含蜡原油蜡沉积特性与清蜡周期研究

刘雪峰 马贵阳

摘 要：管道清管作为减小含蜡原油管输安全隐患的主要措施，一直是工程安全研究的重要方面。对原油蜡沉积机理的分析，明确了蜡沉积过程中的主要影响因素，并对个因素的影响效果进行了评价，描述了几种不同清蜡方法的作用效果，研究了含蜡原油管道清蜡周期的影响因素，为管道清管周期的确定提供理论支持。

关 键 词：含蜡原油；蜡沉积；清管周期

中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1834-03

Abstract： Pipeline pigging as the main measure to decrease the safety hidden trouble of waxy crude oil pipeline has been one of the most important aspects of the project safety research. In this paper， the mechanism of wax deposition was analyzed. The main influence factors in the process of wax deposition were investigated， and the influence level of these factors was evaluated. The effect of different paraffin removal methods was described. The influence factors of paraffin removal cycle of waxy crude oil pipeline were studied， which could provide theoretical support for determination of pipeline pigging period.

Key words： waxy crude oil； wax deposition； pigging period

含蜡原油一般有凝点高、粘度大、流动性较差等特性，在输送工艺上一般选择加热输送，此种输送工艺往往存在输送成本较高、输量变化范围要求较高、停输再启动较难的问题。在含蜡原油管道加热输送过程中，常会在管壁内侧形成蜡沉积层，从而减小管道流通截面、增大管道摩阻、降低输送能力，为管道的安全输送带来隐患。工程上减小安全隐患的措施一般为定期清管[1]。因此，研究含蜡原油的蜡沉积特性和清蜡周期显得尤为重要。

本文在分析含蜡原油蜡沉积特性的基础上，调研了管道清蜡的主要方法，并比对了各方法间的优缺点，分析了管道清蜡周期的影响因素，定义了余蜡厚度，并研究了余蜡厚度对清管周期的影响规律。

1 含蜡原油蜡沉积特性分析

1.1 蜡沉积机理

目前对于含蜡原油管道沉积机理的研究，主要包括四种沉积机理：分子扩散、剪切弥散、布朗扩散以及重力沉降[2]。

分子扩散作为蜡沉积的主要机理，其具体作用方法为：原油在管道中流动时，因散热使得油品温度降低，从而在油流与管壁间产生温差，当管壁的温度低于原油的析蜡点时，蜡分子会析出，并逐渐沉积在管壁上，随着沉积的进行，管壁处的蜡分子浓度逐渐减小，从而产生浓度差，油流中的蜡分子会逐渐向管壁迁移，并引起蜡沉积。

剪切弥散的机理描述为：在原油流动中，蜡分子析出结晶，晶体随原油流动中，因存在的速度梯度会使蜡晶发生旋转运动，并逐渐向速度较低的管壁进行横向运动，并沉积于此。

布朗运动的机理描述为：蜡分子聚集的蜡晶颗粒存在着无规则运动，在油流中存在浓度梯度时，布朗运动使晶体由浓度高处流向浓度低的地方，在管壁处发生沉积作用。

重力沉降的机理描述为：随着析出的蜡晶与原油间存在密度差，蜡晶也会由于重力的作用而沉降，从而产生蜡沉积。

1.2 蜡沉积影响因素

蜡沉积过程中，受多重因素影响，经过调研，目前研究的成果中主要影响因素包括油流温度、管壁和油流之间的温差、流速、原油的成分、管壁材质、运行时间等，且在发生蜡沉积过程中，不是某一种因素单独影响，往往是多种因素共同影响[3]。

在原油管道运行过程中，随管道油流温度的降低、管壁与油流之间温差增大、流速的减缓、管道运行初期，管壁的结蠟速度会变大，原因在于此些因素增大分子扩散、布朗扩散等的程度，增大结蜡速度。当原油中的低分子量的轻烃含量较高时，蜡分子的溶解度较大，同等条件下蜡分子析出程度减弱，结蜡程度减弱。管壁的材质和粗糙度影响蜡分子在管壁沉积的难易程度，管壁粗糙度的增大，会使得蜡沉积现象更容易。

2 原油管道清蜡方法研究

若想确保含蜡原油管道的安全运行，控制结蜡厚度是非常重要的因素。管道结蜡厚度较大时，不仅增加管道输送能耗，对管道安全运行带来隐患，还可能使得管道内输送原油发生冷却并产生胶凝现象，从而引发凝管事故的发生，为管道的正常输送带来巨大影响，耗费较大的人力物力，带来巨大的经济损失。因此定期为管道清蜡是十分必要的。管道清蜡的方法有很多种，包括清蜡剂法、机械处理方法、电加热方法、微生物清蜡方法、超声波清蜡法以及热处理法等[4]。

2.1 清蜡剂法

此种方法的作用机理在于，向运行中的管道中注入清蜡剂，令已经沉积的蜡层进行分解或者溶解，形成细小的悬浮颗粒，使得管道中蜡沉积现象减轻。对于此种清管方法，使用的清蜡剂主要分为水基清蜡剂以及油基清蜡剂，两种类型的清蜡剂在作用机理上略有不同，但都能在一定程度上减缓蜡沉积现象，保证管道的安全运行。

2.2 机械处理法

此种处理方法是最为常用的一种清管方法，其作用机理在于，向原油管道中投放清管装置，利用管道运行的动力比借助动力流体的推动效果，使其在管道中运行，达到清除管道内壁沉积蜡的作用。清管器在工作过程中，主要依靠自身对于管道的摩擦、划拨作用，将管壁上沉积的蜡层通过物理作用剥离，达到清管的目的。

2.3 热处理方法

热处理法在实际操作中主要包括热水处理法以及热油处理法，对比来说，热油处理方法的清除蜡层的效率较高，其主要作用机理在于，将原油加热到某一特定温度后注入到运行的管道中，通过油流的温度将管壁上的蜡沉积层溶解并随油流排出管道。热处理法的处理成本相对几种其他方法较低，但是在实际操作国臣各种，原油的部分轻组分会有所流失，且存在一定的危险性，在管输过程中，也可能因流动中温度的降低，使得管道后部的蜡沉积现象比较严重。

2.4 微生物清蜡方法

微生物清蜡法的作用机理在于，通过利用部分特殊微生物的代谢作用，使得管壁处的沉积蜡分解，从而减轻管道的蜡沉积现象。此种方法应用起来比较经济，而且环保，目前在我国部分管道已经有所应用。

3 含蜡原油管道清管周期研究[5]

3.1 管道清管周期影响因素分析

管道清管周期是受多方面因素影响的，主要衡量清管成本和运行成本之间的关系，清管周期越长，因每次清管的费用一般固定，相对来讲在一段时间内的清管费用越少。影响清管周期的因素一般包括运行温度、输量、季节。

一般来说，随进站温度的增加，清管周期会增大，原因在于进站温度较低时蜡沉积的时间较早，运行过程中产生的蜡沉积物较多，而此时清管的周期也会越短；伴随输量的不断减小，清管周期会增大，是因为在输量减小而其他条件不变时，管道产生的蜡沉积会减小，从而对应的清管周期会增长；随着季节的更替，当地温增加时，清管周期会变短，因为地温增加以后，其管道运行的出站温度会降低，管道沿线过程中产生蜡沉积效应的时间会提前，虽然管道中蜡沉积层的厚度的最大值减小，但是针对长输管道，蜡沉积的总量是增大的，从而清管周期会变短。对管道清管周期影响因素的确定后，可结合相关模型建立清管周期计算模型，其中一种清管周期计算程序如图1所示。

3.2 余蜡厚度对清管周期的影响

在对现场管道运行的清管过程中，往往将管道中的沉积蜡全部清掉。但在运行以及研究中发现，一定厚度的蜡沉积能对管道具有较好的保温作用，能够有效的减少管道散热带来的损耗，从而节省燃料费用，尤其在冬季管道输油过程中，这种效用会更加明显。针对某一特定管道，在其他条件一定时，存在某一最佳余蜡厚度，在此厚度下运行时，管道的日平均费用最低。

在清管时考虑余蜡厚度，可使管道清管周期相较正常清管周期略有延长。在固定了进站温度后，因影响出站温度的因素主要包括总传热系数、输量、管道内径等，对于长输管道，其内径一般较大，余蜡厚度相较较小，对出站温度影响较小。对于同一余蜡厚度，出站压力伴随着温度的上升而降低。

4 结 论

通过对原油蜡沉积机理的分析，明确了分子扩散、剪切弥散、布朗扩散、重力沉降对含蜡原油管道蜡沉积的作用原理；分析了蜡沉积过程中的主要影响因素，并对个因素的影响效果进行了评价；描述了清蜡剂法、机械处理法、热处理法、微生物清蜡法等几种清蜡方法的作用效果；研究了含蠟原油管道清蜡周期的影响因素，并对余蜡厚度进行了描述，分析了管道清蜡过程中留有余蜡厚度的重要意义。

参考文献：

[1] Roninggen H P. Production of Waxy Oils on the Norwegian Continental Shelf： Experiences， Challenges， and Practices[J]. Energy Fuels， 2012， 26（7）：4124-4136.

[2] 孟令德. 含蜡原油管道结蜡规律与清管周期确定[D]. 大庆：东北石油大学，2012.

[3] 范志敏. 管输含蜡原油经济清管周期研究[D]. 西安石油大学， 2013.

[4] 田震. 含蜡原油管道蜡沉积特性及清防蜡对策研究[D]. 南充：西南石油大学，2015.

[5] 周诗岽，王树立，赵会军，等. 热含蜡原油管道经济清蜡周期计算[J]. 油气储运，2006，25（8）：15-17.