原油管道安全停輸時間影響因素分析

徐雙友, 劉 斌

（中國石化管道儲運公司襄陽輸油處，湖北 襄陽 448002）

原油管道安全停輸時間影響因素分析

徐雙友, 劉 斌

（中國石化管道儲運公司襄陽輸油處，湖北 襄陽 448002）

我國原油管道近幾十年發(fā)展迅速，有些管道已經(jīng)進入發(fā)展中后期，管道發(fā)生事故的概率上升。原油管道不可避免發(fā)生停輸，安全停輸時間是再啟動的關(guān)鍵參數(shù)，對于管道的安全運行至關(guān)重要。根據(jù)輸油管道溫降公式，利用迭代法求解公式，并編制了應用軟件。研究發(fā)現(xiàn)，安全停輸時間不是一個定值，它隨管道輸量、出站溫度、自然地溫和原油比熱容的增加而增加，隨總傳熱系數(shù)的增加而降低。當管道周圍參數(shù)發(fā)生變化時，需要密切關(guān)注安全停輸時間，研究結(jié)果可以為原油管道的安全運行提供指導。

原油；管道；安全停輸時間；出站溫度；總傳熱系數(shù)

目前，管道以其數(shù)量大、價格低、輸送距離長等優(yōu)勢不斷發(fā)展，已經(jīng)成為我國原油輸送的主要方式，我國輸油管道的總里程在不斷增加[1]。然而，我國大多數(shù)油田生產(chǎn)的原油大多為高含蠟原油，主要采用熱油輸送的工藝，最近幾年來，我國早期投入生產(chǎn)的管道陸續(xù)已經(jīng)進入中晚期，管道的輸量在不斷變小，管道受自然環(huán)境的影響，發(fā)生事故的概率在不斷上升。輸油管道由于長期運行以及人為操作等的影響，難免需要進行停輸， 以進行維修等事宜[2]。同時，由于輸量的減小，也有用間歇輸油的工藝來代替正反輸工藝。

輸油管道停輸之后，管道內(nèi)油溫會不斷下降，原油粘度會隨著原油溫度的降低而變大，原油粘度升高后，會給輸油管道的再啟動造成很大的麻煩，如果發(fā)生凝管，將會帶來很大的經(jīng)濟損失[3]。輸油管道的安全停輸時間是管道事故處理、編制維修計劃和再啟動方案的關(guān)鍵參數(shù)，所以，研究安全停輸時間的計算方法和影響因素至關(guān)重要。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)很多學者對原油管道停輸溫降過程做了大量研究，張圓圓利用數(shù)值計算的方法，建立了熱油管道溫降問題的數(shù)學模型，模擬了水下管道、架空管道和埋地管道停輸溫降的過程，得出了熱油管道不同環(huán)境下溫降的過程的規(guī)律[5-7]。南發(fā)學利用熱力學原理，運用數(shù)值計算的方法，計算出不同季節(jié)管線溫降隨時間的變化曲線圖，為不同季節(jié)的管線檢修提供了一定指導[8]。李偉采用數(shù)值計算的方法，建立了熱油管道運行的數(shù)學模型，計算出大修期間管道熱力參數(shù)對停輸溫降的影響規(guī)律，并以鐵秦線為例，得出了管線檢修開挖的最大長度[9]。同時，李偉通過理論分析研究發(fā)現(xiàn)，停輸時的初始條件、原油物性、管道周圍環(huán)境、管道結(jié)構(gòu)等都會影響停輸后溫降分布[10]。劉曉燕運用數(shù)值計算方法，對慶哈埋地管道在不同月份的允許停輸時間進行了計算，得出了不同月份的安全停輸時間，同時發(fā)現(xiàn)泄洪區(qū)是停輸過程中最危險的地段[11]。王雷運用數(shù)值方法，研究了保溫層不同失效比例時對熱油管道安全停輸時間的影響，研究發(fā)現(xiàn)不同失效比，管道的安全停輸時間不一樣[12]。孫偉棟利用熱力學原理，將埋地管道的數(shù)學模型應用到海底管道的傳熱研究上，建立了海底管道的傳熱模型，并將模擬計算結(jié)果同實驗結(jié)果進行了對比，誤差在可控范圍內(nèi)[13]。

2 數(shù)學模型

原油管道停輸后，主要散熱過程有三步：原油與鋼管壁之間的自然對流傳熱、鋼管壁與防腐層之間的導熱和防腐層與大地之間的導熱。這是一個三維非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，在實際過程中，由于管道軸向溫降相對徑向很小，所以在運用數(shù)值計算的過程中，通常將傳熱過程簡化為二維非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。

原油管道停輸過程中溫降是一個影響因素非常復雜的體系，很難給出準確的解析解。目前，前人對停輸過程的研究主要采用數(shù)值計算的方法，實踐證明，此類方法可以滿足工程需要。采用數(shù)值計算方法可以在花費很少的人力和時間的條件下，獲得大量的研究成果。

對于埋地管道，按照集總參數(shù)法做如下假設來計算停輸溫降：（1）管道橫截面上溫度梯度不計，橫截面油溫按平均值計算；（2）總傳熱系數(shù)為定值；（3）油品物性不隨溫度變化而變化；（4）環(huán)境溫度為定值；（5）保溫層的熱容量忽略不計[14]。

前人雖然對熱油管道的溫降規(guī)律做了大量研究，但是都是針對某一個因素進行了計算，沒有分析各個因素對安全停輸時間的具體影響規(guī)律，同時數(shù)值計算方法太復雜，很難掌握。本文采用數(shù)值計算的方法，運用 C++程序語言編程代碼來求解，研究輸油管道輸量、出站溫度、總傳熱系數(shù)、自然地溫和原油比熱容參數(shù)對安全停輸時間的影響規(guī)律，同時編制了應用軟件，以期為原油管道的安全運行提供一定指導。

1.1 原油管道沿線溫度分布

原油管道周圍土壤的蓄熱量和熱阻很大，在管道停輸后油流溫度降低速率非常慢，所以可以假設油流的溫降過程是一系列相互交替的穩(wěn)態(tài)過程，假設在 dt時間內(nèi)，管道內(nèi)原油及管道溫降熱量與管道向環(huán)境周圍的散熱量相同，總傳熱系數(shù)K為一定值，就可以求得管道截面上平均溫度的變化規(guī)律。

將上式合并

對上式進行積分，當τ=0時，距出站位置 L處油溫按蘇霍夫溫降公式有：

則距出站位置L處，停輸τ時間后管道內(nèi)油溫的計算公式為：

式中：TL—停輸 τ時間后，距管道出站位置L處的管道內(nèi)油溫，℃；

T0—管道埋深處自然地溫，℃；

TR—開始停輸時管道出站溫度，℃；

K—管道穩(wěn)定工況下的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

D,D1,D2—管道平均直徑、鋼管內(nèi)徑、外徑，m；

G—油品的質(zhì)量流量，kg/s；

cy—平均輸油溫度下油品的比熱容，J/(kg·℃)；

L—距管道出站位置的距離，m；

τ—停輸時間，s；

cg—鋼材的比熱容，J/(kg·℃)；

ρg—鋼材的密度，kg/m3；

ρy—油品密度，kg/m3。

在上式中，采用穩(wěn)定運行時的總傳熱系數(shù)代替停輸后的傳熱系數(shù)，由于管道停輸后管內(nèi)自然對流換熱的傳熱系數(shù)要低于管道運行時管內(nèi)強迫對流換熱的傳熱系數(shù)，因此采用穩(wěn)定運行時的總傳熱系數(shù)值計算停輸后的油溫要比實際油溫低一些，但在停輸時間較短，熱阻變化較小的情況下，采用公式進行簡化計算的結(jié)果與實際相差不大。

1.2 安全停輸時間求解

對上述公式，采用迭代法來求解安全停輸時間。在開始計算時，首先假設安全停輸時間為零，代入式中計算出管道沿線溫度分布，然后時間不斷疊加，直到管道末端溫度等于最小允許進站溫度，此時的時間即為安全停輸時間[15]。圖 1 為安全停輸時間計算框圖。

3 實例分析

以某已建的原油管道為例，兩個輸油站之間的距離為 24 km，管道管徑為 377 mm×8 mm，原油允許的最低進站溫度為 39 ℃，管道的總傳熱系數(shù)為2.85 W/(m2·℃)，管道原油輸量為 320 m3/h，管道周圍環(huán)境溫度為 12℃，首站出站油溫為 65 ℃，原油密度為 949 kg/m3，原油的比熱容為 2 226 J/(kg·K)，鋼管的密度 7 861 kg/m3，鋼管的比熱容為 479 J/(kg·K)。

圖 1 安全停輸時間計算框圖Fig.1 Solution chart of safety shutdown time

根據(jù)圖1 的計算框圖，利用 C++語言編寫可視化的計算程序，將繁瑣的計算公式和求解過程隱藏在程序后臺，用戶在使用時，界面非常清晰，可以實現(xiàn)可視化操作，用戶僅需輸入相應參數(shù)的值，并可完成計算，軟件對計算機硬件的要求很低，計算速度很快，使用非常方便快捷，軟件界面見圖2所示。

圖 2 軟件計算界面Fig.2 Calculation software interface

2.1 輸量對安全停輸時間的影響

保持其它參數(shù)不變，改變輸油管道輸量的大小，利用軟件計算結(jié)果如圖3所示，當輸油管道的輸量變大時，安全停輸時間變長。當輸量從 220 m3/h 增加到 400 m3/h 時，輸油管道的安全停輸時間增加了9.3 h，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是當輸量增加時，管道內(nèi)熱量增大，所以溫降時間較長。隨著輸量的慢慢增加，安全停輸時間的增加的幅度慢慢變小。目前，我國大部分油田原油產(chǎn)量下降，低輸量運行的管道很多，所以在低流量的工況下，更要注意輸量對安全停輸時間的影響。在允許的條件下，在停輸之前，可以采用正反輸?shù)姆绞教岣咻斄浚瑫r提高原油管道的安全停輸時間。

圖 3 安全停輸時間隨輸量的變化曲線Fig.3 Safe shutdown time under different throughput

2.2 出站油溫對安全停輸時間的影響

改變輸油管道原油出站溫度的大小，其它參數(shù)不變，利用計算軟件計算結(jié)果如圖4所示，由圖可知當管道出站油溫增加時，管道的安全停輸時間增加，當出站油溫從 55 ℃增加到 73 ℃時，安全停輸時間增加 11.6 h。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是出站油溫增加時，管道內(nèi)油品的總熱量增加，所以在其它參數(shù)不變的情況下，安全停輸時間變長。由圖可知出站溫度與安全停輸時間的函數(shù)關(guān)系近似于直線。

圖 4 安全停輸時間隨出站溫度的變化曲線Fig.4 Safe shutdown time under different out-station temperature

2.3 總傳熱系數(shù)對安全停輸時間的影響

改變總傳熱系數(shù)的大小，其余參數(shù)不變，利用計算軟件計算結(jié)果如圖5所示，由圖可知安全停輸時間隨總傳熱的增加而減小，當管道的總傳熱系數(shù)從 0.85 增加到 4.45 W/(m2·℃)時，安全停輸時間減小了 60.5 h，特別是當總傳熱系數(shù)為 4.45 時，進站溫度低于 39 ℃，所以必須要提高原油出站溫度。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是當總傳熱系數(shù)變大時，管道溫降加快，所以管道內(nèi)油溫降低速度加快，管道安全停輸時間變短。由圖可發(fā)現(xiàn)安全停輸時間隨總傳熱系數(shù)的變化非常強烈，當管道周圍環(huán)境發(fā)生變化時，引起總傳熱系數(shù)發(fā)生變化時，要特別注意安全停輸時間。

圖 5 安全停輸時間隨總傳熱系數(shù)的變化曲線Fig.5 Safety shutdown time under different overall heat transfer coefficient

圖 6 安全停輸時間隨自然地溫的變化曲線Fig.6 Safe shutdown time under different natural ground temperature

圖 7 安全停輸時間隨原油比熱容的變化曲線Fig.7 Safe shutdown time under different heat capacity of the crude oil

影響原油管道總傳熱系數(shù)的因素有保溫層損壞程度、防腐層損壞程度、管道周圍土壤的濕度、覆土的厚度、大氣濕度等。當發(fā)生洪災、大雨大雪天氣、管道維修開挖等因素都會影響總傳熱系數(shù)，在發(fā)現(xiàn)這些因素發(fā)生變化時，必須實時監(jiān)督管線的安全停輸時間。

2.4 自然地溫對安全停輸時間的影響

改變管道周圍自然地溫的大小的值，其余參數(shù)不變，利用計算程序計算結(jié)果如圖6所示，由圖可知輸油管道安全停輸時間隨著自然地溫的增加而增加，當自然地溫從 0 ℃增加到 18 ℃時，安全停輸時間增加了 9.4 h。產(chǎn)生比現(xiàn)象的原因是當?shù)販刈兏邥r，管道與周圍環(huán)境的溫差變小，所以熱流量變小，管道溫降變慢。自然地溫對安全停輸時間直接的函數(shù)關(guān)系近似于直線。當發(fā)生強降溫、管線裸露時，特別是冬季地溫較低時，需要特別關(guān)注安全停輸時間。

2.5 原油比熱容對安全停輸時間的影響

改變原油比熱容的大小，其余參數(shù)不變，利用計算軟件計算結(jié)果如圖7所示，由圖可知管道安全時間隨管道中原油比熱容的增大而增大，當原油比熱容從 1 726 J/(kg·K)增大到 2 626 J/(kg·K)時，安全停輸時間增大了 6.1 h，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是原油比熱容變大，自身攜帶熱量變多，其它參數(shù)不變，溫降的時間變長。比熱容對安全時間的影響函數(shù)關(guān)系近似于直線。所以在輸送不同的油品時，管線的安全停輸時間不一樣，在輸送比熱容較低的原油時，需要注意安全停輸時間的變化。

4 結(jié) 論

由以上分析可知，對于一條已建輸油管道，管道的安全停輸不是一個固定的值，它會隨著管道周圍環(huán)境參數(shù)以及運行參數(shù)的變化而變化。輸油管道的安全停輸時間隨管道輸量、出站溫度、自然地溫和原油比熱容的增大而增大；隨管道總傳熱系數(shù)的增大而變小。當輸油管道環(huán)境參數(shù)和運行參數(shù)發(fā)生改變時，影響總傳熱系數(shù)發(fā)現(xiàn)變化后，要密切留意安全停輸時間的變化，及時為熱油管道的檢修和安全運行提供準確的指導。

［1］張鳳桐.含蠟原油管道流動特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2007.

［2］崔秀國，張立新，姜保良,等.熱油管道停輸再啟動特性的環(huán)道模擬試驗研究[J].油氣儲運，2009,28(1):27-29.

［3］王兵,李長俊,鄧青.熱油管道停輸后再啟動數(shù)值模擬[J].石油天然氣學報,2007,29(3):476-478.

［4］萬新強，劉艷平.鐵大輸油管道低輸量問題的分析[J].油氣儲運，2002, 21(8): 46-48.

［5］羅塘湖.原油管道低輸量運行問題[J].油氣儲運,1994, 13(6): 13-15.

［6］張秀杰，劉天佑，虞慶文.熱油管道低輸量的安全運行[J].油氣儲運，2003,22(4):8-13.

［7］張園園.熱油管道停輸降溫過程的數(shù)值模擬[D].東營：中國石油大學(華東)，2007.

［8］南發(fā)學，亢春，張海,等.熱油管道停輸溫降數(shù)值模擬[J].天然氣與石油,2009,27(1):7 -10.

［9］李偉,張勁軍.埋地含蠟原油管道停輸溫降規(guī)律[J].油氣儲運,2004,23 (1):4-8.

［10］李偉,宇波,張勁軍,等.熱油管道防腐層大修期間熱力參數(shù)的數(shù)值模擬[J].中國石油大學學報,2009,33(1):103-108.

［11］劉曉燕,龐麗萍,王振.慶哈埋地管道允許停輸時間的計算[J].油氣儲運,2003,22(5):18-21.

［12］王雷，吳明,賈馮睿,等.保溫層失效比例對熱油管道安全停輸時間的影響[J].遼寧石油化工大學,2012,32(4):55-58.

［13］吳國忠.海底輸油管道傳熱模擬計算[D]. 大慶：大慶石油學院，2007.

［14］楊筱衡.輸油管道設計與管理.中國石油大學出版社,2006-05 .

［15］劉少山.原油管道安全優(yōu)化運行技術(shù)研究[D].撫順：遼寧石油化工大學,2008.

Analysis of Influence Factors for Crude Oil Pipeline Safety Shutdown Time

XU Shuang-you，LIU Bin
（Sinopec Pipeline Storage & Transportation Company Xiangyang Oil Transportation Department, Hubei Xiangyang 448002，China）

In recent decades crude oil pipeline in our country is developing rapidly, some pipes have entered the mid-and-late part stage, and probability of pipeline accidents rises. It is inevitable that crude oil pipeline shutdown happens. The safe shutdown time is a key parameter for start-up and it is very important to safe operation of pipeline. In this paper, according to the pipeline temperature drop formula, the iteration was used to solve the formula, and its application software was compiled. The study found that safe shutdown time is not a fixed value. It increases along with the increase of throughput, outbound temperature, natural ground temperature and heat capacity of the crude oil, and decreases with the increase of the total heat transfer coefficient. When the pipe parameters change, the safe shutdown time should be paid more attention. The results can provide the guidance to the safe operation of oil pipeline.

Crude oil; Pipeline; Safe shutdown time; Out-station temperature; Overall heat transfer coefficient

TE 832

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1353-04

2014-05-19

徐雙友（1974-），男，湖北襄陽人，工程師，1998 年畢業(yè)于河北省廊坊市石油管道學校石油儲運專業(yè)。研究方向：從事石油管道儲運的生產(chǎn)管理工作。郵箱：xusy_74@126.com。