含蜡原油管道结蜡特性分析

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1、中国石油人学(华东)硕十学位论文1．1课题研究的意义第一章绪论管道输送原油是当前普遍采用的输油方式，也是运行费用较低，最为经济有效的输油方法【l】。我国大多数原油含蜡高、凝点高，低温粘度大。蜡在原油中的溶解度随温度的降低而下降，在油温高于析蜡点时，蜡全部溶解于原油中，形成具有牛顿性质的溶液；油温低于析蜡点而高于反常点时，仍然是牛顿流体；但当油温低于反常点时，溶液具有非牛顿流体特性。当壁温低于析蜡点时，蜡晶不断在管壁上析出，将减少有效管径、降低输量和增大压降甚至阻塞管道，即形成“蜡沉积”，管输原油中的蜡沉积

2、现象是长期困扰原油生产和运输的一个难题。蜡沉积一方面使管道流通面积减小，摩阻增大。另一方面，蜡沉积层增大了油流至管内壁的热阻，使总传热系数下降。因此研究蜡沉积的机理及沉积规律，为管线运行制定合理的防蜡及清管方案提供科学的依据具有重要的实际意义12'3J。并能为研究管道低输量运行以及停输再启动提供理论依据。1．2研究背景和现状1．2．1管壁蜡沉积机理对蜡沉积机理的解释，可以归纳为分子扩散、剪切弥散、布朗扩散和重力沉降四种机制llJ。目前比较一致的观点认为分子扩散是蜡沉积的主要机制，而剪切弥散、重力沉降对管壁

3、蜡沉积的贡献完全可以忽略[4,51；绝大多数研究者认为，布朗扩散的贡献也很dd4一。因此，目前文献上绝大多数蜡沉积模型都只考虑分子扩散这一机制。本文采用的黄启玉模型也是只考虑分子扩散这一机制。分子扩散的机理为，当管壁处温度低于析蜡点温度、并且低于油流温度时，接近管壁处的原油中的蜡分子借助于管壁上的结晶中心(如内壁的粗糙凸起、机械杂质和砂等)结晶析出，并造成该处原油中溶解的蜡分子浓度低于油流中的蜡分子浓度。根据扩散定律，油流中的蜡分子便借助于浓度梯度往管壁附近迁移，并进而沉积下来。如此扩散与沉积过程不断进行

4、。根据这一原理，当油流温度高于管壁温度时，只要管壁处温度低于原油析蜡点，就会有蜡沉积，而不管油流温度是否低于析蜡点。蜡分子向管壁扩散的速率可由Fick扩散方程【6】给出：1第一章绪论攀：所见冬(1-1)dt～mdr。式中：_dG一单位时间内扩散通过单位面积的蜡分子的质量，堙／G．历2)；at砌一蜡的密度，姆／聊3；D。一蜡分子扩散系数，m2／s；半一蜡分子的径向浓度梯度，聊～。口，．蜡分子扩散系数对于一种原油在某一温度近似为常数，可按Dm=BI#计算。1．2．2管壁蜡沉积的影响因素油温、原油与管壁的温差、

5、流速、原油的组成、管壁的材质以及运行时间等都对管壁的蜡沉积有影响【11。而且对于实际运行的管道，蜡沉积受到这些因素的共同作用。(1)油温对蜡沉积的影响【1,7,8】：在接近析蜡温度的较高温度，或接近凝点的较低温度下输送时，管道中的蜡沉积较轻，但在两者中间有一个蜡沉积较严重的温度区域。根据蜡沉积机理可以得出出现这种现象的原因：在较高油温的管段蜡沉积不多，应与此时管内壁温度较高有关，由于油温及管内壁温度都比较高，蜡分子的浓度梯度较小，油流中的蜡分子向管壁处迁移的动力较弱，因此蜡沉积较轻；在较低的油温下，油流与

6、管壁的温差较小，高分子蜡扩散的动力较弱，另外，温度低，布朗力弱，且原油的粘度大，蜡分子的扩散系数小，与此同时，由于原油粘度较大，管流的剪切应力较大，作为蜡沉积过程第一步的沉积层表面凝油层易被冲刷掉。(2)原油与管壁温差的影响【1,8】：当管壁温度低于析蜡点温度时，管壁温度与油流的温差愈大，蜡分子浓度梯度愈大，分子扩散作用愈强。这可以通过对Fick扩散定律变形加以描述：百dG=所仇石dC=肪巩面dC万dT由试验测定的结果可以得出，当壁温高于油温时，蜡分子因浓度差而运移的方向是由管壁趋向中心油流，故即使油温在

7、蜡沉积高峰区内，但只要壁温高于油温，管内壁几乎不产生蜡沉积。(3)流速对管壁蜡沉积强度的影响【9】主要表现为：随着流速的增大，管壁蜡沉积强度减弱。层流时的蜡沉积比紊流严重，Re数愈小，蜡沉积愈多。因为随着流速的增大，原油与管壁的温差减小、管壁处剪切应力增大，这些因素都会使管壁上的蜡沉积层减薄。2中国石油大学(华东)硕．{二学位论文另外，原油的组成、管壁的材质以及运行时间都对管壁的蜡沉积有影响。1．2．3管壁蜡沉积计算各国学者在分析蜡沉积的机理及试验的基础上，建立了一些关于蜡沉积的动力学模型。其中有代表性的

8、蜡沉积模型为：Burger等的模型【61，Hsu等人的蜡沉积模型与放大方法[10,11,12】，以及黄启玉等的模型【131。Burger模型中考虑了分子扩散和剪切弥散对蜡沉积的影响‘61，但其后的绝大多数研究和试验，均不支持剪切弥散使得原油中已析出蜡晶沉积的观点【4，51。Hsu等人建立了一套高压紊流实验环道【10,11,12]，该装置有两段完全相同的实验管段，一段为测试段，一段为参比段，这些管段都有控制壁温的水套。在试验过程