塘燕原油管道蜡沉积规律研究

赵　丹， 黄启玉， 吕志娟， 吕铭宽

(1.中国石油大学(北京) 城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249；2.中国石化管道储运有限公司，江苏 徐州 221008)



塘燕原油管道蜡沉积规律研究

赵丹1， 黄启玉1， 吕志娟1， 吕铭宽2

(1.中国石油大学(北京) 城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249；2.中国石化管道储运有限公司，江苏 徐州 221008)

塘燕原油管道输送原油种类多、油品切换频繁，增加了蜡沉积预测的难度。根据管输原油物性，运用普适性蜡沉积模型，研究了塘燕线不同季节、输送不同种类原油时的蜡沉积速率，并结合管道运行参数，预测了塘燕线管道沿线的蜡沉积层厚度及分布。塘燕线冬季的蜡沉积最多，春、秋季居中，夏季最少；输送埃斯坡、马西拉原油蜡沉积较少，输送杰诺、沙中、沙重原油蜡沉积相对较多；管道沿线的蜡沉积分布不均匀，主要集中在靠近进站管段处，在管道全线运行压力变化不大时，对于蜡沉积严重的管段，其压降迅速增加，造成管道安全运行隐患，建议每年秋季进行一次清管作业。

塘燕线；蜡沉积速率；结蜡厚度；蜡沉积分布

原油管道结蜡严重影响管道的安全经济运行[1-3]。塘燕原油管道的输送介质为沙中、马西拉、埃斯坡等多种进口原油，且油品切换频繁还存在混输。相比于输送油品单一的原油管道，塘燕线管道结蜡情况复杂，沿线蜡沉积分布更难确定。虽然塘燕线所输油品均为进口油，但在清管的过程中发现有大量的蜡存在，并发生了蜡堵现象，严重影响了管道的安全运行。为解决这一问题，有必要研究管道沿线的结蜡规律，为现场清管作业提供理论依据，进而实现管道的安全经济运行。本文基于中国石油大学(北京)的普适性蜡沉积模型[4-7]，研究了塘燕线天津油库至牛口峪站，不同季节输送不同原油时的蜡沉积速率，并结合管道现场运行参数，预测了塘燕管道沿线的蜡沉积层厚度及分布。

1　塘燕线概况及原油物性

塘燕输油管道起点为塘沽油库，途径天津中转油库、廊坊热泵站，终点为牛口峪站。其中塘沽至天津段管径为711 mm×9.5 mm，线路总长46 km，管线设计压力4.4 MPa，设计输量2 000×104t/a；天津至牛口峪段管径为559 mm×9.5 mm，天津至廊坊段长93 km，廊坊至牛口峪段长85 km，设计输量1 000×104t/a，天津中转油库分输站出站管线设计压力为6.5 MPa，廊坊热泵站出站管线设计压力为6.4 MPa。

由于塘燕线所输进口原油种类多，油品切换频繁，主要研究了输油量较大、输油时间长的几种油品对管道蜡沉积规律的影响。其中，输油量较大、输油时间较长的油品为沙中、马西拉、埃斯坡、沙重和杰诺，其输油比例为13∶2∶2∶1∶1，主要基本物性如表1所示。

表1　管输原油基本物性

2　 原油的蜡沉积模型

目前，主要根据传质传热原理进行蜡沉积模型的建立。E.D.Burger等[8]提出了综合分子扩散和剪切弥散两种机理的蜡沉积模型，模型中的蜡沉积速率系数需要根据室内实验确定；A.A.Hamouda等[9-10]认为在蜡沉积过程中起主要作用的是分子扩散，模型中的结蜡倾向系数要通过实验确定；J.J.C.Hsu等[11-12]根据临界蜡强度建立了蜡沉积模型，其中的结蜡倾向系数也要通过室内实验确定；H.S.Lee[13]、R.Venkatesan等[14]修正了以上模型的不足；J.F.Tinsley[15]和R.Hoffmann等[16]认为蜡沉积的主要机理是分子扩散，但还要考虑冲刷的影响；黄启玉等[4-6]以分子扩散机理为基础，考虑了管壁处剪切应力和温度梯度等因素对结蜡的影响，结合理论分析与实验数据，提出了如式(1)所示的适合含蜡原油的普适性蜡沉积模型。

(1)

式中：W为管道蜡沉积速率，g/(m2·h)；τw为管壁处剪切应力，Pa；μ为原油黏度，mPa·s； dC/dT为管壁处的蜡晶溶解度系数，10-3/℃； dT/dr为管壁处的径向温度梯度，℃/mm；k、m、n需要根据原油的密度、黏度和析蜡特性等基本物性回归得到。

对于塘燕线，沙中、马西拉、埃斯坡、沙重和杰诺五种油品相应的k、m、n值，如表2所示。

表2　模型经验系数回归结果

3　 塘燕线蜡沉积规律研究

3.1预测蜡沉积速率所需参数

研究管道的蜡沉积分布，需要确定原油黏度、油温、管壁处剪切率、径向温度梯度及蜡晶浓度梯度等参数。其中，管道沿线的油温分布可以结合管道参数运用苏霍夫温降公式进行计算。

(2)

在运行条件下，管道不同管段的径向温度梯度可根据热平衡关系，利用下式计算。

(3)

管流流态不同，管壁处剪切率的计算方法亦不相同。

在紊流状态下，牛顿流体的管壁剪切率为：

(4)

(5)

不同温度下的原油黏度和析蜡量可以根据不同管段的平均油温，通过对原油黏温关系曲线、蜡晶溶解度系数与温度的关系曲线进行插值计算得到。

管线结蜡后的总传热系数与结蜡前的有所不同，可用式(6)计算：

(6)

式中：Kw为结蜡后管路的总传热系数，W/(m2·K)；K为结蜡前管路的总传热系数，W/(m2·K)；λw为结蜡层的导热系数，W/(m2·K)；δ为结蜡层厚度，m。

3.2现场蜡沉积预测

根据建立的管输原油蜡沉积模型，结合管道运行参数，预测了塘燕线不同季节输送不同油品时的蜡沉积速率及管道沿线的结蜡层厚度及其分布趋势。

3.2.1不同原油的蜡沉积速率塘燕线在秋季清管时发生了蜡堵，为保证管道的安全运行。统计分析了塘燕线2013年11月至2014年7月中旬的运行参数，应用建立的蜡沉积模型预测了塘燕线在不同季节、输送不同油品时管道沿线的蜡沉积速率，为预测管道沿线蜡沉积分布趋势提供了基础数据。塘燕线不同月份各站间运行参数见表3，不同季节、输送不同原油时的蜡沉积速率如图1-3所示。

表3　塘燕线不同月份管道运行参数

图1　春秋季输送不同原油的蜡沉积速率

图2　夏季输送不同原油的蜡沉积速率

图3　冬季输送不同原油的蜡沉积速率

由图1-3可以看出，季节变化对蜡沉积过程有较大影响，不同季节得到的原油蜡沉积速率并不相同。其中，冬季的蜡沉积最多，而夏季的蜡沉积最少，春、秋季则介于冬夏季之间。这主要是由于进站温度和地温的影响，夏季进站温度和地温较高，蜡沉积速率小，而冬季进站温度和地温较低，蜡沉积速率大。

此外，原油种类对蜡沉积过程也有较大影响。管输原油不同，管道沿线的蜡沉积速率不同，输送埃斯坡、马西拉原油蜡沉积较少，输送杰诺、沙中、沙重原油蜡沉积相对较多。这是因为，各原油的析蜡特性不同，原油杰诺、沙重的含蜡量是最高的，虽然原油沙中的含蜡量较小但其输油量是最大的，使其蜡沉积较多，而原油埃斯坡、马西拉的蜡沉积较少则是由于其含蜡量不高且输油量很小。

3.2.2塘燕线蜡沉积层厚度及分布由于塘燕线的预测截止时间是2014年7月中旬，7月14日至7月16日于正在运行的塘燕线输油管道上进行了现场取样，对油样进行了3次密度测试，得油样20 ℃的平均密度为854.8 kg/m3，并在不同时间现场取样测试了其黏度，黏度测试结果如图4所示。

图4　不同时间管输原油黏温曲线

采用压力反算法计算管道实际管径，牛顿体水力光滑区站间压降计算式为：

(7)

式中：hf为摩阻损失，m；Q为输量，m3/s；ν为原油运动黏度，m2/s；L为站间距，m；D为有效管径，m；ΔH为高程差，m。

根据所测原油物性及管道进出站压力和流量(见表4)，反算管道的实际管径，结果如表5所示。

表4　塘燕线7月份管道进出站压力

表5　实际管径计算结果

以1 km为步长，根据管道输送不同种类原油时不同位置的蜡沉积速率，计算管道沿线各段的结蜡层厚度，并按输油比例累加结蜡厚度，结合管径反算所得的实际管径对预测结果进行验证，得到塘燕线天津站至牛口峪站各管段沿线的蜡层厚度及分布如图5所示。

由图5可知，塘燕管道沿线均有蜡沉积发生，但蜡沉积分布并不均匀一致，各管段蜡层厚度随着距离的增加逐渐增大。靠近进站处的管段蜡沉积较为严重，这主要是因为进站管段处油温低。天津到廊坊管段的蜡沉积比廊坊到牛口峪管段的严重，且天津至廊坊管段沿线结蜡层厚度的增加趋势比廊坊到牛口峪的变化剧烈，这是因为天津到廊坊管段的轴向温差更大一些，单位长度上的温降较大。由于蜡沉积分布不均匀，在管道全线运行压力变化不大的情况下，对于蜡沉积严重的管段，其压降迅速增加，可能会给管道安全运行造成隐患。因此，建议每年秋季进行一次清管作业，以确保管道的安全运行。

图5　天津—廊坊和廊坊—牛口峪管段蜡层厚度分布

4　 结论

根据塘燕线管输原油的基本物性，结合管道运行参数，预测了塘燕线管道沿线结蜡层厚度及分布趋势，得到了以下结论：

(1) 季节变化对管道蜡沉积有较大影响。其中冬季蜡沉积最多，夏季最少，春、秋季介于冬夏季之间，这主要是受进站温度和地温的影响。

(2) 原油种类对蜡沉积过程也有较大影响。管输原油不同，蜡沉积速率不同。对于输送多种原油的管道而言，各原油的析蜡特性及其所占的输油比例等都会影响蜡沉积速率的变化。

(3) 目前运行参数下，塘燕原油管道沿线均有蜡沉积发生，但分布不均匀，主要集中在靠近管段进站处。由于管道所输油品都是进口原油，与国内的高含蜡原油相比蜡含量很低，但如果长期运行且不清管，会对管道安全造成很大的威胁。因此，建议每年秋季进行一次清管作业，以保证管道的安全运行。

[1]Aiyejina A，Chakrabarti D P，Pilgrim A，et al．Wax formation in oil pipelines：A critical review[J]．International Journal of Multiphase Flow，2011，37：671-694．

[2]姜宝良，张国武，赵晨阳，等．原油蜡沉积研究进展[J]．油气储运，2005，24(10)：1-4．

Jiang Baoliang，Zhang Guowu，Zhao Chenyang，et al．Research progress of crude oil wax deposition[J]．Oil and Gas Storage and Transportation，2005，24(10)：1-4．

[3]蔡均猛，张国忠，邢晓凯，等．含蜡原油管道蜡沉积研究进展[J]．油气储运，2002，21(11)：12-16．

Cai Junmeng, Zhang Guozhong, Xing Xiaokai，et al. Research developments of wax deposition in waxy crude oil pipelines[J].Oil and Gas Storage and Transportation, 2002, 21(11): 12-16.

[4]黄启玉．含蜡原油管道蜡沉积模型的研究[D]．北京：中国石油大学，2000．

[5]黄启玉，李瑜仙，张劲军．普适性结蜡模型研究[J]．石油学报，2008，29(3)：459-462．

Huang Qiyu，Li Yuxian，Zhang Jinjun．Unified wax deposition model[J]．Acta Petrolei Sinica，2008，29(3)：459-462．

[6]黄启玉，张劲军，严大凡．一种新的蜡沉积模型[J]．油气储运，2003，22(11)：22-25．

Huang Qiyu, Zhang Jinjun, Yan Dafan. A new wax deposition model[J]. Oil and Gas Storage and Transportation, 2003,22(11):22-25.

[7]黄启玉，王文达，曲文星，等．22阿赛线清蜡方式及运行参数优化研究[J]．石油化工高等学校学报，2013，26(4)：42-47．

Huang Qiyu，Wang Wenda，Qu Wenxing，et al．Wax removal strategy and operation parameters optimization of Asia pipeline[J]．Journal of Petrochemical Universities，2013，26(4)：42-47．

[8]Burger E D，Perkins T K. Studies of wax deposition in the trans-alaska pipeline[J]．Journal of Petroleum Technology，1981，33(6)：1075-1086．

[9]Hamouda A A，Ravnφy J M．Prediction of wax deposition in pipelines and field experience on the influence of wax on drag-reducer performance[R]．OTC 7060, the 24th Annual OTC．Houston，Texas:[s.n.]. 1992：669-679．

[10]Hamouda A A，Viken B K. Wax deposition mechanism under high-pressure and in presence of light hydrocarbons[R]．SPE 25189，1993：385-395．

[11]Hsu J J C，Santamaria M M．Wax deposition of waxy live crude under turbulent flow conditions[R]．SPE 28480，1994：179-191．

[12]Hsu J J C，Brubaker J P．Wax deposition scale-up modeling for waxy crude production lines[R]．OTC 7778，the 27th Annual OTC．Houston，Texas:[s.n.].1995：731-740．

[13]Lee H S．Computational and rheology study of wax deposition and gelation in subsea pipelines[D]．Ann Arbor：University of Michigan，2007．

[14]Venkatesan R，Fogler H S．Comments on analogies for correlated heat and mass transfer in turbulent flow[J]．AIChEJ，2004，50：1623-1626．

[15]Tinsley J F，Prud’homme R K，Guo X H，et al．Novel laboratory cell for fundamental studies of the effect of polymer 23 additives on wax deposition from model crude oils[J]．Energy Fuels，2007，21(3)：1301-1308．

[16]Hoffmann R，Amundsen L．Single-phase wax deposition experiments[J]．Energy Fuels，2010,24:1068-1080．

(编辑王亚新)

Wax Deposition of Tangyan Crude Oil Pipeline

Zhao Dan1， Huang Qiyu1， Lyu Zhijuan1， Lyu Mingkuan2

(1.BejingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasDistributionTechnology,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.SinopecPipelineTransportationCompany,XuzhouJiangsu221008,China)

A number of crude oils is transported by Tangyan crude oil pipeline with frequent switch and thus wax deposition prediction is difficult. In this paper, wax deposition rates of different transported crudes along Tangyan pipeline in different seasons are predicted by using the unified wax deposition model based on crude properties. The thickness and distribution of wax deposition are forecasted, which provide a theoretical basis for the pigging operation securely. The results show that the wax deposition rates of different crudes in different seasons are various. Wax deposition along Tangyan pipeline mostly happens in winter and seldom happens in summer. Wax deposition of Aisipo and Maxila crude oil is less than that of Jienuo and Shazhong crude oil. The distribution of wax deposition along the pipelineis uneven. Wax deposition mainly accumulates in the inlets of the pump stations. When there is little variation of pipeline operation stress, the pressure drop in the unit length increases rapidly in the position where wax deposition is serious. Pressure effect may cause potential security risks in the pipeline. It is suggested that the pigging operation should be conducted in each autumn.

Tangyan pipeline； Wax deposition rate； Wax deposition thickness； Wax deposition distribution

1006-396X(2016)01-0080-06

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2015-04-30

2015-12-10

国家自然科学基金资助项目“油包水型乳状液蜡分子扩散和蜡晶颗粒沉积机理研究”(51374224)。

赵丹(1991-)，女，硕士研究生，从事原油管道蜡沉积及油气田集输技术方面的研究；E-mail：zhaod66@126.com。

黄启玉(1969-)，男，博士，教授，从事油气管道流动保障技术及油气田集输技术方面的研究；E-mail：ppd@cup.edu.cn。

TE812

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.01.016