李立波 曹雷

中油管道檢測技術(shù)有限責任公司

 

摘要：結(jié)合“三高”原油物性和管道運行參數(shù)分析管道內(nèi)部結(jié)蠟規(guī)律，針對結(jié)蠟厚度情況研究清管作業(yè)策略，指導實施清管作業(yè)。安全清出了管道內(nèi)的積蠟，提高了輸送效率，消除了管道運行風險。該方法可為相關清管作業(yè)提供參考。

關鍵詞：原油管道；“三高”原油；結(jié)蠟規(guī)律；清管策略

 

輸送高凝點、高黏度、高含蠟介質(zhì)的“三高”原油管道，內(nèi)壁容易產(chǎn)生結(jié)蠟形成厚度不一的結(jié)蠟層，降低運輸效率，影響管道運行安全。某“三高”原油管道管徑323.9 mm，運行期間未開展過常規(guī)清管作業(yè)，管道內(nèi)部結(jié)蠟嚴重，輸送效率由140 m3/h下降至90 m3/h，通過對其結(jié)蠟規(guī)律進行深入研究，針對性制定清管策略收到了較好效果。

1  結(jié)蠟規(guī)律分析

1.1  原油物性分析

該原油來自A、B區(qū)塊，原油凝點分別為37℃、21℃，含蠟量分別為22.3%、8.7%，混合加熱后輸送。混合后的原油含蠟量和析蠟溫度如表 1所示。

表 1 混合原油含蠟量和析蠟點

隨著A區(qū)塊原油比例增加，混合原油的含蠟量逐漸增加，析蠟點、析蠟高峰溫度都逐漸升高。

通過試驗分析，混合原油從析蠟點到25℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度降低析蠟量快速增加，管道在此溫度區(qū)間蠟沉積嚴重。

1.2  管道輸送溫度與地溫

原油在首站加熱至65℃進行輸送，運行期間中間各站加熱爐根據(jù)原油物性選擇性開啟。原油進站溫度統(tǒng)計如圖 1所示。

圖 1 各站原油進站溫度

從圖中可以看出，原油在抵達1號站時進站溫度已經(jīng)降至35℃左右，在后續(xù)站間輸送時原油溫度下降幅度不大，基本維持在30℃～35℃之間。

管道所在區(qū)域地溫全年維持在26℃以上，其中12月至次年4月溫度偏低，其他月份均在30℃以上，如圖 2所示。

圖 2 管道地溫趨勢圖

（1）進站油溫。隨著進站溫度的升高，管道沿線油溫升高，油壁溫差增加導致蠟沉積速率增大。當原油溫度降至一定溫度時，原油的析蠟量大量增加導致站間管道下游管段的蠟沉積速率加快。因為原油剛出站時溫度較高，還沒有蠟晶析出或析蠟量很小，油溫降至蠟沉積速率峰值溫度的位置更靠近下游，隨后油壁溫差的影響開始占據(jù)主導地位，蠟沉積速率隨油壁溫差的減小逐漸降低。

（2）地溫。隨著地溫升高，原油在流動中的散熱減少，在進站溫度相同的情況下各站所需出站溫度降低，導致管道沿線油溫降低。同時隨著地溫的升高，管道沿線蠟沉積速率減小，蠟沉積速率的峰值減小且出現(xiàn)位置向管道上游移動。蠟沉積速率還受原油與管壁之間溫差的影響。雖然地溫升高，管道沿線油溫降低，造成原油中析出的蠟量增加；但原油與管壁的溫差減小，蠟分子擴散的驅(qū)動力下降，析出的蠟晶顆粒中能沉積在管壁上的比例減少。

當?shù)販剌^低時，原油剛出站時溫度在析蠟點以上，此時無蠟晶析出；隨著原油溫度的降低，蠟晶析出量逐漸增加且此時油壁溫差較大，析出的蠟晶中能夠沉積在管壁上的比例較大，導致蠟沉積速率逐漸升高；隨后油壁溫差的影響占據(jù)主導地位，雖然原油溫度更低，但油壁溫差的降低導致蠟晶沉積率的減小，蠟沉積速率在達到峰值之后沿管線逐漸降低。

當?shù)販剌^高時，原油出站溫度較低，開始就有蠟沉積形成，但由于油壁溫差較小，故沿線蠟沉積速率較小且逐漸降低。地溫越高，油溫降至蠟沉積速率峰值溫度的位置越靠近上游，且此處油壁溫差隨地溫的升高而減小，故蠟沉積速率的峰值向管道上游移動且逐漸減小。

1.3  原油流量

管道流量越高，蠟沉積速率逐漸減小。這是由于隨著流量的增加油壁溫差減小，蠟分子擴散的驅(qū)動力下降，導致蠟沉積速率減小。與下游管道相比，每個站間管道上游的油壁溫差更大，所以蠟沉積速率較大，靠近上游管道的結(jié)蠟越明顯。

2  管道結(jié)蠟厚度分布

2.1  結(jié)蠟厚度計算

采用管道平均結(jié)蠟厚度摩阻和管道沿線累積沿程摩阻相結(jié)合的方法進行管道沿線結(jié)蠟計算。

采用達西公式計算管道摩阻，即：

水力摩阻系數(shù)λ是雷諾數(shù)Re和管壁相對當量粗糙度的函數(shù)，隨流態(tài)的不同而不同。對于牛頓流體，流體在管路中的流態(tài)按雷諾數(shù)來劃分，在不同的流態(tài)區(qū)，水力摩阻系數(shù)與雷諾數(shù)及管壁粗糙度的關系不同，長距離原油管道一般運行在紊流態(tài)水力光滑區(qū)，常用式（2），這樣就可以根據(jù)一個站間沿程摩阻計算平均結(jié)蠟厚度。

結(jié)合管道摩阻，通過當量直徑反算法確定管道內(nèi)結(jié)蠟層平均厚度，結(jié)蠟計算核心公式為：

其中Q為原油輸量，m3/h；υ為原油黏度，Pa·s；d為管道有效內(nèi)徑，mm；δ為管道內(nèi)平均結(jié)蠟厚度，mm；ι為壓力測量間距，m。

2.2  管道沿線結(jié)蠟厚度分布

根據(jù)現(xiàn)場原油物性和運行工況，對一年期間的數(shù)據(jù)進行分析，通過結(jié)蠟厚度計算公式，得出管道各個站間段內(nèi)部結(jié)蠟厚度分布情況，如圖 3所示。

從圖 3可以看出，管道沿線均有蠟的沉積物且分布不均，蠟層厚度在出站20 km～30 km的中間管段達到峰值，最厚為20 mm左右，隨著距離的增加，結(jié)蠟厚度逐漸變薄。

3  制定清管策略

由于管道已經(jīng)形成較為嚴重的結(jié)蠟層，需重新設計制作適用于該管道的清管器。根據(jù)清管作業(yè)不同階段分別采用泡沫清管器和機械清管器，通過結(jié)蠟厚度計算和現(xiàn)場清管效果綜合分析，確定清管器最佳尺寸和型式。

3.1  清管器尺寸

考慮到管道內(nèi)部結(jié)蠟厚度較厚，清管時單次刮削下來的積蠟不宜過多，清管器直徑過大會造成單次清出大量積蠟引起蠟堵的風險。通過結(jié)蠟厚度計算結(jié)果，反算出可以采用的清管器直徑，控制每次清出的積蠟量。公式如下：

其中，當量直徑為

清管工作前期，使用的泡沫清管器直徑取決于管線的管徑D、壁厚B、結(jié)垢厚度δ，通過經(jīng)驗公式計算得出：

3.2  清管器選型

選取泡沫清管器進行清管作業(yè)，優(yōu)點是一旦出現(xiàn)卡堵，清管器較容易被打碎，油流可沖散蠟柱而自行解堵。針對管道已經(jīng)處于厚結(jié)蠟、高風險運行狀態(tài)，從240 mm～320 mm共制作了等級直徑差為5 mm 的17種不同直徑泡沫清管器供現(xiàn)場選擇使用，達到既能清管又確保安全的目的。

3.3  應用效果分析

管道清管前站間壓差由投產(chǎn)時的0.90 MPa增高至2.75 MPa，理論計算結(jié)蠟厚度達40 mm，嚴重影響輸送安全和輸送效率。通過發(fā)送 17次泡沫清管器，降壓效果明顯。作業(yè)過程中沒有引起大面積的結(jié)蠟脫落，清管期間站間壓差波動幅值控制在0.1 MPa以內(nèi)，累計收出結(jié)蠟約1300 kg。清管作業(yè)期間管道理論結(jié)蠟厚度和壓差變化分別如圖 4和圖 5所示。

圖 4 管道理論結(jié)蠟厚度變化

圖 5 站間壓差變化

4  結(jié)論

“三高”原油管道結(jié)蠟規(guī)律分析為制定清管策略提供了理論支持�，F(xiàn)場清管作業(yè)效果顯著，清管過程安全穩(wěn)妥，消除了管道安全運行威脅，提高了管道輸送效率。通過現(xiàn)階段泡沫球清管作業(yè)，管道清潔度和輸送效率得到了提升，但是遠未達到管道內(nèi)檢測清潔度要求。針對管道內(nèi)部頑固結(jié)蠟，現(xiàn)有機械清管器適用性不強，清管作業(yè)過程中容易造成蠟堵。下一步將繼續(xù)結(jié)合管道結(jié)蠟規(guī)律制定深度清管計劃，徹底消除結(jié)蠟對管道安全運行造成的危害。

 

作者簡介：李立波，1988年生，工程師，碩士畢業(yè)于西安石油大學，項目經(jīng)理，現(xiàn)從事管道檢測工作。聯(lián)系方式：15100632473，jc_lilibo@cnpc.com.cn 。