热油管道结蜡冲刷热洗定量分析

聂超飞，穆云婷，程 磊，黄薇薇，衣桂影，宋婧澄，欧阳欣

1.国家管网北方管道管道科技研究中心，河北廊坊 065000

2.中油龙慧自动化工程有限公司，河北廊坊 065000

3.国家管网北方管道丹东输油气分公司，辽宁丹东 118000

4.国家管网北方管道廊坊输油气分公司，河北廊坊 065000

我国所产原油80%以上为含蜡原油，在管道输送过程中靠近管壁处的原油温度若降低至析蜡点以下，管壁附近溶解在原油中的蜡分子就会结晶析出，蜡沉积发生后将减小管道的有效流通面积，降低管道输送能力，影响运输系统的运行能耗，甚至引发管道堵塞，严重威胁输送管道的流动安全[1]。

管道结蜡后需要定期对结蜡层进行清除以恢复输送能力和保证安全经济运行，其中机械清管和大排量冲刷热洗是清除结蜡层的两种主要方式[2]。对于长期不清管的管道，只能选择大排量冲刷热洗。采用大排量冲刷热洗方式时，如何合理选择作业时的热洗温度、冲刷排量等关键参数，对于清蜡方案制定和最终清蜡效果具有重要意义。目前生产上只能根据运行经验来确定相关工艺参数，有一定的盲目性，一定程度上影响了管道的安全经济运行，因此有必要研究温度和剪切作用对于管壁结蜡层的影响，为现场生产提供定量指导[3]。

1 实验过程

1.1 实验装置

目前通过相应的实验装置可以模拟流速、温度等因素对原油在热油管道中结蜡层强度的影响情况。根据设计原理不同，研究原油的结蜡层强度变化规律的装置可以分为两类：冷指型结蜡装置、环道型结蜡装置[4]。

基于上述实验装置的优缺点，结合多年经验，自主研发了新型结蜡冲刷热洗模拟装置，如图1所示，该装置主要由样品筒、蜡沉积筒、水浴、传感器（扭矩、温度、重量）等组成。

图1 新型结蜡模拟装置

测试油样盛于样品桶内，恒温热浴给油样加热以保持恒定温度。样品桶由伺服电机通过电机传送带带动旋转，从而使油样产生旋转流场；冷浴通过结蜡筒内部的蛇形盘管在结蜡筒内部循环来保持结蜡筒壁面所要维持的温度；将壁面温度低于油样析蜡点温度的结蜡筒通过升降机构浸入油样中模拟管道壁面，进行结蜡和冲刷热洗实验。

利用该装置，实验过程中通过扭矩传感器，在主机终端可以将油流对结蜡筒蜡层的剪切作用实时显示，通过自主设计的脱离式在线自动称量机构进行任意阶段的内筒结蜡量的自动连续称量，大大提高了实验的准确度和效率。

1.2 实验方案

为了使本次的蜡沉积规律的结果更具有代表性、实用性，采用国内比较常见的庆吉油作为实验油品。通过测试得到，油品凝点为34℃。通过DSC的测试可知，油品析蜡点为47℃。为保证蜡沉积和冲刷实验具有足够的蜡沉积量，同时贴近热油管道输送实际情况，本次蜡沉积实验的温度区间取在凝点和析蜡点之间，具体为设置外筒内油温为45℃，结蜡内筒壁温为35℃。

考虑到实际结蜡量和用油量，选取的装置内、外筒直径分别为0.1、0.15 m，每次实验用油量为2 L。

考虑到本模拟装置为首次采用，有必要进行相同实验条件下多组重复性实验，验证该实验装置结果的重复性。为此设计相关实验来验证完全相同条件下内筒壁各次结蜡量的差别。进行了5次平行试

从图2可以看出，在温度、时间等实验条件完全相同的条件下，内壁结蜡量和结蜡速率具有较好的重复性，因此该装置能够满足本次实验的要求。

图2 相同实验条件下内筒壁各次蜡沉积量对比

为分别研究不同温度和剪切作用对于内壁已结蜡层的影响，具体实验方案如下：

（1） 将内、外筒温度分别控制在35、45℃，经过24 h结蜡形成重复性较好的稳定结蜡层。

（2）在上述结蜡基础上，根据大多数热油管道的实际运行情况，确定热洗模拟过程油温分别为45、49、51、53℃；根据理论计算（实际管道流量、剪切速率和装置转速三者关系），确定模拟装置外筒转速为10、40、70、90、130 rad/min。

2 实验结果分析

2.1 实验结果

将结蜡后不同温度、不同转速条件下不同时间的内筒结蜡量变化情况进行整理，见图3。

从图3可知，相同时间内，随着油温升高内筒结蜡量减少得越多，随着转速升高内筒结蜡量减少得越多，即在实验条件下，油温和剪切作用两个因素对热油管道结蜡层影响明显。同时，随着时间增加，开始阶段结蜡量减少较快，后期趋于稳定。

图3 不同油温、不同转速情况下内筒结蜡量变化

2.2 冲刷热洗公式拟合

通过结蜡层变化和油温、剪切作用之间的相互变化关系，构建冲刷热洗定量数学关系模型以直观反映结蜡层变化规律，即可用来预测实际管道在冲刷热洗过程中的结蜡层变化情况、压降减小情况等，进而可指导现场原油管道冲刷热洗方案的制定和优化。

根据流体力学和热力学理论，油品对蜡沉积层的冲刷作用与油品种类、油流温度和剪切应力有关[5]，其关系式可表示为：

式中：We为冲刷速率，mm/h；K1为冲刷系数，与油品种类等有关；τw为蜡层表面处油流剪切应力，Pa；T为油流温度，℃；a和b为经验系数。

基于通用全局优化算法，在现有实验数据基础上，利用1stOpt软件拟合蜡层冲刷热洗参数：

2.3 现场数据验证

东北某管道常年采用热洗工艺，且所输油品和运行数据与前述实验结果相吻合。因此，使用新建冲刷模型对该管道热洗时结蜡层的冲刷速率、热洗后的站间压降下降值进行预测。

选取了该管道第一个站间的3种提温提量的热洗工况进行预测和误差分析，3次热洗依次在2019年1月、4月和10月进行，覆盖了对不同季节、不同热洗流量、不同热洗温度、不同有效管道内径情况下的热洗效果模型预测，并和3个工况下的实际热洗效果进行了对比和误差计算。

实际冲刷热洗的压降变化和模型计算的压降变化对比见表1。

表1 模型计算的压降变化和实际冲刷热洗的压降变化对比

由表1可知，通过对3种计算工况和实际工况的对比可知，对于该管道来说，压降的最大误差为9.75%，最小误差为7%，平均误差为8.4%，满足工程应用要求。

3 结论

通过自主研发的新型结蜡装置进行了不同条件下的冲刷热洗实验，构建了基于通用全局优化法的热油管道冲刷热洗模型，并通过和实际管道的对比可知，预测的压降变化值平均误差为8.4%，工程上可比较准确地预测管道两个站间提温提量、时间等因素对管道内壁结蜡层变化的影响情况，可为现场制定原油输送管道热洗方案的提供有效指导和参考。