熱油管道結(jié)蠟沖刷熱洗定量分析

聶超飛，穆云婷，程 磊，黃薇薇，衣桂影，宋婧澄，歐陽欣

1.國家管網(wǎng)北方管道管道科技研究中心，河北廊坊 065000

2.中油龍慧自動化工程有限公司，河北廊坊 065000

3.國家管網(wǎng)北方管道丹東輸油氣分公司，遼寧丹東 118000

4.國家管網(wǎng)北方管道廊坊輸油氣分公司，河北廊坊 065000

我國所產(chǎn)原油80%以上為含蠟原油，在管道輸送過程中靠近管壁處的原油溫度若降低至析蠟點(diǎn)以下，管壁附近溶解在原油中的蠟分子就會結(jié)晶析出，蠟沉積發(fā)生后將減小管道的有效流通面積，降低管道輸送能力，影響運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，甚至引發(fā)管道堵塞，嚴(yán)重威脅輸送管道的流動安全[1]。

管道結(jié)蠟后需要定期對結(jié)蠟層進(jìn)行清除以恢復(fù)輸送能力和保證安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，其中機(jī)械清管和大排量沖刷熱洗是清除結(jié)蠟層的兩種主要方式[2]。對于長期不清管的管道，只能選擇大排量沖刷熱洗。采用大排量沖刷熱洗方式時(shí)，如何合理選擇作業(yè)時(shí)的熱洗溫度、沖刷排量等關(guān)鍵參數(shù)，對于清蠟方案制定和最終清蠟效果具有重要意義。目前生產(chǎn)上只能根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來確定相關(guān)工藝參數(shù)，有一定的盲目性，一定程度上影響了管道的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此有必要研究溫度和剪切作用對于管壁結(jié)蠟層的影響，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供定量指導(dǎo)[3]。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

目前通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬流速、溫度等因素對原油在熱油管道中結(jié)蠟層強(qiáng)度的影響情況。根據(jù)設(shè)計(jì)原理不同，研究原油的結(jié)蠟層強(qiáng)度變化規(guī)律的裝置可以分為兩類：冷指型結(jié)蠟裝置、環(huán)道型結(jié)蠟裝置[4]。

基于上述實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合多年經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)了新型結(jié)蠟沖刷熱洗模擬裝置，如圖1所示，該裝置主要由樣品筒、蠟沉積筒、水浴、傳感器（扭矩、溫度、重量）等組成。

圖1 新型結(jié)蠟?zāi)M裝置

測試油樣盛于樣品桶內(nèi)，恒溫?zé)嵩〗o油樣加熱以保持恒定溫度。樣品桶由伺服電機(jī)通過電機(jī)傳送帶帶動旋轉(zhuǎn)，從而使油樣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場；冷浴通過結(jié)蠟筒內(nèi)部的蛇形盤管在結(jié)蠟筒內(nèi)部循環(huán)來保持結(jié)蠟筒壁面所要維持的溫度；將壁面溫度低于油樣析蠟點(diǎn)溫度的結(jié)蠟筒通過升降機(jī)構(gòu)浸入油樣中模擬管道壁面，進(jìn)行結(jié)蠟和沖刷熱洗實(shí)驗(yàn)。

利用該裝置，實(shí)驗(yàn)過程中通過扭矩傳感器，在主機(jī)終端可以將油流對結(jié)蠟筒蠟層的剪切作用實(shí)時(shí)顯示，通過自主設(shè)計(jì)的脫離式在線自動稱量機(jī)構(gòu)進(jìn)行任意階段的內(nèi)筒結(jié)蠟量的自動連續(xù)稱量，大大提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和效率。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了使本次的蠟沉積規(guī)律的結(jié)果更具有代表性、實(shí)用性，采用國內(nèi)比較常見的慶吉油作為實(shí)驗(yàn)油品。通過測試得到，油品凝點(diǎn)為34℃。通過DSC的測試可知，油品析蠟點(diǎn)為47℃。為保證蠟沉積和沖刷實(shí)驗(yàn)具有足夠的蠟沉積量，同時(shí)貼近熱油管道輸送實(shí)際情況，本次蠟沉積實(shí)驗(yàn)的溫度區(qū)間取在凝點(diǎn)和析蠟點(diǎn)之間，具體為設(shè)置外筒內(nèi)油溫為45℃，結(jié)蠟內(nèi)筒壁溫為35℃。

考慮到實(shí)際結(jié)蠟量和用油量，選取的裝置內(nèi)、外筒直徑分別為0.1、0.15 m，每次實(shí)驗(yàn)用油量為2 L。

考慮到本模擬裝置為首次采用，有必要進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)條件下多組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)果的重復(fù)性。為此設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證完全相同條件下內(nèi)筒壁各次結(jié)蠟量的差別。進(jìn)行了5次平行試

從圖2可以看出，在溫度、時(shí)間等實(shí)驗(yàn)條件完全相同的條件下，內(nèi)壁結(jié)蠟量和結(jié)蠟速率具有較好的重復(fù)性，因此該裝置能夠滿足本次實(shí)驗(yàn)的要求。

圖2 相同實(shí)驗(yàn)條件下內(nèi)筒壁各次蠟沉積量對比

為分別研究不同溫度和剪切作用對于內(nèi)壁已結(jié)蠟層的影響，具體實(shí)驗(yàn)方案如下：

（1） 將內(nèi)、外筒溫度分別控制在35、45℃，經(jīng)過24 h結(jié)蠟形成重復(fù)性較好的穩(wěn)定結(jié)蠟層。

（2）在上述結(jié)蠟基礎(chǔ)上，根據(jù)大多數(shù)熱油管道的實(shí)際運(yùn)行情況，確定熱洗模擬過程油溫分別為45、49、51、53℃；根據(jù)理論計(jì)算（實(shí)際管道流量、剪切速率和裝置轉(zhuǎn)速三者關(guān)系），確定模擬裝置外筒轉(zhuǎn)速為10、40、70、90、130 rad/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將結(jié)蠟后不同溫度、不同轉(zhuǎn)速條件下不同時(shí)間的內(nèi)筒結(jié)蠟量變化情況進(jìn)行整理，見圖3。

從圖3可知，相同時(shí)間內(nèi)，隨著油溫升高內(nèi)筒結(jié)蠟量減少得越多，隨著轉(zhuǎn)速升高內(nèi)筒結(jié)蠟量減少得越多，即在實(shí)驗(yàn)條件下，油溫和剪切作用兩個(gè)因素對熱油管道結(jié)蠟層影響明顯。同時(shí)，隨著時(shí)間增加，開始階段結(jié)蠟量減少較快，后期趨于穩(wěn)定。

圖3 不同油溫、不同轉(zhuǎn)速情況下內(nèi)筒結(jié)蠟量變化

2.2 沖刷熱洗公式擬合

通過結(jié)蠟層變化和油溫、剪切作用之間的相互變化關(guān)系，構(gòu)建沖刷熱洗定量數(shù)學(xué)關(guān)系模型以直觀反映結(jié)蠟層變化規(guī)律，即可用來預(yù)測實(shí)際管道在沖刷熱洗過程中的結(jié)蠟層變化情況、壓降減小情況等，進(jìn)而可指導(dǎo)現(xiàn)場原油管道沖刷熱洗方案的制定和優(yōu)化。

根據(jù)流體力學(xué)和熱力學(xué)理論，油品對蠟沉積層的沖刷作用與油品種類、油流溫度和剪切應(yīng)力有關(guān)[5]，其關(guān)系式可表示為：

式中：We為沖刷速率，mm/h；K1為沖刷系數(shù)，與油品種類等有關(guān)；τw為蠟層表面處油流剪切應(yīng)力，Pa；T為油流溫度，℃；a和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

基于通用全局優(yōu)化算法，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用1stOpt軟件擬合蠟層沖刷熱洗參數(shù)：

2.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證

東北某管道常年采用熱洗工藝，且所輸油品和運(yùn)行數(shù)據(jù)與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。因此，使用新建沖刷模型對該管道熱洗時(shí)結(jié)蠟層的沖刷速率、熱洗后的站間壓降下降值進(jìn)行預(yù)測。

選取了該管道第一個(gè)站間的3種提溫提量的熱洗工況進(jìn)行預(yù)測和誤差分析，3次熱洗依次在2019年1月、4月和10月進(jìn)行，覆蓋了對不同季節(jié)、不同熱洗流量、不同熱洗溫度、不同有效管道內(nèi)徑情況下的熱洗效果模型預(yù)測，并和3個(gè)工況下的實(shí)際熱洗效果進(jìn)行了對比和誤差計(jì)算。

實(shí)際沖刷熱洗的壓降變化和模型計(jì)算的壓降變化對比見表1。

表1 模型計(jì)算的壓降變化和實(shí)際沖刷熱洗的壓降變化對比

由表1可知，通過對3種計(jì)算工況和實(shí)際工況的對比可知，對于該管道來說，壓降的最大誤差為9.75%，最小誤差為7%，平均誤差為8.4%，滿足工程應(yīng)用要求。

3 結(jié)論

通過自主研發(fā)的新型結(jié)蠟裝置進(jìn)行了不同條件下的沖刷熱洗實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了基于通用全局優(yōu)化法的熱油管道沖刷熱洗模型，并通過和實(shí)際管道的對比可知，預(yù)測的壓降變化值平均誤差為8.4%，工程上可比較準(zhǔn)確地預(yù)測管道兩個(gè)站間提溫提量、時(shí)間等因素對管道內(nèi)壁結(jié)蠟層變化的影響情況，可為現(xiàn)場制定原油輸送管道熱洗方案的提供有效指導(dǎo)和參考。