原油管道安全停输时间影响因素分析

徐双友, 刘 斌

（中国石化管道储运公司襄阳输油处，湖北 襄阳 448002）

原油管道安全停输时间影响因素分析

徐双友, 刘 斌

（中国石化管道储运公司襄阳输油处，湖北 襄阳 448002）

我国原油管道近几十年发展迅速，有些管道已经进入发展中后期，管道发生事故的概率上升。原油管道不可避免发生停输，安全停输时间是再启动的关键参数，对于管道的安全运行至关重要。根据输油管道温降公式，利用迭代法求解公式，并编制了应用软件。研究发现，安全停输时间不是一个定值，它随管道输量、出站温度、自然地温和原油比热容的增加而增加，随总传热系数的增加而降低。当管道周围参数发生变化时，需要密切关注安全停输时间，研究结果可以为原油管道的安全运行提供指导。

原油；管道；安全停输时间；出站温度；总传热系数

目前，管道以其数量大、价格低、输送距离长等优势不断发展，已经成为我国原油输送的主要方式，我国输油管道的总里程在不断增加[1]。然而，我国大多数油田生产的原油大多为高含蜡原油，主要采用热油输送的工艺，最近几年来，我国早期投入生产的管道陆续已经进入中晚期，管道的输量在不断变小，管道受自然环境的影响，发生事故的概率在不断上升。输油管道由于长期运行以及人为操作等的影响，难免需要进行停输， 以进行维修等事宜[2]。同时，由于输量的减小，也有用间歇输油的工艺来代替正反输工艺。

输油管道停输之后，管道内油温会不断下降，原油粘度会随着原油温度的降低而变大，原油粘度升高后，会给输油管道的再启动造成很大的麻烦，如果发生凝管，将会带来很大的经济损失[3]。输油管道的安全停输时间是管道事故处理、编制维修计划和再启动方案的关键参数，所以，研究安全停输时间的计算方法和影响因素至关重要。

1 研究现状

目前，国内很多学者对原油管道停输温降过程做了大量研究，张圆圆利用数值计算的方法，建立了热油管道温降问题的数学模型，模拟了水下管道、架空管道和埋地管道停输温降的过程，得出了热油管道不同环境下温降的过程的规律[5-7]。南发学利用热力学原理，运用数值计算的方法，计算出不同季节管线温降随时间的变化曲线图，为不同季节的管线检修提供了一定指导[8]。李伟采用数值计算的方法，建立了热油管道运行的数学模型，计算出大修期间管道热力参数对停输温降的影响规律，并以铁秦线为例，得出了管线检修开挖的最大长度[9]。同时，李伟通过理论分析研究发现，停输时的初始条件、原油物性、管道周围环境、管道结构等都会影响停输后温降分布[10]。刘晓燕运用数值计算方法，对庆哈埋地管道在不同月份的允许停输时间进行了计算，得出了不同月份的安全停输时间，同时发现泄洪区是停输过程中最危险的地段[11]。王雷运用数值方法，研究了保温层不同失效比例时对热油管道安全停输时间的影响，研究发现不同失效比，管道的安全停输时间不一样[12]。孙伟栋利用热力学原理，将埋地管道的数学模型应用到海底管道的传热研究上，建立了海底管道的传热模型，并将模拟计算结果同实验结果进行了对比，误差在可控范围内[13]。

2 数学模型

原油管道停输后，主要散热过程有三步：原油与钢管壁之间的自然对流传热、钢管壁与防腐层之间的导热和防腐层与大地之间的导热。这是一个三维非稳态的传热过程，在实际过程中，由于管道轴向温降相对径向很小，所以在运用数值计算的过程中，通常将传热过程简化为二维非稳态系统。

原油管道停输过程中温降是一个影响因素非常复杂的体系，很难给出准确的解析解。目前，前人对停输过程的研究主要采用数值计算的方法，实践证明，此类方法可以满足工程需要。采用数值计算方法可以在花费很少的人力和时间的条件下，获得大量的研究成果。

对于埋地管道，按照集总参数法做如下假设来计算停输温降：（1）管道横截面上温度梯度不计，横截面油温按平均值计算；（2）总传热系数为定值；（3）油品物性不随温度变化而变化；（4）环境温度为定值；（5）保温层的热容量忽略不计[14]。

前人虽然对热油管道的温降规律做了大量研究，但是都是针对某一个因素进行了计算，没有分析各个因素对安全停输时间的具体影响规律，同时数值计算方法太复杂，很难掌握。本文采用数值计算的方法，运用 C++程序语言编程代码来求解，研究输油管道输量、出站温度、总传热系数、自然地温和原油比热容参数对安全停输时间的影响规律，同时编制了应用软件，以期为原油管道的安全运行提供一定指导。

1.1 原油管道沿线温度分布

原油管道周围土壤的蓄热量和热阻很大，在管道停输后油流温度降低速率非常慢，所以可以假设油流的温降过程是一系列相互交替的稳态过程，假设在 dt时间内，管道内原油及管道温降热量与管道向环境周围的散热量相同，总传热系数K为一定值，就可以求得管道截面上平均温度的变化规律。

将上式合并

对上式进行积分，当τ=0时，距出站位置 L处油温按苏霍夫温降公式有：

则距出站位置L处，停输τ时间后管道内油温的计算公式为：

式中：TL—停输 τ时间后，距管道出站位置L处的管道内油温，℃；

T0—管道埋深处自然地温，℃；

TR—开始停输时管道出站温度，℃；

K—管道稳定工况下的总传热系数，W/(m2·℃)；

D,D1,D2—管道平均直径、钢管内径、外径，m；

G—油品的质量流量，kg/s；

cy—平均输油温度下油品的比热容，J/(kg·℃)；

L—距管道出站位置的距离，m；

τ—停输时间，s；

cg—钢材的比热容，J/(kg·℃)；

ρg—钢材的密度，kg/m3；

ρy—油品密度，kg/m3。

在上式中，采用稳定运行时的总传热系数代替停输后的传热系数，由于管道停输后管内自然对流换热的传热系数要低于管道运行时管内强迫对流换热的传热系数，因此采用稳定运行时的总传热系数值计算停输后的油温要比实际油温低一些，但在停输时间较短，热阻变化较小的情况下，采用公式进行简化计算的结果与实际相差不大。

1.2 安全停输时间求解

对上述公式，采用迭代法来求解安全停输时间。在开始计算时，首先假设安全停输时间为零，代入式中计算出管道沿线温度分布，然后时间不断叠加，直到管道末端温度等于最小允许进站温度，此时的时间即为安全停输时间[15]。图 1 为安全停输时间计算框图。

3 实例分析

以某已建的原油管道为例，两个输油站之间的距离为 24 km，管道管径为 377 mm×8 mm，原油允许的最低进站温度为 39 ℃，管道的总传热系数为2.85 W/(m2·℃)，管道原油输量为 320 m3/h，管道周围环境温度为 12℃，首站出站油温为 65 ℃，原油密度为 949 kg/m3，原油的比热容为 2 226 J/(kg·K)，钢管的密度 7 861 kg/m3，钢管的比热容为 479 J/(kg·K)。

图 1 安全停输时间计算框图Fig.1 Solution chart of safety shutdown time

根据图1 的计算框图，利用 C++语言编写可视化的计算程序，将繁琐的计算公式和求解过程隐藏在程序后台，用户在使用时，界面非常清晰，可以实现可视化操作，用户仅需输入相应参数的值，并可完成计算，软件对计算机硬件的要求很低，计算速度很快，使用非常方便快捷，软件界面见图2所示。

图 2 软件计算界面Fig.2 Calculation software interface

2.1 输量对安全停输时间的影响

保持其它参数不变，改变输油管道输量的大小，利用软件计算结果如图3所示，当输油管道的输量变大时，安全停输时间变长。当输量从 220 m3/h 增加到 400 m3/h 时，输油管道的安全停输时间增加了9.3 h，产生此现象的原因是当输量增加时，管道内热量增大，所以温降时间较长。随着输量的慢慢增加，安全停输时间的增加的幅度慢慢变小。目前，我国大部分油田原油产量下降，低输量运行的管道很多，所以在低流量的工况下，更要注意输量对安全停输时间的影响。在允许的条件下，在停输之前，可以采用正反输的方式提高输量，同时提高原油管道的安全停输时间。

图 3 安全停输时间随输量的变化曲线Fig.3 Safe shutdown time under different throughput

2.2 出站油温对安全停输时间的影响

改变输油管道原油出站温度的大小，其它参数不变，利用计算软件计算结果如图4所示，由图可知当管道出站油温增加时，管道的安全停输时间增加，当出站油温从 55 ℃增加到 73 ℃时，安全停输时间增加 11.6 h。产生此现象的原因是出站油温增加时，管道内油品的总热量增加，所以在其它参数不变的情况下，安全停输时间变长。由图可知出站温度与安全停输时间的函数关系近似于直线。

图 4 安全停输时间随出站温度的变化曲线Fig.4 Safe shutdown time under different out-station temperature

2.3 总传热系数对安全停输时间的影响

改变总传热系数的大小，其余参数不变，利用计算软件计算结果如图5所示，由图可知安全停输时间随总传热的增加而减小，当管道的总传热系数从 0.85 增加到 4.45 W/(m2·℃)时，安全停输时间减小了 60.5 h，特别是当总传热系数为 4.45 时，进站温度低于 39 ℃，所以必须要提高原油出站温度。产生此现象的原因是当总传热系数变大时，管道温降加快，所以管道内油温降低速度加快，管道安全停输时间变短。由图可发现安全停输时间随总传热系数的变化非常强烈，当管道周围环境发生变化时，引起总传热系数发生变化时，要特别注意安全停输时间。

图 5 安全停输时间随总传热系数的变化曲线Fig.5 Safety shutdown time under different overall heat transfer coefficient

图 6 安全停输时间随自然地温的变化曲线Fig.6 Safe shutdown time under different natural ground temperature

图 7 安全停输时间随原油比热容的变化曲线Fig.7 Safe shutdown time under different heat capacity of the crude oil

影响原油管道总传热系数的因素有保温层损坏程度、防腐层损坏程度、管道周围土壤的湿度、覆土的厚度、大气湿度等。当发生洪灾、大雨大雪天气、管道维修开挖等因素都会影响总传热系数，在发现这些因素发生变化时，必须实时监督管线的安全停输时间。

2.4 自然地温对安全停输时间的影响

改变管道周围自然地温的大小的值，其余参数不变，利用计算程序计算结果如图6所示，由图可知输油管道安全停输时间随着自然地温的增加而增加，当自然地温从 0 ℃增加到 18 ℃时，安全停输时间增加了 9.4 h。产生比现象的原因是当地温变高时，管道与周围环境的温差变小，所以热流量变小，管道温降变慢。自然地温对安全停输时间直接的函数关系近似于直线。当发生强降温、管线裸露时，特别是冬季地温较低时，需要特别关注安全停输时间。

2.5 原油比热容对安全停输时间的影响

改变原油比热容的大小，其余参数不变，利用计算软件计算结果如图7所示，由图可知管道安全时间随管道中原油比热容的增大而增大，当原油比热容从 1 726 J/(kg·K)增大到 2 626 J/(kg·K)时，安全停输时间增大了 6.1 h，产生此现象的原因是原油比热容变大，自身携带热量变多，其它参数不变，温降的时间变长。比热容对安全时间的影响函数关系近似于直线。所以在输送不同的油品时，管线的安全停输时间不一样，在输送比热容较低的原油时，需要注意安全停输时间的变化。

4 结 论

由以上分析可知，对于一条已建输油管道，管道的安全停输不是一个固定的值，它会随着管道周围环境参数以及运行参数的变化而变化。输油管道的安全停输时间随管道输量、出站温度、自然地温和原油比热容的增大而增大；随管道总传热系数的增大而变小。当输油管道环境参数和运行参数发生改变时，影响总传热系数发现变化后，要密切留意安全停输时间的变化，及时为热油管道的检修和安全运行提供准确的指导。

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Analysis of Influence Factors for Crude Oil Pipeline Safety Shutdown Time

XU Shuang-you，LIU Bin
（Sinopec Pipeline Storage & Transportation Company Xiangyang Oil Transportation Department, Hubei Xiangyang 448002，China）

In recent decades crude oil pipeline in our country is developing rapidly, some pipes have entered the mid-and-late part stage, and probability of pipeline accidents rises. It is inevitable that crude oil pipeline shutdown happens. The safe shutdown time is a key parameter for start-up and it is very important to safe operation of pipeline. In this paper, according to the pipeline temperature drop formula, the iteration was used to solve the formula, and its application software was compiled. The study found that safe shutdown time is not a fixed value. It increases along with the increase of throughput, outbound temperature, natural ground temperature and heat capacity of the crude oil, and decreases with the increase of the total heat transfer coefficient. When the pipe parameters change, the safe shutdown time should be paid more attention. The results can provide the guidance to the safe operation of oil pipeline.

Crude oil; Pipeline; Safe shutdown time; Out-station temperature; Overall heat transfer coefficient

TE 832

： A文献标识码： 1671-0460（2014）07-1353-04

2014-05-19

徐双友（1974-），男，湖北襄阳人，工程师，1998 年毕业于河北省廊坊市石油管道学校石油储运专业。研究方向：从事石油管道储运的生产管理工作。邮箱：xusy_74@126.com。