磁场作用对管道蜡沉积的影响研究

施 雯，李永雄，许观娇

（1.广东石油化工学院 石油工程学院，广东 茂名 525000；2. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

针对原油管输过程中遇到的蜡沉积问题，最常用的是加热防蜡法；但该法耗能极大，在现场应用中也会受到使用条件、环境条件以及其他因素的限制.近年来，磁场防蜡技术不断创新，在原油生产和运输过程中的防蜡降黏方面的效果明显，得到更加广泛的应用［1］.目前国内外对管道输送蜡沉积研究较多，但对高压低温环境下的蜡沉积规律与机理研究相对较少，有关磁场作用下的蜡沉积研究则更少［2］. Tung 等 ［3］通过对比越南原油磁化前后沉积蜡中的碳数分布，发现低碳数比例有所增加；研究表明磁场作用不但能减少沉积量，而且会使蜡沉积变软，更利于清蜡. Zhang 等［4-5］开展了含蜡模拟油室内环道实验，研究表明磁场处理后，管道压降与蜡沉积量均有所减小；在大庆原油集输管道现场实验研究中，实现了在低温环境下高含蜡油的磁化输送.以上研究均为实验研究，没有结合对磁场作用下的蜡沉积模型对磁化输送防蜡机理进行研究.笔者以某一海底管道为例，利用OLGA 软件对不同输送条件下的管道蜡沉积规律进行模拟分析；基于蜡沉积动力学模型，考虑磁场因素，推导出磁处理油液中的蜡沉积速率计算公式；结合热力学相平衡模型，分析原油磁化输送蜡沉积机理.

1 管道蜡沉积模拟研究

1.1 算例条件

取一条长8 000 m，170 mm×10 mm 的海底管道为算例.该管道中所输送原油含蜡量为20.95%，析蜡点为50℃，凝点为34℃［6］.管道系统参数：壁面粗糙度为0.03 mm，钢材的密度7 840 kg/m3，比热容为500 J/（kg·K），导热率为50 W/（m·K）；环境温度为4 ℃.管道入口质量流量为17.51 kg/s.

1.2 结果与分析

（1）设定管道入口温度为60 ℃，利用OLGA 软件分别模拟原油管道运行1～7 天的蜡沉积规律，结果见图1.

图1 蜡沉积厚度在管道内不同位置的变化分布

从图1 可以看出，在管道中间一定温度范围内，明显表现出一个蜡沉积层厚度的高峰区域，而这个区域以后的管段蜡沉积层厚度，会逐渐下降直至消失.蜡沉积层厚度呈现出两头薄中间厚的现象.在管道入口处的油流温度较高，因此在油流温度较高的区域，蜡沉积的厚度较薄；在距入口753 m 处蜡沉积层的厚度达到最大值.在往后的区域，由于油的流动温度和管壁处的温度差在不断减小，可以看出蜡的沉积层厚度在慢慢减小，在蜡沉积过程中作为主导因素的分子扩散已失去作用［7］.

（2）分别设定入口油温为30、40、50、60、70 ℃，管道蜡沉积分布见图2.

图2 不同温度下管道内蜡沉积的变化情况

入口油流温度不同，蜡沉积厚度差别极大，其中70℃与60℃油温蜡沉积最大厚度相差1.41 mm.入口油温60℃至30℃的变化不大.这主要由于分子扩散是含蜡原油蜡沉积的主要机制之一，该机制的驱动是由管道中心与管壁处的温差造成的浓度梯度引起的.温度梯度的变化导致蜡沉积厚度发生巨大变化［8］.

影响蜡沉积厚度的主要因素是温度，管道中心与管壁的温差增大会使管壁的蜡沉积量增大.引起这个现象的原因是油壁温差的提高使蜡分子在径向的浓度梯度变大，此时分子扩散作用增强.从沿管道里程不同的原油管壁处蜡沉积的厚度的曲线可以看到，在图像中存在一个管道厚度最大的区域，此区域内的蜡沉积速率较大.而当原油的温度不在蜡的沉积的高峰区域时，蜡沉积量较小.在管道中几乎不结蜡的情况有两种，一种是油流在管壁处的温度高于析蜡点时，第二种是油流在管壁处的温度低于凝点时［9］.这就解释了为什么整条管道内蜡沉积的位置集中在前半段，后半段几乎没有蜡沉积.当油流温度低于凝点时，油流温度越低，黏度越大；此时油流中的蜡分子析出量很大，导致在油流中处于过饱和状态，从而失去在油流中的扩散能力，因此该情况下无法在管壁处形成蜡沉积.原油中形成具有一定结构强度的凝胶结构从而使原油逐渐失去流动性，并在输油管道内壁上发生蜡沉积［10］.原油流动性的降低促进了蜡沉积的发生，导致油流流动性降低的原因是蜡晶颗粒在油流中形成了空间网状结构.

根据管道蜡沉积规律，考虑磁场影响，推导磁场作用下的蜡沉积速率计算公式.

2 磁场中蜡沉积模型研究

2.1 磁场动力学模型推导

基于Fick 扩散定律的表达导出蜡分子的沉积速率：

f 值取决于多种条件，在实验条件产生改变时，如油流剪切力、径向温度梯度和管壁的粗糙程度发生改变的时候，蜡沉积层的强度也会产生改变，所以不同条件下的蜡沉积层的蜡含量是不一样的， f 值在这种情况下也是不一样的.对于不同组分的油品，实验条件不同的情况下，假设ρL为常数，B 近似为常数.

在原油输送过程中，如果管道壁面的温度和原油温度降低，则会导致原油中蜡分子的溶解度降低.因此，原油中蜡分子的溶解度变化情况可以通过常见的经验公式表示：

式中 am，bm——无量纲常数，由实验测得.

另外，磁场作用的防蜡效果和原油中石蜡与胶质沥青质的比例也有密切联系［13］.

2.2 热力学相平衡模型分析

该模型中，磁场通过组分的体积磁化率和磁导率来影响组分的逸度，从而影响分子的沉积趋势.采用该模型预测了恒定磁场下3 种纯蜡混合物（C10～C30）的析蜡点和析蜡量［14］，计算结果见表1、2.随着磁场强度的增加，3 种样品的析蜡点和析蜡量都随之上升.由此可见，磁场作用增加了蜡晶形成的可能性.但对于管流状态，沿管壁析出的蜡晶要形成稳定的网状结构才会形成蜡沉积.因此用该热力学模型并不能完全描述磁化油流的蜡沉积.

表1 磁场强度对析蜡点的影响（压强 105Pa）

表2 磁场强度对析蜡量的影响（温度275 K，压强 105Pa）

3 原油磁化输送蜡沉积机理

对于管输原油，由于油流中的分子自发热运动的影响，蜡分子会发生无规则运动和无序的排列方式.同时有很多因素会影响油流在管道中的流动方式，比如有原油黏度的影响和管壁摩阻的影响，这些影响因素的存在使得油流在管壁处的流动速度明显低于油流在管道中心处的流动速度.这样的流速情况为无序分子产生了相对较大的力矩，随着油流在管道中流动时间的推移，管壁处的蜡沉积层越来越厚，甚至会最终阻塞原油的流动.这种现象的发生会严重地降低原油输送的效率.通过热力学相平衡模型可知，磁场作用会促进蜡晶的形核过程，使蜡分子在原本无法形核的条件下聚集成核；磁场还可以提高蜡的形核速率，原油内部将会生成更多的蜡核.根据蜡沉积动力模型的预测，在其他条件不改变的情况下，原油悬浮液中的析蜡量保持不变，蜡核的增多必然会减小蜡晶的颗粒尺寸［12］.磁场作用使得蜡晶不会在某一温度区间内大量析出，且析出的细小蜡晶易被油流冲走，不会在管壁迅速形成蜡晶网状结构，从而达到防止蜡沉积堵塞管道的效果.

4 结论

（1）在管道输送过程中的一定温度范围内，会明显表现出一个蜡沉积层厚度的高峰区域.而磁场对蜡晶的析出有促进作用，促使蜡核加速形成；在该温度范围内，油流中析出细小蜡晶，不会在管壁形成蜡沉积层.

（2）磁场动力学模型基于Fick 扩散定律，考虑管输原油中蜡分子溶解度的经验公式，并引入磁处理影响因子G推导得出，可以描述原油磁化输送蜡沉积问题.而相平衡热力学模型并不能完全描述原油管流问题，可以添加微观层面分子间作用力与磁场对蜡分子取向作用关系的判别式等，进一步完善.