热油管道投产过程中复杂传热特性的分析研究

尚增辉 李宪昭 王成林 付田田 周 静

（1.中国石油工程建设有限公司华北分公司；2.华北油田公司第二采油厂工程技术研究所）

利用管道输送原油时，尤其当输送的原油具有高凝点、高黏度和高结蜡点的属性时，需要采用加热输送的方式以防原油在管道内发生凝固、降低运行压力和减少原油结蜡量，确保管道正常安全运行［1～3］。 当管道在输送高凝高黏原油时，为了避免原油直接投入冷管中造成沿线温降太快，而导致沿程摩阻急剧升高或出现凝管事故，在输送高凝高黏原油的管道投产时一般使用高热容、低黏度的介质对管道进行预热，当管道的热力条件满足要求时再进行热油投产［4～6］。

热油管道投产过程是一个非稳态的传热过程。 在管道预热阶段和输送热油的初始阶段，管道周围土壤的温度场还未达到稳定，预热介质和热油的热量不断传给管道和周围土壤［7,8］。 在此阶段，随着管道中的流体温度逐渐降低，管道周围的土壤温度却不断升高，直至此传热过程达到动态平衡。

1 基本参数

某加热输送含蜡原油的管道为非保温埋地原油管道，长30 km、管径508 mm，管顶埋深为1.2 m，管道埋深处地温为15 ℃。 管道管壁、防腐层和土壤的物性参数见表1。

表1 管道管壁、防腐层和土壤的物性参数

管道输送原油的物性参数为：

密度（20 ℃） 860 kg/m3

凝点 25 ℃

含蜡量 11.5%

比热（20 ℃） 2 100 J/（kg·℃）

黏 度（15、30、50、70 ℃） 38.9、21.4、11.7、7.3 mPa·s

2 管道内部温度场变化

管道投产过程主要包含管道预热和投入热油两个阶段［9，10］：

a. 管道预热阶段。 采用70 ℃的热水对冷管道进行预热，预热时间为12 h。 在本阶段为热水与管道及其周围土壤的传热过程，并利用热水完成对管内空气的置换。

b. 投入热油阶段。在管道预热至内部温度场达到要求后，投入70 ℃的热油完成对管内热水的置换。

2.1 管道预热阶段

采用70 ℃热水预热管道6、12 h 后， 管道内温度分布云图如图1 所示。 由图1 可看出，预热12 h 后， 管道全线温度均已达到原油凝点之上，具备了输送热油的条件。

图1 预热后管道内温度分布云图

2.2 投入热油阶段

投入热油后， 运行1、3、5 d 时管道内温度分布云图如图2 所示。 由图2 可看出：随着运行时间的增长，管道前段温度逐渐趋于稳定、后段温度逐渐升高；运行1 d 时管道末端温度已达30 ℃以上，运行5 d 时管道末端温度升至45 ℃左右。

图2 运行不同天数时管道内温度分布云图

3 管道周围土壤温度分布

运行5 d 后，管道起点、管道15 km 处和管道30 km 处的管壁及其周围土壤温度分布云图如图3 所示。由图3 可以看出，管道周围土壤温度沿管壁向外呈辐射状升高，离管道外壁越近土壤温度越高。 从前端到末端管道内温度由高到低，而管道前端周围土壤温度最高、 末端的相对较低，说明管道前端对其周围土壤温度场影响最大而末端的影响较小。

图3 管道及其周围土壤温度分布云图

4 管道结蜡分析

当输送含蜡原油的管道内流体温度低于原油的结蜡点时，管道内即会有蜡析出。 管壁结蜡不仅给管道输送带来安全隐患，而且会造成很大的能量损失。 当管道的管壁出现蜡沉积时会缩小管道的内径，增大管道的延程摩阻，继而增加管道输送的动力费用。 此外，结蜡厚度过厚时易使清管操作中的清管器被卡。 因此，对热油管道的结蜡规律进行分析研究，对于提高管道的输运效率和输运安全十分重要。

4.1 结蜡速率

图4 是运行时间分别为1、3、5 d 时管道沿线各处结蜡速率的模拟结果。 由图4 可看出，管道运行1 d 时管道的结蜡速率最高， 随着管道运行时间增长管道各处的结蜡速率逐渐减小，而且管道结蜡主要发生在管道后半段，前半段基本没有发生结蜡现象， 这是由初始运行1 d 时管道后半段温度较低导致的。 而后，随着运行时间的增长，管道后半段的温度逐渐升高，随即管道内原油的结蜡速率逐渐减小。 另外，由前述可知，运行过程中管道内原油温度从管道起点到末端是逐渐降低的， 且管道前半段的温度大幅高于后半段的。因此， 管道前半段的结蜡速率小于管道后半段，且当温度高于原油结蜡温度时前半段则不会发生结蜡。 由于结蜡速率受原油蜡含率、原油温度和运行压力的共同影响，因此管道沿线各处结蜡速率会出现起伏的现象。

图4 运行不同天数时管线各处结蜡速率

4.2 结蜡厚度

图5 是运行5 d 后管线各处结蜡厚度曲线。由图5 可看出， 运行5 d 后管道起点到10 km 处结蜡厚度很薄，10 km 之后的管道结蜡厚度明显增厚；管道结蜡厚度最大值位于管道24.7 km 处。

图5 运行5 d 后管线各处结蜡厚度曲线

5 结论

5.1 热油管道投产过程是一个非稳态的传热过程。 投入热油前，采用高热容和低黏度的介质对管道进行预热，可以有效防止热油投产过程中沿程摩阻过高或发生凝管。

5.2 热油管道在输运过程中会对周围土壤温度场产生明显的影响。 其中，接近管道起点处周围的土壤温度明显高于管道末端周围土壤的温度。

5.3 对于输送含蜡原油的管道，随着管道起点到管道末端油温逐渐降低，原油的结蜡速率逐渐增高。 在投入热油之后随着运行时间的增长，管线各处的温度逐渐升高，管道内原油的结蜡速率也随之降低。 由于管道接近起点部分的温度较高而接近末端的温度相对较低，因此结蜡较严重的部位位于管道接近末端的位置。 对于管道易结蜡部位，在运行过程中应予以重点关注。