257000)

成品油攜水攜雜質及管內腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

劉 剛1，趙家良1，盧興國1，陳 雷1，隋 冰2

(1.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580；2.中石化石油工程設計有限公司,山東 東營 257000)

介紹了室內成品油攜水攜雜質模擬試驗及管內腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)和主要系統(tǒng)的功能及測試手段，并基于建成的管道系統(tǒng)對成品油管道內水、雜質沉積運移規(guī)律及內腐蝕特性開展了初步試驗測試。管道系統(tǒng)主要包括沉積試驗起伏管段、腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)、雜質沉降回收系統(tǒng)。主要測試手段包括觀察法、超聲波檢測法和腐蝕監(jiān)測法，試驗中利用觀察法結合超聲波檢測技術研究顆粒的沉積運移規(guī)律，利用交流阻抗腐蝕測試儀對管道雜質顆粒易沉積位置進行實時腐蝕監(jiān)測。結果表明：水相容易在管道低洼處沉積，但雜質顆粒易在上傾-水平彎管段后方的水平管部位沉積，且已沉積的雜質顆粒容易捕捉流經的水相，造成此區(qū)域管內腐蝕。

成品油管道； 油攜雜質； 臨界流速； 超聲波探測； 腐蝕監(jiān)測

0 引 言

我國先后建成了蘭成渝，珠三角，西南，魯皖，西部和蘭鄭長等多條成品油管線[1]。然而在成品油管道運行初期，多次發(fā)生污物堵塞過濾器導致管線停輸?shù)氖鹿蔥2]。取樣分析發(fā)現(xiàn)，污物的成分主要為砂礫、淤泥、鐵銹等，含水量高達5%[3]?？梢姡善酚凸艿纼人碗s質的沉積給成品油管線的安全可靠運行帶來重大隱患[2-5]。孟芳芳等[6-12]利用玻璃管、加筋軟管和鍍鋅鋼管的試驗環(huán)道進行成品油攜水的研究，認為水會在管道低洼處沉積，因此清除管道低洼處的積水會避免管內腐蝕。隋冰等[13]利用有機玻璃透明試驗環(huán)道進行成品油攜雜質的研究，發(fā)現(xiàn)管道中雜質顆粒會在上傾—水平彎頭的水平部分沉積，同時沉積的雜質顆粒會捕捉流經雜質顆粒沉積區(qū)的水。但是試驗管道采用有機玻璃管，與實際成品油管道在管壁粗糙度和潤濕性等方面都有比較大的差別[14]，同時此試驗環(huán)道上傾—水平彎管段的水平部分很短，從而附近的法蘭連接對雜質沉積產生很大影響，同時無法對顆粒沉積區(qū)域長度進行研究，并且無法實時監(jiān)測管內的腐蝕。

因此，本文研發(fā)一種多相流模擬試驗裝置研究水和雜質在起伏成品油管道中的沉積運移規(guī)律，明確不同工況下油流對水和雜質的攜帶能力，得出清除水和雜質的臨界流速，對進一步實施機械清管具有指導意義；同時得出顆粒沉積區(qū)域長度，在沉積區(qū)域管段設置內腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，探究積水積雜對管壁的內腐蝕規(guī)律，對管道的預防腐設置和積水積雜無法清除的情況下管道使用壽命的預測具有指導性作用。

1 試驗裝置

成品油攜水攜雜質多相流模擬試驗及管內腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)包括儲油系統(tǒng)A、動力系統(tǒng)B、流量調節(jié)及監(jiān)測系統(tǒng)C、引流系統(tǒng)D、加注系統(tǒng)E、沉積試驗起伏管段系統(tǒng)F、雜質沉降回收系統(tǒng)G、支撐系統(tǒng)、防靜電系統(tǒng)和腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)共10個部分，試驗環(huán)道系統(tǒng)如圖1所示。

1-儲油系統(tǒng);2-過濾器;3-磁力驅動泵;4-壓力表;5-流量計;6-支撐架;7-引流管;8-變徑接頭;9-水平-上傾彎頭;10-上傾觀察段;11-上傾-水平彎頭;12-腐蝕探針安裝處;13-重力沉降分離罐;14-沉降短管;15-升降架;16-軟管;17-防靜電系統(tǒng)

試驗裝置的核心系統(tǒng)主要有沉積試驗起伏管段系統(tǒng)、腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)和雜質沉降回收系統(tǒng)。

1.1沉積試驗起伏管段系統(tǒng)

加注系統(tǒng)E的下游設有沉積試驗起伏管段系統(tǒng)F。沉積試驗起伏管段系統(tǒng)是整個試驗裝置的核心部分，用于模擬油品在起伏管路中的輸送以及水和/或雜質顆粒在起伏管路中的沉積運移。沉積試驗起伏管段系統(tǒng)包括測試管道9、10、11，沉積試驗起伏管段系統(tǒng)中的測試管道架設在可以調節(jié)高度的支撐裝置上，可根據(jù)試驗需要設置管徑、傾角、起伏結構等試驗參數(shù)，試驗參數(shù)包括管徑(15、25、32、40 mm)、傾角(0°、5°、10°、15°、20°)、起伏結構(水平-上傾-水平)。

沉積試驗起伏管段系統(tǒng)的主要測試手段有觀察法和超聲波檢測法。

(1) 觀察法。為了觀察水和/或雜質顆粒在測試管道10和11的水平段的運移規(guī)律，需要設置透明觀察窗，但是有機玻璃管材質和鋼材的管壁的潤濕性能、親水親油性以及管壁的粗糙度差別很大，為了減小差異，特別設計了半玻璃半鋼的管道結構，即測試管道的上半1/3部分為透明的玻璃材質，下半2/3部分為鋼材質，如圖2所示。這樣的設計既能保證管底的鋼材質，又能透過上面透明玻璃觀察水和雜質在管道中的沉積運移。

(a) 側視圖

(b) 俯視圖

(2) 超聲波檢測法。沉積試驗起伏管段系統(tǒng)的水平-上傾彎管9和上傾-水平彎管11的上傾段都為全鋼非透明結構，無法觀察，因此借助超聲波檢測技術來檢測雜質的沉積情況。

根據(jù)超聲波在不同阻抗的介質分界面會產生反射的原理，用頂部測量法[15]檢測管道中非透明全鋼管段雜質顆粒沉積的情況，同時測量雜質上傾-水平彎管段水平部分雜質顆粒沉積團的厚度。

頂部測量法原理見圖3。超聲波探頭垂直固定在管道頂部外壁上，超聲波探頭發(fā)出的超聲波在鋼管與柴油分界面、柴油與固體顆粒分界面發(fā)生反射，先測量超聲波在純柴油中的傳播速度，當管道中有雜質顆粒沉積時測量超聲的往返時間，從而得到雜質沉積團厚度，同時通過比較有無、雜質時超聲波波形圖，判斷不透明鋼管段雜質顆粒的沉積情況。

圖3 頂部測量法原理

超聲波的發(fā)射與接收利用脈沖信號發(fā)生器實現(xiàn)，試驗中采用OLYMPUS(奧林巴斯)5072pr進行脈沖信號的發(fā)射和超聲波和接收。信號發(fā)生器將脈沖電信號發(fā)射到超聲波探頭上，超聲波探頭將電信號轉化為超聲波信號，發(fā)射到管中，超聲波探頭將接收到經過不同阻抗的界面反射后的超聲波信號，將超聲波信號轉化為電信號傳輸?shù)叫盘柊l(fā)生器上；信號發(fā)生器與示波器連接，當脈沖發(fā)生器發(fā)射信號或接收到信號時，電信號會在示波器上顯示出對應的波形，通過測量脈沖信號從發(fā)射到接收到的時間差，就可以知道超聲波的傳播時間。試驗中示波器采用泰克公司的型號為DPO2002的示波器，探頭采用奧林巴斯廠家定做的5 MHz探頭。信號發(fā)生器、示波器如圖4所示。

(a)OLYMPUS5072pr正面背面圖(b)泰克DPO2002示波器正面圖

圖4 超聲波測量儀器示意圖

1.2腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

本試驗采用CST810E單通道快速腐蝕測試儀監(jiān)測管內特定位置的腐蝕情況，儀器全部采用交流阻抗測量模式。CST810E交流阻抗腐蝕測試儀根據(jù)交流阻抗的高頻和低頻區(qū)阻抗來測量溶液電阻Rs和極化電阻Rp，再根據(jù)Stern方程icorr=B/Rp(其中B為Stern系數(shù))，進而計算腐蝕電流密度icorr。

對于本試驗的腐蝕監(jiān)測探頭選用專門定制的同種材料三電極體系。工作電極、參比電極和輔助電極三電極采用同種材料、同樣大小、同樣表面狀態(tài)的3根金屬棒制成，材料選用和管內壁一樣的304不銹鋼。3個電極棒內部通過聚四氟乙烯固定、隔離，形成聚四氟乙烯棒，同時聚四氟乙烯棒上車有螺紋，可以直接旋入焊接在管道底部的短節(jié)里，同時為了不影響雜質的沉積運移，使探頭頂部與管內壁在一個平面上。

通過試驗發(fā)現(xiàn)雜質顆粒容易在爬坡后的水平段沉積，因此在此位置12安裝腐蝕監(jiān)測探頭，整個腐蝕測試系統(tǒng)如圖5所示。

(a)腐蝕監(jiān)測探頭(b)探頭與管道的裝配圖

圖5 腐蝕測試系統(tǒng)

1.3雜質沉降回收系統(tǒng)

沉積試驗起伏管段系統(tǒng)F的下游設有雜質沉降回收系統(tǒng)G用于沉降分離和回收被攜帶至沉降罐中油品中的水和雜質，包括沉降罐13、金屬軟管16和出口閥門m。為了配合連結上游沉積試驗起伏管段系統(tǒng)的4個不同管徑的支路，沉降罐側面靠近下端的位置具有4個不同口徑的入口。試驗時根據(jù)上游沉積試驗起伏管段系統(tǒng)設定的管徑從4個入口中選擇相應口徑的入口連接，關閉其余入口的閥門。同時為了能夠與其上游可調節(jié)高度的沉積試驗起伏管段系統(tǒng)對接，整個沉降回收系統(tǒng)放置在可調節(jié)高度的支架上，如圖6所示。

圖6 雜質沉降回收系統(tǒng)

雜質沉降回收系統(tǒng)雜質的分離操作過程為：在試驗前打開閥門k，關閉閥門m，在試驗的過程中顆粒/水被攜帶至雜質沉降罐中，由于重力作用顆粒/水沉積到沉積短管14中，待試驗結束后關閉閥門k，打開閥門m，排出已沉積到沉積短管14的顆粒/水至燒杯中，通過量筒測量被攜帶出管路的水，顆粒清洗干凈后用電子秤稱重。

2 試驗測試

試驗介質為水、0#柴油和石英砂顆粒。20 ℃時，油品密度為819 kg/m3，動力黏度為2.40 mPa·s，油水界面張力為0.02 N/m。石英砂顆粒的密度為2 500 kg/m3。在試驗中選用管徑DN25 mm，傾角為20°的管路，20 g粒徑為1.8～2 mm的石英砂進行試驗研究。

2.1雜質顆粒沉積運移規(guī)律研究試驗

(1) 實驗步驟。裝置進行試驗的方法主要通過以下步驟實現(xiàn)：

① 流量調節(jié)。通過流量調節(jié)及監(jiān)測系統(tǒng)調節(jié)管路中油相流量至所需流量，待流量穩(wěn)定后，利用頂部測量法探測雜質顆粒在上傾-水平彎管上傾段的沉積情況，記錄每個定點位置的波形圖，然后關閉動力系統(tǒng)。

② 顆粒沉積運移。關掉閥門j和i，打開加注閥h，通過加注閥向管道中加入20 g粒徑為1.8～2 mm的石英砂顆粒，靜置待雜質顆粒沉積穩(wěn)定后關閉加注閥門h，打開閥門j和i，再啟動動力系統(tǒng)，打開泵出口閥門a，觀察并攝像記錄雜質顆粒在上傾段和上傾-水平彎管水平部分的沉積運移過程。

③ 待沉積穩(wěn)定后，打開超聲波信號發(fā)生器和示波器，利用頂部測量法探測雜質顆粒在上傾-水平彎管上傾段的沉積情況，記錄每個定點位置的波形圖，并與步驟①中未加入雜質顆粒時相應位置的波形圖對比分析。

④ 試驗結束后關閉閥門k，打開閥門m，排出已沉積到沉積短管14的顆粒/水至燒杯中，通過量筒測量被攜帶出管路的水，顆粒清洗干凈后用電子秤稱重。

(2) 臨界流速測量。為了更好地描述不同流速下雜質顆粒在起伏管路中沉積運移特點，首先定義雜質顆粒在起伏管路中沉積運移的幾個速度。

① 臨界爬坡流速v1：顆粒開始爬坡的最小速度。

② 穩(wěn)定沉積臨界流速v2：顆?？梢栽谏蟽A-水平段彎頭的水平部分產生穩(wěn)定沉積的最大流速。

③ 可沉積臨界流速v3：顆?？梢猿练e的最小流速。

得到的描述顆粒沉積運移的不同油相流速如下：v1=0.35 m/s，v2=0.75 m/s，v3=0.95 m/s。

(3) 顆粒沉積區(qū)域長度隨油相流速變化。通過試驗發(fā)現(xiàn)顆粒在管路中的最終沉積位置是上傾-水平彎管段的水平段。因此通過觀察法結合超聲波探測技術研究顆粒沉積區(qū)域長度。

上傾-水平彎管段的結構圖如圖7所示。以油相流速為0.55 m/s為例，分別在顆粒沉積運移前后利用頂部探測法檢測管道非透明段各位置1～8顆粒沉積情況，檢測結果如圖8所示。

圖7 管道非透明段超聲波探測位置示意圖

15263748(a)顆粒沉積運移前(b)顆粒沉積運移后(a)顆粒沉積運移前(b)顆粒沉積運移后

圖8 顆粒沉積運移前后超聲波探測波形圖對比

對比顆粒沉積運移前后波形圖，只有1、2、3號位置的波形圖前后差異比較大，說明這3個位置有雜質顆粒的沉積，即在全鋼非透明位置有2 cm的顆粒沉積團，因此顆粒沉積區(qū)域長度應該為透明段沉積長度加上超聲波探測得到的非透明段沉積長度。

結合超聲波探測技術和觀察法最終得到顆粒沉積區(qū)域長度隨油相流速變化關系曲線如圖9所示。

圖9 油相流速與雜質沉積區(qū)域長度關系曲線

從圖9可以看出，當油相流速小于0.4 m/s時顆粒不會在上傾-水平彎管段的水平部分沉積，即沉積區(qū)域長度為0。顆粒沉積區(qū)域長度隨著油相流速的增加先變大，當沉積區(qū)域長度達到最大沉積區(qū)域長度11.8 cm后沉積區(qū)域長度開始變小，當油相流速大于0.75 m/s，沉積區(qū)域長度變?yōu)?，不會有顆粒穩(wěn)定沉積即此流速為穩(wěn)定沉積臨界流速。

2.2腐蝕速率監(jiān)測試驗

步驟1監(jiān)測管道中只有柴油時上傾-水平彎管水平段探針安裝位置處的腐蝕速率為2.338 nm/a。

步驟2取注水量為30 mL，進行攜水試驗測得水相完全爬坡臨界流速為0.175 m/s，監(jiān)測此流速下探針安裝位置的腐蝕速率為2.489 nm/a，和沒加入水前的腐蝕速率相比基本沒變，沒有造成管內腐蝕，說明當水團完全爬坡后水不會像雜質顆粒一樣在上傾-水平彎管的水平段沉積。

步驟3取油相流速0.55 m/s，加入20 g粒徑為1.8～2 mm的顆粒進行攜砂試驗，待沉積穩(wěn)定后測量此時管內探針安裝位置的腐蝕速率為2.789 nm/a，說明管內沒有發(fā)生腐蝕。

步驟4在步驟3的基礎上，調節(jié)流量為水相完全爬坡流速0.175 m/s，然后注入30 mL的蒸餾水進行攜水試驗，觀察水流經顆粒沉積區(qū)域時的流動狀態(tài)，同時監(jiān)測水流經顆粒沉積區(qū)域后的腐蝕速率，每隔1 h監(jiān)測1次。

當蒸餾水以水團的形式經過顆粒沉積區(qū)域后，觀察到有部分水吸附在已沉積區(qū)域顆粒上，未被攜帶出管路。管內腐蝕速率隨時間變化如圖10所示(注:圖中第1個點為步驟1中布砂前探針在柴油中監(jiān)測到的腐蝕速率；第2個點為步驟3 中布砂后探針監(jiān)測到的的腐蝕速率，之后的腐蝕速率都是在水相流經雜質顆粒沉積區(qū)域即步驟4后監(jiān)測得到)。

結果表明：①水相流經顆粒沉積區(qū)域后的腐蝕速率明顯大于攜水前的腐蝕速率，進一步證實了當水相經過已沉積顆粒區(qū)域時會有一部分水吸附在顆粒沉積團上，未被攜帶出管路；②腐蝕速率隨時間先增大，當增大到一定值后開始減小，最后腐蝕速率保持恒定值。

圖10 管內腐蝕速率隨時間變化曲線

3 結 語

研發(fā)了成品油攜水攜雜質及管內腐蝕監(jiān)測裝置。裝置的主要測試系統(tǒng)有沉積試驗起伏管段系統(tǒng)、雜質沉降回收系統(tǒng)和腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，主要測試手段包括觀察法、超聲波檢測法和腐蝕監(jiān)測法。

試驗裝置的測試管段創(chuàng)新性地使用上半1/3部分透明玻璃材質，下半2/3部分為鋼材質的管道結構，不僅避免了有機玻璃管管底粗糙度和管壁潤濕性與實際鋼管差異很大的缺點，而且上部分透明有機玻璃管的設置方便觀察管道中雜質的沉積運移過程。因此，試驗中利用觀察法結合超聲波檢測技術研究顆粒的沉積運移規(guī)律。同時試驗中利用交流阻抗腐蝕測試儀對管道雜質顆粒易沉積位置進行實時腐蝕監(jiān)測。結果表明，水容易在管道低洼處沉積，雜質顆粒易在管道的上傾-水平彎管的水平部分沉積，當水流經雜質顆粒沉積區(qū)域后有部分水會被攜留在沉積顆粒表面，從而造成此位置管底腐蝕并且腐蝕速率隨時間先增大，當增大到一定值后開始減小，最后腐蝕速率保持恒定值。

整套試驗裝置可以進行模擬起伏管路中成品油攜水、攜雜質多相流運動沉積狀態(tài)以及對積水、積雜造成的管內腐蝕進行監(jiān)測，從而為實際的成品油管道輸送提供有指導意義和參考價值的數(shù)據(jù)信息。

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Development of Monitoring System Carrying Impurity of Product Oil and Corrosion in Oil Pipeline

LIUGang1,HAOJialiang1,LUXingguo1,CHENLei1,SUIBing2

(1.Shandong Key Laboratory of Oil & Gas Storage and Transport Safety Engineering,Qingdao 266580,Shandong,China； 2.Sinopec Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Dongying 257000,Shandong,China)

This paper introduces the designation and establishment of the experimental system for oil-carrying-impurity detecting and corrosion in oil pipeline monitoring，and introduces the functions and testing measures of the system.Impurity movement and the deposition behavior in product oil pipeline are analyzed by the experimental system.The experimental system is mainly comprised of inclined section of the experimental pipeline,corrosion monitoring system and impurity deposition and recovery system.The major testing methods include observation method，ultrasonic detection method and corrosion monitoring method.Observation and ultrasonic detection methods are used to research impurity movement and deposition behavior.AC impedance corrosion tester is used to monitor the corrosion where impurity is deposited.According to the elementary experiment,water is easy to accumulate in some low spots of oil pipeline and impurity particles are easy to be deposited at the high point after the inclined section of the product oil pipeline.And the deposited impurity particles can capture water which leads to internal corrosion of the area in the product oil pipeline.

product oil pipeline； oil-carrying-impurity； critical velocities； ultrasonic detection； corrosion monitoring

2016-10-13

中國石油科技創(chuàng)新基金資助項目(2014D-5006-0604)；中國石油化工股份有限公司科研項目(314013)

劉 剛(1975-)，男，山東聊城人，博士，教授，博士生導師，現(xiàn)主要從事油氣長距離管道輸送技術和油氣集輸研究。

Tel.:15192668056；E-mail:liugang@upc.edu.cn

TE 832

：A

：1006-7167(2017)07-0059-05