输油管道设计与管理优秀课件

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。
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。
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。
dC —温降1℃析出的蜡晶量的百分数，即蜡晶在原 dT 油中的溶解度系数，1/℃ dT —管壁处径向温度梯度，℃/m
dr
Dm B/
式中：μ—原油的动力粘度，Pa·s B —常数，近似取 2.4×10-2 N
管壁处径向温度梯度可根据微元管段上的热平衡求得：
yD0dLd dT rrRGyC d dT L dL
石蜡分子向管壁的扩散速率可用Fick扩散方程计算：
ddGLDm
dC dr
由 W mL d dG 和ddC rd dC TddT r可得
WmLLDmddC TddT rrR
①
式中：WmL—单位时间扩散通过单位面积的蜡分子的质量， 即由分子扩散引起的蜡沉积速率，kg/(sm2)
ρL—蜡的密度，kg/m3, Dm—分子扩散系数，m2/s；
(2) 布朗运动(Brownian movement)
层流边界层中的蜡晶粒，会由于布朗运动而互相粘结变 大而沉降，但其作用较弱。
(3) 剪切弥散(shear dispersion)
当原油温度降到析蜡点以下时，石蜡 分子就形成微小的蜡晶从原油中析出。 悬浮在层流中的蜡晶颗粒，由于流速 梯度场的存在，会以一定的角速度作 旋转运动，并出现横向的局部平移 （如图所示），使蜡晶向管壁移动， 最后沉积在管壁上。
含蜡原油在温降过程中，其中所含的蜡总是按分子量的高 低，次第析出。
当温度降到其含蜡量高于溶解度时，某种熔点的蜡就开始从 液相中析出。由于蜡晶粒刚开始析出时，不易形成稳定的结 晶核心，故原油常在溶蜡量达到过饱和时，才析出蜡晶。
原油中刚开始析出蜡晶粒时的温度称为蜡的初始结晶温度， 或称为析蜡点。
析蜡点的判定： ①原油中蜡晶粒的析出量已开始影响原油的粘温曲线，使其
一、原油析蜡和管壁结蜡过程
1、温降过程中石蜡的析出 原油中的石蜡是指十六烷以上的正构烷烃的混合物，其中 中等分子量的蜡组分含量最多，低分子量和高分子量的蜡 所占的比例都比较小。
蜡在原油中的溶解度随其分子量的增大和熔点的升高而下 降，随原油密度和平均分子量的减小而增加。不同熔点的 蜡在同一种原油中有不同的溶解度。
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。
发生转折时的温度，可由实测粘温曲线来判断。
②原油比热—温度曲线开始随温度的下降而上升时的温度。
根据上述两种方法确定的析蜡点并非刚开始析出蜡晶粒时的 温度，在该温度时，已经有相当数量的蜡晶析出了。
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。
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、
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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ห้องสมุดไป่ตู้用增加。
dT GCy dT
drrR yD0 dL
dT/dL为轴向温度梯度，可由轴向温降公式计算。
严格地说，Fick定律只适用于静止油品被冷却时的扩散情 况。流动流体内部的质量传递机理取决于流体的流动状态， 紊流时，管内油品的流动可分为三层：层流边层 、紊流核 心以及处于两者之间的过渡层。在紊流核心中，流体中充 满了旋涡和湍动而使流体质点产生垂直于流动方向的移动， 故紊流核心中温度梯度几乎为零，浓度梯度也为零，即温 度和浓度均匀一致，但在紧贴管壁的层流边层内质点只沿 流动方向移动，垂直于流动方向的质量传递只能靠分子扩 散，所以在层流边层内仍可用Fick定律描述。
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：