5.3含蜡原油管道的蜡沉积及清管

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3、管壁结蜡的机理
管内壁结蜡实际上是石蜡在管内壁的沉积过程和油流的冲刷 过程共同作用的结果。不少学者认为含蜡原油管道中的蜡沉 积机理有3个，即①分子扩散，②布朗运动， ③剪切弥散。 (1)分子扩散
含蜡原油在管内输送过程中，油温不断降低，当油温降低到 某一温度时，由于管壁温度总是低于油温，靠近管壁处的溶 解石蜡首先达到饱和状态，如果油温再降低，则会出现过饱 和，借助管内壁提供的结晶中心(粗糙突起、杂质)而首先析 出。管壁处石蜡的析出，使其浓度降低，这样便会在管壁和 紊流核心之间产生浓度梯度(Concentration gradient)。该浓 度梯度使溶解在原油中的石蜡分子从管中心向管壁扩散，为 管壁上的继续结蜡创造条件。
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在原油的温降过程中，必然有一个从开始析出少量的高熔点 石蜡，到大量析出中等分子量的蜡，以至析蜡量又逐渐减少 的过程。 蜡结晶大量析出的温度范围称为析蜡高峰区，随原油的组 成而不同。
2、管壁“结蜡”现象
我们通常所说的“结蜡”实际上是指在管道内壁上逐渐沉积 了某一厚度的石蜡、胶质、凝油、砂和其它机械杂质的混合 物。在长输管道的沉积物中，原油的含量要高些。
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从图可以看出，油温高于45℃时随油温的下降为结蜡缓增区， 在30～40℃之间为结蜡高峰区，低于30℃为结蜡递降区，这与 石蜡组成的图形基本一致。在结蜡高峰区，析出的是含量较高 的中等分子量石蜡，在此温度范围内，管截面上浓度梯度大， 油流粘度却不大，因而分子扩散作用强，且由于蜡晶颗粒的大 量析出，一方面碰撞的机会增多，容易互相粘结而沉积在管壁 上; 另一方面，蜡晶颗粒浓度的迅速增大使剪切弥散作用加强， 故形成了结蜡高峰区。 低温时, 油流粘度大, 分子扩散作用很弱, 虽然此时剪切弥散作 用较强, 但管壁处的剪应力较大, 且此时形成的凝结层的附着强 度不大, 凝油层又会被剪掉一部分, 故低温时凝油层较薄。
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④原油组成的影响 油品中含蜡是管壁结蜡的根本原因。因此油品含蜡量的大小 将直接影响石蜡沉积速率。含蜡量越高沥青质。研究表 明，油品中单独含有胶质时，对管壁的结蜡过程没有明显的 影响，当胶质与沥青质同时存在时，容易形成密实的结蜡层。 原油含水率增大，蜡沉积速率降低； 原油中含砂或其它机械杂质容易成为蜡结晶的核心，使结晶 强度增大。
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③流速的影响
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流速对管壁结蜡强度的影响主要表现为，随着流速的增大， 管壁结蜡强度减弱。层流时的结蜡比紊流严重， Re 数愈 小，结蜡愈严重。因为随着流速的增大，虽然管壁处剪切 速率的增大会使蜡晶的剪切弥散作用有所加强，但层流边 层的减薄，油壁温差的减小，管壁处剪切应力的增大，这 些因素都会使管壁上的结蜡层减薄。实践表明，当流速大 于1.5m/s时，管内就较少结蜡。流速对凝油层剪切冲刷的 强弱，还与决定于温度、原油物性、热处理条件等的凝油 层网络结构强度有关。右图为大庆原油蜡沉积强度与流速 的关系。
第三节 含蜡原油管道的蜡沉积及清管
由于含蜡原油的凝点一般高于管道周围环境温度，必须降 凝降粘后输送，目前多采用加热输送。
热输含蜡原油管道的特点：
随着管道中沿程油温的降低，在析蜡点以下，原油中石蜡 逐渐析出并沉积在管壁上，使流通截面减少，摩阻增大， 管道输送能力降低；同时又增大了油流至管内壁的热阻， 使总传热系数下降，并使输送费用增加。 如铁大线熊岳至复线站间自 1975年投产到 1979年底未进行 清蜡，管壁的当量结蜡厚度达 26mm ，摩阻上升 1.2MPa， 管道效率下降了 20％，1980年清管后，在同样的输油压力 下输量比1979年提高了100万吨。
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由于管内壁结蜡，给输油工作带来了许多新的问题。以 往大庆和胜利油田采用保持输油温度不低于40℃的措施 来控制管内壁结蜡，这虽然是减少结蜡的措施，但增加 了管道的热损失。为了在经济加热温度较低时确保管道 的输油能力，国内外对管内壁石蜡沉积的条件和机理进 行了不少实验研究工作。下面就管内壁的结蜡机理、影 响管内壁石蜡沉积速率的因素、管壁结蜡时温降和摩阻 的影响以及减少结蜡和清蜡措施作简单介绍。
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大口径长输管道的“结蜡”特点： 管壁上的凝结层一般比较松软。 管壁上的沉积物有明显的分界，紧贴管壁的是黑褐色发暗、 类似细砂的薄层，其组成主要是蜡，是真正的结蜡，有一 定的剪切强度，这一层的厚度一般只有几毫米，与管壁粘 结较牢固，在蜡层上面是厚度要大得多的黑色发亮的沉积 物，主要是凝油，即在蜡和胶质、沥青质构成的网络结构 中包含着部分液态粘油。 在管道中途某一温度范围内是结蜡高峰区，过了结蜡高峰 区后结蜡层有减薄现象，在末端结蜡层厚度又上升，这是 由于油流带来的前面冲刷下来的“蜡块”重新沉积的缘故。
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考虑到管壁上的结蜡层实际上是由蜡结晶作网络骨架的凝 油，故凝结层的总沉积速率Wt应为WtL除以重量百分数表示 的原油含蜡量CL，即：
Wt WtL / C L
试验表明，油温高、热流强度大、油壁温差大、油流粘度又 小时，分子扩散对沉积速率起主要影响；油温低、热流弱、 剪切速率又大时，剪切弥散起主要作用。但随着剪切速率的 上升，由于剪切应力增大，又可能剪掉管壁上的凝油层。当 两者达到动态平衡时，冲刷速率等于沉积速率，结蜡层厚度 达到稳定值。
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二、热输含蜡原油管道工艺设计应注意的问题 1、设计参数的选择 一般取进站油温高于原油凝点。若接近或低于凝点，必 须考虑管道停输温降情况及再启动措施，保证管道能顺 利地再启动。
出站油温过高对减少含蜡原油摩阻作用不大而会显著增 大热损失，故出站油温不宜过高。
含蜡原油的比热容在热力计算时采用所计算的温度区间 的平均比热容。
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3、防止结蜡和清蜡的措施 由上面的讨论我们知道，管壁结蜡对热油管道的运行和管理是 不利的，那么我们应当怎样才能防止和减少结蜡呢？ 从影响蜡沉积的因素方面考虑，防止和减少结蜡的措施有： (1) 保持沿线油温均高于析蜡点，可大大减少石蜡沉积。
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由于油品具有粘性，旋转的蜡晶颗粒会使靠近颗粒表面的 流层产生环流。处于环流区的颗粒对相邻的颗粒会产生吸 引力，使之互相碰撞。如果原油中蜡晶颗粒很少，相互碰 撞只产生暂时的位移，以后仍然回到原来的流线，并不产 生净的径向移动。如果原油中蜡晶颗粒很多，则互相碰撞 会造成净的横向分散，称为剪切弥散，使石蜡结晶从紊流 核心向管壁传递，传递来的石蜡便在管壁处沉积起来。另 外原油中的微晶蜡处于热运动状态，因此产生布朗运动， 由于径向存在浓度梯度，布朗运动的净结果，使蜡晶颗粒 由高浓度区向低浓度区扩散。上述两种扩散作用引起的石 蜡沉积速率可表示为：
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②油壁温差的影响
沉积速率随油壁温差的增大而增大。这是因为油壁温差越大，浓度梯度 和蜡晶浓度就愈大，从而分子扩散和剪切弥散作用都加强。 油壁温差的大小不仅取决于油温和周围介质温度，还与管道的热阻大小 有关。在冬季，地温低，油壁温差大，结蜡较严重。在某些散热很大的 局部段落，地下水位高并有渗流处，保温层破损的水下管道，或覆土太 浅的管段，结蜡层的厚度可能最大。
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⑤管壁材质的影响 试验表明管壁材质和光洁度对结蜡也有明显的影响。由于 管壁或涂料的表面结构和性质不同，在石蜡结晶过程中内 壁所提供的结晶核心的多少和结晶的难易程度就不同，因 此结蜡速率也不同。管壁的粗糙度越越大，越容易结蜡。
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WdL K C (du/ dr)bi
式中：(du/dr)bi—管壁处的速度梯度，1/s
②
K*—沉积速率常数，可由试验确定，kg/m2 C*—管壁处蜡晶的体积百分浓度 由式①②所得的沉积速率相加，就得到由分子扩散及蜡晶 横向移动引起的总的蜡沉积率：
WtL WmL WdL
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对于埋地管道，凝油层厚度的变化还随季节而不同，当地温 逐渐下降时，凝油层逐渐增厚；当地温逐渐上升时，凝油层
又逐渐减薄。当输量和油温稳定时，在某一季节，凝油层厚
度常保持在某一范围内。 以上分析了各因素单独对管壁结蜡的影响。实际运行的管道 结蜡的情况受到上述诸因素的综合影响。
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2、流态和流型的变化
进站油温低于反常点的热含蜡原油管道可能出现的情况为：
牛顿紊流→牛顿层流或非牛顿紊流→非牛顿层流 按临界雷诺数值可计算出紊流转变为层流时的临界粘度υLj 及对应的油温 TLj
T反 LJ TLj T反 ，牛顿紊流 T 非牛顿层流 牛顿层流 T反 LJ TLj T反 ，牛顿紊流 非牛顿紊流 非牛顿层流 T
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(4) 冲刷过程 上面讨论了石蜡沉积层的凝结生长过程，另外还存在另 一个相反作用，即油流的冲刷作用。大家在流体力学中 已学过，流体在管内流动时，管壁处的剪切应力最大， 随着结蜡层在管壁上的生长，管内流速不断增大，管壁 处的剪切应力也不断增大，当管壁处的剪切应力大于沉 积层的破环强度时，就会有部分沉积物从管壁上剥落下 来。随着外部沉积物的剥落，凝结层还会生长，最后凝 结层的生长和油流冲刷处于动平衡状态，凝结层厚度达 到一个稳定值 ，即由于冲刷过程的存在使结蜡层不会无 限制地增长。