裸露管线停输影响因素分析

赵燕辉，吴 明，刘 杰，张国军，杜义朋，于丽丽

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

我国各大油田生产的原油中高粘、高含蜡、易凝原油占有较大的比重。针对 “三高”原油流动性差的特性，目前主要采用加热输送工艺。原油管道停输是输油管道运行中常见的现象，管道在维护检修和发生事故时，不可避免地要停输。停输后，管内原油会向周围散热，油温不断下降，原油粘度随之增大，若时间控制不当就可能会发生凝管事故[1]。裸露管段由于没有土壤的保温作用，较之埋地管道温降速度快，成为确定安全停输时间和再启动方案的关键。裸露管段通常成为停输过程中的“卡脖子”段[2]。可见，研究裸露管道的停输温降规律对确定安全停输时间和再启动方案意义重大。

目前，国内的研究工作者主要是针对埋地管道[3-5]的温降过程进行分析和计算。在裸露管道停输温降研究方面，刘勇峰[6]研究了环境温度变化对裸露管道停输温降的影响，李晋[7]使用有限差分法得到了裸露管线温降规律的数值解，卢涛[8]建立了架空原油管线温降的模型。本文在目前已有研究成果的基础上，考虑相变潜热，改变影响停输温降的各种因素（停输起始油温、环境温度、管径、结蜡层厚度、保温层厚度等），利用CFD软件对停输过程进行数值模拟，得到了对应的安全停输时间。

1 问题描述

本文参考某条原油管道的裸露管段，该管道全长74.51 km，裸露段长185.8 m，管道外径720 mm管壁厚度10 mm，导热系数48 W/(m·K)，结蜡层厚度15 mm，导热系数2.5 W/(m·K)，保温层厚度为40 mm，导热系数 0.04 W/(m·K)，原油密度 870 kg/m3，比热 2 250 J/(kg·K)，导热系数 0.16 W/(m·K)，原油凝固点为305.15 K，停输前油温为345 K，环境温度为263.15 K。改变其中任意一种影响因素，对其停输温降过程进行模拟分析。

2 模型简化

裸露管道停输温降过程是一个非稳态传热过程，过程中的热量来源于存油、结蜡层和钢管。热量首先以对流传热方式由原油传到凝油层，再以导热方式传到管壁，最后再以对流换热方式传到大气。停输过程中，轴向温降远小于径向温降，可将三维传热问题简化为二维传热问题，并假设原油物性不发生变化。综合考虑以上因素，建立裸露管道的非稳态传热模型。图1为裸露原油管道横截面示意图。

图1 裸露管道截面图Fig.1 Bare pipeline sectional view

该数学模型中，二维常物性非稳态导热的微分方程式为：

式中: t —温度，℃；

a—导温系数；

τ—时间，s。

3 数值模拟及结果分析

裸露管道在正常运行过程中形成了稳定的温度场，停输开始那一刻可假设原油温度分布均匀，但需要对保温层、管道及结蜡层的温度分布进行稳态计算，然后再将得到的结果作为初始条件进行非稳态计算。图2为停输40 h后的管内温度分布情况，由图可知，原油温度沿径向逐渐降低，靠近结蜡层处最低。

图3为管内油流区不同位置处的停输温降曲线。由图可以看出，油流区中心处的温降速度较慢，而靠近结蜡层处，在停输开始的一段时间内温降速度较快，后来逐渐变慢，这两处的温差随着停输时间的延长越来越小，造成该变化的原因是保温层对这两处的影响不同，离保温层越远处受到的保温影响就越小，温降就会越小。

图2 停输40 h后管内温度分布Fig.2 Tube temperature distribution after 40 hours

图3 油流区不同位置处温降曲线图Fig.3 Temperature drop curve of different place in oil flow area

裸露管道停输过程中，随着热量的持续传递管内各处温度不断降低。当停输88 h后，管内油流区的最高温度为325.30 K，最低温度为293.03 K，平均温度为308.40 K。当停输89 h后，油流区的最高温度为324.93 K，最低温度为292.81 K，平均温度为308.09 K。原油管道运行技术规范中规定管内最低进站油温应在原油凝固点3 ℃以上，由此可知，该条件下安全停输时间为88 h。

图4 初始油温对停输温降的影响Fig.4 Influence of initial oil temperature on shutdown temperature drop

图4为不同停输起始温度条件下的原油平均温度变化曲线，停输起始温度为325 K、335 K和345 K时所对应的安全停输时间分别为47 h、69 h和88 h，起始温度从325 K升到335 K和从335 K升到345 K，安全停输时间分别增加了22 h和19 h，由次可见，高的起始温度可以延长安全停输时间。

图5为其他条件不变，仅改变环境温度时的原油平均温度变化曲线，环境温度越高，原油温降速度就越慢，同一停输时刻的原油温度越高。环境温度为263.15 K、273.15 K和283.15 K时所对应的安全停输时间分别为88 h、106 h和134 h，即环境温度每增大10 K对应的安全停输时间分别延长18 h和28 h。

图5 环境温度对停输温降的影响Fig.5 Influence of environment temperature on shutdown temperature drop

图6为三种不同管径条件下的原油平均温度变化情况，由图可知，在停输过程中大管径管道的温降曲线坡度较缓，管径越小，温降曲线坡度越陡，安全停输时间越短，这是由于管径小时管内原油含量少，则热量也少。三种管径对应的安全停输时间分别为37 h、58 h和88 h，即管径增大到2倍时安全停输时间可以延长到2.4倍。

图6 管径对停输温降的影响Fig.6 Influence of pipe diameter on shutdown temperature drop

图7为结蜡层厚度不同时管内原油平均温度变化曲线。管道开始停输一段时间内，同一停输时刻，结蜡层厚的管内原油平均温度高，这是由于结蜡层对原油有保温作用，结蜡层越厚保温效果就越好，此时结蜡层的保温作用占主导地位；然而当停输进行到某一时刻之后，结蜡层越厚管内原油平均温度反而越低，这是由于结蜡层厚的管内原油的热量低，此时原油的热量占主导地位。结蜡层厚度为5 mm、15 mm和30 mm时对应的安全停输时间分别为89 h、88 h和87 h。

图7 结蜡层厚度对停输温降的影响Fig.7 Influence of wax layer thickness on shutdown temperature drop

图8为保温层厚度不同时管内原油平均温度变化曲线，随着保温层厚度的增大，同一停输时刻管内原油的平均温度升高，并且温差减小。保温层厚度为20 mm、30 mm和40 mm所对应的安全停输时间分别为58 h、73 h和88 h，保温层厚度从20 mm增大到30 mm和从30 mm增大到40 mm，安全停输时间分别增加了15 h，所以增大保温层厚度可以延长安全停输时间。

图8 保温层厚度对停输温降的影响Fig.8 Influence of thermal insulation layer thickness on shutdown temperature drop

4 结 论

裸露管道停输温降过程受多种因素影响，通过改变各种因素进行数值模拟，绘制了相应条件下的温降变化曲线图，得出了对应的安全停输时间。结果表明：提高停输起始油温可延长停输时间，但需要综合考虑热能和动力消耗等因素；环境温度越高，管道温降速度越慢，安全停输时间越长；管径越大，管内原油的热量越高，停输持续时间越长；结蜡层对停输温降的影响很小，且随着其厚度的增加管道停输时间略有缩短；保温层越厚，对管道的保温效果越好，单位时间内管道散失的热量越少。

［1］B.M.阿卡帕金.原油和油品管道的热力与水力计算[M].罗塘湖，译.北京：石油工业出版社，1986：11.

［2］齐晗兵.海底输油管道安全停输实验[J].油气田地面工程，2007，26(6)：18－19.

［3］吴琦，陈保东，饶心，等.同沟敷设中热油管道停输过程模拟分析[J].油气田地面工程，2011，30(3)：22－24.

［4］崔秀国，张立新，姜保良，等.热油管道停输再启动特性的环道模拟试验研究[J].油气储运，2009，28(1)：27－29.

［5］杜明俊，马贵阳，陈笑寒.冻土区理地热油管道停输温降数值模拟[J].天然气与石油，2010，28(4)：54－57.

［6］刘勇峰，吴明，张宏涛，等.裸露管线停输温降规律数值模拟[J].天然气与石油，2011，29(5)：18－20.

［7］李晋，王平，王洪霞，等.裸露管线温降规律研究[J].石油化工高等学校学报，2009，22(1)：73－75.

［8］卢涛，孙军生，姜培学.架空原油管道停输期间温降及原油凝固界面推进[J].石油化工高等学校学报，2005，18(4)：54－57.