细管法原油粘度在线测量装置的研制及应用

＊李皓 王一然 苏航

（国家管网集团东部原油储运有限公司 江苏 221008）

粘度是物质的物理化学性质，由于存在粘度，物体在流体中运动时受到摩擦和压差阻力，从而造成能量损耗。粘度是流体分子内摩擦的一种量度，是流体粘滞性的一种具体表现，其本质是流体分子间相互作用在宏观层面的表现。对流体粘度的测量有多种方法，最为常见的有阻尼振动法、旋转法（也叫转筒法）和细管法[1]。振动法粘度计[2-3]：是将传感器探头在流体中按照一定频率振动，由于受到流体的粘性阻尼作用，探头的振幅会发生变化，由电路来补充因流体粘性阻尼而损失的能量，使探头的振幅维持在与流体作用之前的状态，补充的能量与流体的粘度之间存在一定的关系。因此通过测量补充的能量，就可以计算出流体的粘度。旋转法粘度计[4-5]：由处于同轴圆心的转筒和转子构成，测量时将进入待测流体中的转子旋转，由于剪切应力作用的存在，这些流体中的转子将会受到粘性力矩的作用。在旋转条件相同的情况下，粘性力矩的大小随着流体粘度一同变化，因此测量粘性力矩，即由粘度公式求出流体的粘度[1]。细管法粘度计[6-7]：通过测量一定体积的流体在一定压差下流经毛细管的时间，或者单位时间内在一定压差下流经毛细管的液体体积，根据泊肃叶公式即可计算出流体的粘度。

目前生产实际中对原油粘度的检测通常为定时人工取样，然后使用旋转粘度计参照SY/T 0520-2008《原油粘度测定旋转粘度计平衡法》[8]进行检测，测量过程需要对样品保温，导致整个测量用时较长，一个温度下的粘度测试需要时间在45min以上，不能实时反映油品的粘度变化，且数据易受取样过程历史效应影响。近年来，国内外开始研发在线粘度计，主要以振动法和旋转法在线粘度计为主[9-11]，如英国Hydramotion公司、美国Cambridge公司以及北京华宇基业科技有限公司的振动法在线粘度计；美国博勒飞（Brookfield）公司、上海尼润智能科技有限公司的旋转法在线粘度计。

由于原油种类众多，结构组成复杂，现有在线粘度计在应用时存在不少问题，如在某输油站场安装的振动式在线粘度计（如图1）在实际使用时存在测量波动大的问题。对比表1在线粘度计测试数据与经过标准校对的MARS流变仪测试数据，在线粘度计所测油品粘度数据波动较大，最大偏差在95%以上，不能准确反应管输油品物性，造成波动的原因极可能是原油中的蜡组分、胶质、沥青质沉积附着在在线粘度计测量探针上所致。而旋转法在线粘度计的核心为具有一定表面积的转子和定子系统，该系统可通过改变转速评价流体流变性，一但测试单元结构复杂，清洗麻烦，也容易发生因胶质沥青质沉积附着导致测试结果失真的问题。

图1 某输油站安装的振动式在线粘度计

表1 某输油站油品粘度对比

安全、高效地进行管道输油是管道企业追求的目标。对于原油管道而言，管输原油的粘度参数具有十分重要的意义，一旦相关参数有所偏差，往往会对管道的输送能力、动力消耗和安全性产生非常不利的影响，因此研发原油在线粘度测量装置对管输原油物性的实时检测是十分必要的。

1.细管法测量原理

当流体流经管径细小的管子时，假定其能满足下述条件：（1）细管十分长，并呈直线状，且内径均等；（2）流体的流动状态为充分发展的稳定的层流，流体内任一点的流速仅是其半径r的函数；（3）流体是不可压缩的均质流体；（4）与细管内壁相接触的流体没有滑移；（5）流体流变性质与时间无关，其剪切应力与剪切速率之间存在一一对应的关系；（6）流体是等温的[1]。

则其对应的牛顿流体粘度满足哈根-泊肃叶定律：

式中，Q：流量，m3/s；R：细管半径，m；△P：细管两端压差，MPa；μ：流体的动力粘度，mPa·s；L：细管长度，m。

这就是用细管法测定牛顿流体粘度的原理。通过确定细管的几何尺寸R、L，实验测取L两端的压差△P和相应的流量Q，就可求得流体的动力粘度μ[1]。其管流受力分析示意图如下：

图2 管流受力分析图

但实际测量中有许多条件偏离理想情况，如：存在加工误差，不能保证管段内径均等；流体进出口处管径变化，使测量存在端部效应；油品与环境间存在温差，油品在粘度测量管内流动过程中与环境间不断换热，导致油品流动过程中温度不恒定。

由于存在几种固有的系统误差，从而造成原油流经管路后的压力测量不能真实反映流体特性，故对相应公式进行修正，得到修正公式

式中，Q：流量，m3/s；R：细管半径，m；p1：细管进口压力，MPa；p2：细管出口压力，MPa；k：压力修正系数，0.9915；μ：流体的动力粘度，mPa·s；L：细管长度，m。

随后利用不同原油进行室内测试，验证了细管法原油粘度在线测量装置的可行性。

图3是细管法在线测量原油粘度的设计流程思路，通过计量泵控制进入粘度测量管段支路的原油流量Q，保证管段内的原油处于充分发展的层流流动；并利用压力传感器测量粘度测量管段两端的压差△P；再根据泊肃叶定律，计算得到原油粘度μ；并可以根据温度传感器数据，利用油品的粘温关系得到管输温度下油品的表观粘度。

图3 细管法粘度测量设计思路

2.装置效果验证

(1)沙中原油测试结果

下图为沙中原油25℃时的粘度随流量、进口压力的变化规律。

从图4、图5、表2和表3可以看出，针对沙中原油，随着细管中油品流量的增大，与原油真实粘度相比，装置测量偏差逐渐减小；流量恒定时，随着进口压力的增大，装置测量粘度与原油真实粘度的偏差逐渐减小。不同流量和不同进口压力下的粘度偏差均不超过10%，表明该装置可以用于管输油品粘度测试。

图4 流量对沙中原油粘度测量的影响

图5 进口压力对沙中原油粘度测量的影响

表2 不同流量下，25℃沙中原油粘度测量对比

表3 不同进口压力下，25℃沙中原油粘度测量对比

(2)装置现场应用效果

为验证装置的实用性，在仪长线仪征站进行了细管法粘度测量装置应用性和可靠性试验。2016年11-12月在仪征站对细管法在线粘度测量装置进行了验证，现场取样测试，与采用VT-550旋转粘度计人工测试数据进行比对，测量了管输温度下的油品粘度。取样位置为仪长线出口处，取样时间间隔为2h。对比测试结果如表4。

表4 仪征站测试结果对比

根据表4，10组数据测试对比，在线粘度测量装置与人工旋转粘度计测试数据的最大误差为8.1%，最小误差0.4%，试验期间在线粘度测量装置运行稳定，测试结果能真实反应管输原油的粘度。

从表5可以看出，细管法在线粘度测量装置测试一组数据用时在1～2min，远小于旋转粘度计测试用时。

表5 在线粘度测量装置测试用时

续表

3.结论

原油管道作为安全、经济、快捷的运输方式，其输量在国内原油加工量的比例不断上升，原油管道的安全运行，直接关系到上下游企业的平稳生产，影响上下游企业的经济效益，同时也关系着原油管道投资的回报率。本文采用细管法原理，研发了一种原油粘度在线测量装置，室内实验和现场应用都表明，细管法粘度测量装置可以很好地满足管输现场对粘度测试的要求，达到SY/T 0520-2008《原油粘度测定旋转粘度计平衡法》中重复性偏差不大于15%的要求[8]，可实现管输原油粘度的在线测量，测试用时仅为1～2min，提高了原油管道粘度参数的测量效率，可以及时反映管输原油状态，保障原油管道的管输能力和管道安全，为管输原油的工艺优化提供技术支持。