長方體膠凝原油在熱水中的融化實(shí)驗(yàn)

劉曉燕 崔曉琳 王露 等

摘 要： 研究膠凝原油融化特性對原油集輸及停輸再啟動(dòng)等過程具有重要的意義。對初始溫度為10 ℃，尺寸為30 mm ×30 mm×10 mm原油試件在52.5、60、72.5 ℃三種不同水溫中進(jìn)行融化實(shí)驗(yàn)，并用紅外熱像儀記錄原油融化過程隨時(shí)間的變化情況，分析水溫對融化時(shí)間、原油表面中心點(diǎn)溫度以及原油形狀的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膠凝原油上表面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間先緩慢升高，后迅速增加，最后變緩并逐漸趨于水溫；實(shí)驗(yàn)條件下原油融化時(shí)間分別為690、300 和220 s；融化過程中原油上表面形狀從方形逐漸變?yōu)閳A形。

關(guān) 鍵 詞：膠凝原油；長方體；融化實(shí)驗(yàn)；紅外熱像儀；溫度

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）03-0532-03

Abstract： The investigation of melting characteristics of the gelled crude oil is of great importance for both gathering and transferring process and shutdown and restarting process. The initial temperature of crude oil is 10 ℃ and the size is 30 mm×30 mm×10 mm. There are three groups of experiments with temperatures of water are 52.5， 60 and 72.5 ℃， respectively. The thermal infrared imager is used to record the changes of oil melting process with time. The purpose of this paper is to analyze the influence of water temperature on total melting time， the center temperature on the surface of gelled crude oil， and the shape of crude oil. The results show that the center temperature on the surface of gelled crude oil raises slowly first and then increases rapidly， and finally tends to the water temperature. The melting time of crude oil under this condition is 690， 300 and 220 s， respectively. The surface shape of crude oil changes from square to circle in melting process.

Key words： Gelled crude oil； Cuboid； Melting experiment； Thermal infrared imager； Temperature

當(dāng)油溫低于含蠟原油的析蠟點(diǎn)后，蠟晶析出，在一定的蠟晶析出濃度下，蠟晶之間彼此交聯(lián)形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。隨著油溫繼續(xù)降低，膠凝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不斷增大，從而使原油整體上失去流動(dòng)性。強(qiáng)度過大的膠凝結(jié)構(gòu)很可能導(dǎo)致凝管事故的發(fā)生，影響管道的安全運(yùn)行。為了保證原油正常集輸，早期油田普遍采用摻熱水或伴熱保溫輸送的集輸工藝。然而，課題組的現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原油產(chǎn)出液溫度遠(yuǎn)低于原油凝點(diǎn)時(shí)，即使摻入高溫水仍不能很快融化，存在凝油嚴(yán)重堵塞集輸管道的現(xiàn)象，造成集輸困難。為保證油田安全生產(chǎn)，對膠凝原油融化過程進(jìn)行研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)于融化問題，目前的研究主要體現(xiàn)在冰雪融化、金屬融化、蓄能復(fù)合相變材料、石蠟及各種油產(chǎn)品等領(lǐng)域。在實(shí)驗(yàn)研究方面，Wu等[1]制備了一種新的熔鹽作為拋物型太陽能集熱器的傳熱介質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)獲得了太陽集熱器的熱損失。杲東彥等[2]設(shè)計(jì)了開孔泡沫鋁內(nèi)石蠟融化相變過程的可視化實(shí)驗(yàn)，對純石蠟與石蠟/泡沫鋁復(fù)合材料融化界面與溫度分布情況進(jìn)行對比分析，證實(shí)后者具有更好的熱響應(yīng)性能。于航[3]，章學(xué)來等[4]均設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并研究了以金屬為骨架，石蠟為相變材料的相變傳熱過程。Liang等[5]進(jìn)行了換熱器翅片管上的霜融化成水的可視化實(shí)驗(yàn)。蔣興良等[6]針對目前研究很難模擬覆冰導(dǎo)線真實(shí)的融冰和脫冰環(huán)境的情況，在自然覆冰實(shí)驗(yàn)站開展了直流融冰試驗(yàn)。湯文斌[7]自行搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了接觸線覆冰融冰實(shí)驗(yàn)研究，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對相關(guān)影響因素如溫度、液態(tài)水含量、風(fēng)速對覆冰情況的影響進(jìn)行了討論。朱煜[8]進(jìn)行了內(nèi)融冰和外融冰實(shí)驗(yàn)，分別討論了靜態(tài)外融冰、鼓氣擾動(dòng)外融冰中初始蓄冰量及取冷模式的不同對外融冰的影響。此外，還有一些學(xué)者同時(shí)進(jìn)行了融化的實(shí)驗(yàn)與模擬研究。葉宏等[9]采用等效容法和焓法分別對定形相變材料熔解過程進(jìn)行模擬分析。郝紅升等[10]設(shè)計(jì)室內(nèi)水體結(jié)冰試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)得到冰蓋厚度、水溫和冰內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化過程，并與模擬結(jié)果對比。

綜上可以看出，對膠凝原油融化過程的研究目前少有報(bào)道。與上述文獻(xiàn)中提到的相變材料不同的是，膠凝原油組分多，融化過程更為復(fù)雜，采用數(shù)值模擬方法存在一定困難。因此，本文根據(jù)實(shí)際工程背景，設(shè)計(jì)膠凝原油在不同溫度條件下的融化實(shí)驗(yàn)，用紅外熱像儀記錄原油上表面融化過程隨時(shí)間的變化情況，分析水溫對融化時(shí)間、原油表面中心點(diǎn)溫度以及原油形狀變化的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)本體及測試

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)所用容器為圓筒型，其直徑為110 mm，高為120 mm，圓筒的側(cè)面及底面均覆有保溫材料，可視為絕熱。實(shí)驗(yàn)時(shí)圓筒內(nèi)裝滿熱水，圓筒上表面暴露在室內(nèi)空氣中。

實(shí)驗(yàn)所用原油油樣尺寸為30 mm×30 mm×10 mm（長×寬×高）。原油凝點(diǎn)為38 ℃。

其他實(shí)驗(yàn)測試儀器還包括溫度計(jì)，量程為50～100 ℃，精度為0.1 ℃；Fluke紅外熱像儀，型號(hào)為Ti 27，溫度測量范圍-10～250 ℃，精度為±2 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)初始條件及邊界條件

初始條件：熱水初始溫度分別為52.5、60、72.5 ℃；原油凝點(diǎn)38 ℃，膠凝原油實(shí)驗(yàn)初始溫度為10 ℃，過冷度為28 ℃；室內(nèi)溫度為21.5 ℃。

邊界條件：對于圓筒，其底面及側(cè)面覆有保溫材料，因此均視為絕熱。對于原油，由于其密度比水小，因此部分原油暴露在空氣中，與室內(nèi)環(huán)境之間存在自然對流換熱和輻射換熱；浸沒在水中的原油與水之間為自然對流換熱。熱水上表面與室內(nèi)環(huán)境之間為自然對流換熱和輻射換熱。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)之前，將原油做成尺寸為30 mm×30 mm×10 mm的長方體油樣，置于溫度為10 ℃的恒溫箱中恒溫，使其達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。進(jìn)行52.5、60、72.5 ℃等三種不同水溫的原油融化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，記錄室內(nèi)環(huán)境溫度，將初始溫度為10 ℃的油樣放入盛有熱水的圓筒中并開始計(jì)時(shí)，在放置油樣時(shí)盡量輕而迅速，不至于使原油產(chǎn)生較大的初始速度，并盡量使原油處于容器中央。用紅外熱像儀對實(shí)驗(yàn)裝置上表面的原油融化過程溫度場及形狀變化情況進(jìn)行記錄，每次記錄時(shí)間間隔不超過20 s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

原油輸送規(guī)范中規(guī)定[11]，其安全輸送溫度宜高于原油凝點(diǎn)3 ℃。由于原油上表面中心點(diǎn)的溫度最低，因此若該點(diǎn)溫度達(dá)到膠凝原油凝點(diǎn)以上3 ℃，即當(dāng)油溫達(dá)到41 ℃時(shí)認(rèn)為原油已經(jīng)融化。

2.1 原油上表面中心點(diǎn)溫度變化規(guī)律

通過熱像儀獲得膠凝原油融化過程中不同時(shí)刻整個(gè)上表面溫度的熱像圖。圖2示出了在52.5 ℃水溫下，240 s時(shí)的原油融化熱像圖。原油上表面中心點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化如圖3所示。

由圖3可見，原油融化過程主要包括三個(gè)階段，圖中給出了每條曲線上三個(gè)階段的溫度分界點(diǎn)。第一階段原油上表面中心點(diǎn)溫度變化較緩慢，主要是原油有一定厚度，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱還處于初始階段，對上表面影響較小。第二階段是原油上表面中心點(diǎn)溫度迅速升高，并且水溫越高，溫度變化速率越大，這主要是因?yàn)殡S著非穩(wěn)態(tài)融化過程的推進(jìn)，原油厚度變薄，未融化的原油與熱水之間溫差還較大，對流換熱量較大，并傳遞到原油上表面。第三階段，此時(shí)原油已經(jīng)完全融化，原油與熱水之間溫差逐漸減少，原油中心點(diǎn)溫度升高緩慢，最終趨于水溫。

2.2 不同水溫下融化時(shí)間比較

52.5、60、72.5 ℃三種不同水溫融化時(shí)間分別為690、300和220 s。隨水溫升高融化時(shí)間變短，這是因?yàn)樵团c水之間溫差越大，對流換熱量就越大，因此融化時(shí)間越短。

2.3 不同水溫下原油形狀變化

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，三種水溫條件下，膠凝原油在融化過程中其上表面形狀均會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)從最初的正方形變?yōu)閳A形。從傳熱學(xué)的角度來講，相同時(shí)間內(nèi)邊緣上的分子吸收的熱量為表面分子的二倍，因此邊緣處融化速率較快，致使棱角趨于圓滑（圖4）[12]。

將融化過程中原油的形狀視為圓形，并以原油的直徑為縱坐標(biāo)，得到原油直徑隨時(shí)間的變化規(guī)律，見圖4。融化后原油的最大直徑分別為9.43、9.71和11 cm。

3 結(jié) 論

（1）實(shí)驗(yàn)條件下原油融化所需時(shí)間分別為690、300s和220 s。

（2）從原油上表面中心點(diǎn)的溫度變化可看出，其融化過程可分成三個(gè)階段，溫度隨時(shí)間先緩慢升高后迅速增加最后變緩并逐漸趨于水溫。

（3）融化過程中原油上表面形狀從方形逐漸趨于圓形。

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