保溫原油管道蠟沉積研究綜述

胡志勇，吳 明，酆春博，任洪達，王少松，牛 冉

（1. 中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266071； 2. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

我國生產的原油多為含蠟粘稠原油，具有含蠟量高、凝點高、粘度大的特點[1]，管道蠟沉積一方面使管道流通面積減小，而且過厚的蠟沉積層會導致管道停輸再啟動過程出現危險；另一方面，蠟沉積層的存在起到了保溫作用，減小了管道運行的熱力費用[2]。

目前國內的原油管道少部分采用保溫層保溫，然而對于這類輸油管道的清蠟周期方案的制定只是在不保溫管道運行的經驗中得來的，缺乏深入的研究和科學的理論依據。因此，本文將分析國內外學者研究不保溫原油管道時的思路與方法，對影響蠟沉積因素、建立的實驗裝置、模型建立、保溫層影響等方面展開討論，提出保溫原油管道蠟沉積研究的方向。

1 蠟沉積的影響因素

1.1 油溫

李俊剛等[3]在蠟沉積室內模擬實驗裝置中進行實驗，將管壁溫度設置在42 ℃到50 ℃，獲得壁溫一定的情況下，隨著油溫的升高結蠟速率呈增大趨勢。

朱林等[4]對大慶原油進行系統實驗，實驗中在保持油壁溫差為2 ℃的前提下，通過改變油溫與流量的方案，得到如下實驗結果：在某一溫度下結蠟速率達到最大，該峰點溫度之前，隨著油溫的上升，結蠟量逐漸減少。

因此，在接近析蠟溫度的較高溫度與接近凝點的較低溫度之間有一個蠟沉積較為嚴重的區域，而在這上述的兩個溫度附近蠟沉積較輕。根據蠟沉積機理，這種情況應該與管壁溫度即油流與管壁的溫差有關。

1.2 溫差

如文獻[2]中所述，原油與管壁的溫差決定著蠟分子通過沉積層擴散與沉積層中低分子量烴的反擴散。當壁溫低于原油中蠟的初始結晶溫度時，將導致壁溫與中心油流的溫差和蠟分子的濃度梯度均增加，分子擴散作用也隨之增強。然而蠟沉積的發生必須滿足表面溫度低于原油的析蠟點和溶解溫度。因此，溫差是蠟沉積的主要因素，當壁溫高于油溫時，管壁內幾乎沒有蠟沉積；當滿足溫度條件時，蠟沉積量隨溫差的加大而增加。

1.3 剪切速率

Hsu等[5]在自行研制的高壓紊流環道裝置上進行實驗，認為層流情況比紊流情況下蠟沉積嚴重，隨著流速的增大，原油流動的流態從層流轉變為紊流時，其蠟沉積減少近75%。Jessen等[6]認為，層流與紊流兩種流態相比，由于流速增大、油壁溫差減小和壁面處剪切應力的增大，將會導致管壁上蠟沉積層變薄，因此，層流流態下蠟沉積量隨著剪切速率的增加相應地增加，而紊流流態恰恰相反。

Agrawal[7]在實驗過程中保證壁溫保持一定，研究不同油溫下，蠟沉積量隨流量大小變化的變化關系。實驗結果表明：在一定油溫下，蠟沉積量隨流量的增加先增加后減小，即存在一個蠟沉積量最大的流量值，且該流量值隨著油溫的升高而增大。

1.4 原油的組成

含蠟原油中通常含有膠質和瀝青質。這兩種物質的存在對蠟沉積的影響作用并不相同，單獨存在的瀝青質幾乎不會影響蠟沉積，瀝青質則對蠟沉積層的形成起到了加速作用。隨著原油含水率的增大，易在管壁形成水膜，從而削弱蠟與管壁的接觸機會和結合力，導致蠟沉積速率降低[8]。其他機械雜質的存在，也容易形成結蠟核心，增大結蠟強度。

2 實驗裝置

2.1 冷板法與冷指法

Hunt[9]、Jorda[10]、Charle[11]等人采用的冷板法試驗裝置中，可以通過磁力攪拌桿攪拌原油，易于控制油與板的溫差，使用該方法研究蠟沉積規律的試驗裝置較為簡單。Cole[12]等對油水兩相流層流狀態下的蠟沉積進行了冷板實驗，研究了不同的潤濕特性（冷板材質特性的改變）對蠟沉積的影響。

Hamouda[13]、Weispfening[14]和 Bern[15]等通過改變沉積面，即采用圓柱面，建立了冷指法試驗裝置，Hamouda利用冷指實驗裝置，研究了單相含蠟油體系中的蠟沉積規律，張宇等[16]利用冷指實驗裝置進行了含蠟油-水乳狀液的蠟沉積規律研究，該研究彌補了以往文獻中蠟沉積冷指實驗的不足，考慮了乳狀液粒徑分布對蠟沉積的影響，較為準確地描述了含蠟油-水兩相體系中的蠟沉積規律。

上述兩種方法在工作原理方面是類似的，均采用控制油溫與介質的溫度，達到恒溫、恒溫差或恒速降溫的目的，都可以測量規定時間間隔內的蠟沉積量，還可以測量溫度、溫差、冷卻速率、時間、沉積表面性質及化學劑等 6個方面對蠟沉積的影響。

2.2 旋轉圓盤法

Matlach等[17]使用旋轉圓盤法測量蠟沉積量的試驗裝置可通過控制油溫、轉盤溫度、旋轉時間和速度，實現圓盤轉速與蠟沉積量的實時測量。該方法除了能夠完成冷板法和冷指法所研究的6個方面的影響因素之外，還可以研究剪切速率對蠟沉積的影響，而且控制與測量的實現也較為方便。但存在的缺點是蠟沉積在旋轉的圓盤上，與實際管道中原油流動且沉積表面固定的情況并不相符。

2.3 環道法

環道法是將管道浸入冷卻介質中，使原油在管內流動，以此來控制原油的流量和溫度，以及冷卻介質的溫度，從而實現恒溫、恒溫差或恒速降溫的要求，最終可以測量規定時間內的結蠟量。該方法的最大優點是更易真實地模擬含蠟原油在實際管道中的流場分布和描述其蠟沉積規律。

較為典型的有Hunt等建立的小型環道模擬實際管道，這種裝置在蠟沉積厚度的測量方面較為困難，不能解決原油粘度在測量過程中的變化造成的壓降增大問題。Hsu[18]和Singh[19]等對原有環道裝置進行改進，設置了測試段與參比段兩個部分。Hsu等建立了高壓紊流環道，該裝置的測試段與參比段完全相同，利用水套控制管壁溫度，根據參比段與測試段的壓差計算蠟沉積量。該裝置的成功之處在于，不需頻繁拆卸試驗管段，重復性好，因此獲得的試驗結果較為準確。

在環道試驗方法中蠟沉積量的測量是試驗的關鍵因素，目前蠟沉積量的測定方法有如下幾種。

2.3.1 直接法

在環道試驗中測量蠟沉積量的直接方法是拆管法和清管法。拆管法就是測量從含有蠟沉積的測試管段中移出的沉積蠟的質量，從而確定結蠟厚度。清管法就是直接在管道中通球，然后測量移出的蠟容積來獲得結蠟厚度。這種直接法簡單直接，可以對蠟沉積物進行成分分析，由于該方法具有簡單直接以及可以分析蠟沉積物成分等優點，雖然存在操作耗時和只能計算平均厚度的缺陷，但在低壓單相流動的蠟沉積試驗研究中仍然廣泛應用。

2.3.2 壓降法

隨著蠟沉積的產生，管道的流通面積減小，流體的水力直徑也相應減小，從而造成了管道端面的壓力增大。因此壓降法就是根據達西公式，求得管壁的平均結蠟厚度。

目前，國內很多學者建立的蠟沉積試驗環道均采用壓降法，但該方法并不適用于多相流動中壓降特性更為復雜情況下結蠟厚度的測量。

2.3.3 傳熱法

在管道中未形成結蠟層的時候，流體與環境之間存在一個總的熱阻，隨著蠟沉積物的產生，整個管道會增加一個新的熱阻。傳熱法中是通過將新增熱阻與結蠟厚度近似地認為成正比，獲得相關的熱參數后，由傳熱公式解得結蠟厚度。

傳熱法是非插入式的在線結蠟厚度測量法，此方法能夠得到較為精確的結蠟厚度的前提是能夠精確地預測內外管壁上的傳熱系數。由于在多相管流中無法滿足這一要求，因此該方法并不適用。另外，對于水平管道和近水平管道，特別是當管道中出現段塞流和層流時，管壁周圍的傳熱系數通常是不相同的。

2.3.4 其他新技術

除上述方法外，目前還有一些新的測試方法。如液體置換與檢測法[20]、超聲波法和激光測厚法等。

液體置換與檢測法是將管段豎直放置，用參比段中的試驗油品重新填充經壓縮天然氣排空的測試段，根據油品在兩部分管段的液位高度的差值變化，計算測試管段中各環向截面的結蠟厚度。美國Tulsa大學[21]氣液兩相流蠟沉積試驗裝置中就采用了液體置換與檢測法裝置來測量結蠟厚度，試驗結果十分可靠、精確。

超聲波技術測量目前僅僅處于試驗階段，在國外Isaksen[22]和Adersen[23]等利用超聲波技術實現了在線測量管壁上蠟沉積物分布情況的目標。

Rainer[24]等人在測量單相原油結蠟厚度時采用了特殊的激光裝置，并使用微型照相機拍攝原油管道內壁的蠟沉積狀況，對蠟沉積發生前后的照片進行處理和分析后，可以觀測到較為精確的管內結蠟厚度環狀分布狀況，而且可以利用激光發射器在管道軸線方向的移動功能，達到了觀測管內蠟沉積厚度的軸向分布狀況的目的。

3 模型建立

目前關于蠟沉積的理論模型主要有兩種，一種是熱力學模型，另一種是動力學模型。動力學模型能夠確定不同流動及熱力條件下的蠟沉積量，所需參數較少，容易測定，比較適于研究工程實際問題。由于國內外學者在建立蠟沉積模型過程中，選取的影響因素和采用的建模方法不同，獲得的模型也有一定差異。

Hamouda等[25]認為在蠟沉積過程中，分子擴散占主導地位，忽略剪切彌散的影響，認為蠟分子質量分數梯度為常數，并建立了蠟沉積速率模型。然而，在實際中管內油流具有沖刷作用，并不存在所有擴散到管壁的蠟分子全部沉積的情況，因此，這一理論所建立的模型與工程實際有一定差距。

Hsu等[26,27]提出了將分子擴散和剪切彌散兩類影響因素考慮在內的蠟沉積傾向系數這一概念，該系數僅僅與溫度和剪切速率有關。該模型中探索了蠟沉積放大的問題，但其提出的“臨界蠟強度”物理意義較為牽強，而且放大依據并不充分。

Burer等[28]所建立的蠟沉積模型中，分別計算了因分子擴散和剪切彌散引起的蠟沉積，但是模型仍未考慮油流的沖刷作用，蠟沉積物的含蠟率也并非常數。另外，現在的絕大多數的研究中，均不支持剪切彌散使原油中已經析出的蠟晶沉積的觀點。

由于管壁沉積物中有部分物質并不是蠟，因此在對蠟沉積層的形成、老化等沉積機理進行深入的研究后，Singh等[29]人分別根據質量守恒和沉積機理，建立了新的蠟沉積速率模型和沉積物含蠟量計算模型。Hernandez等[30]人在借鑒Singh的思路基礎上，考慮剪切對沉積物的剝離作用，提出了改進的蠟沉積速率模型和沉積物含蠟量計算模型。

目前，在蠟沉積的研究中，多數學者認為影響管道蠟沉積速率的主要因素有4個，分別是剪切應力、溫度梯度、蠟分子的質量分數梯度和原油的動力粘度。

周詩崠等[31]采用逐步回歸法，將上述四個影響因素考慮在內，對實驗數據進行回歸處理，建立了大慶原油蠟沉積速率模型，為進一步研究原油管道蠟沉積規律和管道優化運行奠定了基礎。另外，其認為因不同油品的物性參數不同，加上蠟沉積過程的復雜性，造成了各個因素的影響因子并不相同，即蠟沉積速率與四類影響因素之間存在的是一個復雜的非線性關系，管道蠟沉積預測是一個多因素非線性預測問題[32]。該研究中采用人工神經網絡的方法模擬各種影響因素與原油管道蠟沉積速率之間的映射關系，建立了多因素非線性影響下的蠟沉積速率模型，預測精度高，誤差在2%以內。

逐步回歸法和人工神經網絡法相比，后者具有能夠描述多因素之間的非線性關系，求解精度高的優點，而前者只能描述線性關系，求解精度低；但后者的計算速度慢，不能得到蠟沉積速率與其影響參數的親疏程度，相反前者計算速度快，可以確定影響蠟沉積速率的主要因素[33]。

劉勇峰等[34]基于灰色系統理論建立了管輸原油蠟沉積速率灰色預測模型，該方法解決了因片面考察個別影響因素而影響整體預測結果的客觀性問題，比逐步回歸法求解的精度高，與逐步回歸法相比較，更適用于原油蠟沉積規律的預測。

刁俊[35]采用灰色神經網絡理論對原油管道內的蠟沉積速率進行了預測分析，與傳統的灰色預測方法相比，所得到的預測值更為接近實際值，蠟沉積速率的相對誤差絕對值在 1.6%以內，預測的效果良好。

4 保溫層影響

目前國內部分原油管道都使用了保溫層保溫，保溫層的使用減少了熱媒在輸送過程中的熱損失，保證了介質的出口溫度[36]，同時也改變了蠟沉積各個影響因素的作用效果，還可能改變影響蠟沉積因素的主次關系。若直接采用不保溫管道的蠟沉積速率模型與清蠟周期模型或根據不保溫管道運行經驗建立模型，都存在很大的偏差。

5 結束語

各類文獻中對不保溫原油管道蠟沉積規律的研究提出了思路與方法，針對目前在保溫管道中采用經驗模型所帶來的局限性，對于保溫原油管道研究，仍應該從蠟沉積機理入手，分析在保溫管道中各個影響因素的作用與關系，重新建立適用于保溫管道蠟沉積研究的試驗裝置，同時應準確模擬同一輸量下不同環境的蠟沉積狀況，運用新的測試與檢測技術，動態檢測管道內的蠟沉積分布，深入分析影響保溫原油管道蠟沉積的關鍵性因素，對保溫輸油管道的蠟沉積規律進行全面地研究，建立考慮多種因素影響的清蠟周期模型，分析溫降、燃料和電能消耗等對清蠟周期的影響，為保溫管道清管方案的制定提供更加科學的理論依據。

同時，應該解決將室內小管徑試驗管路的蠟沉積規律放大應用到大口徑實際管道的問題，利用現代動態仿真技術、室內環道試驗以及現場實驗，在保溫原油管道蠟沉積研究領域有所突破，以滿足工程實際的要求。

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