含蜡原油管道的蜡沉积及清管课件.ppt
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- 原油 管道 沉积 课件
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1、2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理1第三节第三节 含蜡原油管道的蜡沉积及清管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。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: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,逐渐析出并沉积在管壁上,使流通截面减少,摩阻增大,管道管道输送能力降低输送能力降低;同时又增大了油流至管内壁的热
2、阻,;同时又增大了油流至管内壁的热阻,使总传热系数下降,并使使总传热系数下降,并使输送费用增加输送费用增加。如铁大线熊岳至复线站间自如铁大线熊岳至复线站间自1975年投产到年投产到1979年底未进行年底未进行清蜡,管壁的当量结蜡厚度达清蜡,管壁的当量结蜡厚度达26mm,摩阻上升,摩阻上升1.2MPa,管道效率下降了管道效率下降了20,1980年清管后,在同样的输油压力年清管后,在同样的输油压力下输量比下输量比1979年提高了年提高了100万吨。万吨。2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理2由于管内壁结蜡,给输油工作带来了许多新的问题。以由于管内壁结蜡,给输油工作带来了许多新的问
3、题。以往大庆和胜利油田采用保持输油温度不低于往大庆和胜利油田采用保持输油温度不低于40的措施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
4、蜡措施作简单介绍。的影响以及减少结蜡和清蜡措施作简单介绍。2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理3一、原油析蜡和管壁结蜡过程一、原油析蜡和管壁结蜡过程1、温降过程中石蜡的析出、温降过程中石蜡的析出原油中的原油中的石蜡石蜡是指十六烷以上的正构烷烃的混合物,其中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。所占的比例都比较小。蜡在原油中的蜡在原油中的溶解度溶解度随其分子量的增大和熔点的升高而下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
5、的降,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。蜡在同一种原油中有不同的溶解度。含蜡原油在温降过程中,其中所含的蜡总是按分子量的高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。低,次第析出。2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理4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。晶核心,故原油常在溶蜡量达到过饱和时,才析
6、出蜡晶。原油中刚开始析出蜡晶粒时的温度称为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,蜡的初始结晶温度,或称为析蜡点。或称为析蜡点。析蜡点的判定:析蜡点的判定:原油中蜡晶粒的析出量已开始影响原油的粘温曲线,使其原油中蜡晶粒的析出量已开始影响原油的粘温曲线,使其发生转折时的温度,可由实测粘温曲线来判断。发生转折时的温度,可由实测粘温曲线来判断。原油比热原油比热温度曲线开始随温度的下降而上升时的温度。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。温
7、度,在该温度时,已经有相当数量的蜡晶析出了。2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理5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。的过程。蜡结晶大量析出的温度范围称为蜡结晶大量析出的温度范围称为析蜡高峰区析蜡高峰区,随原油的组,随原油的组成而不同。成而不同。2、管壁、管壁“结蜡结蜡”现象现象我们通常所说的我们通常所说的“结蜡结蜡”实际上是指在管道内壁上逐渐沉积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
8、、凝油、砂和其它机械杂质的混合了某一厚度的石蜡、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。物。在长输管道的沉积物中,原油的含量要高些。2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理6大口径长输管道的大口径长输管道的“结蜡结蜡”特点:特点:管壁上的凝结层一般比较松软。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、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,与管壁粘定的剪切
9、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。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由于油流带来的前面冲刷下来的“蜡块蜡块”重新沉积的缘故。重新沉积的缘故。2022-8-
10、11输油管道设计与管理输油管道设计与管理73、管壁结蜡的机理、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积机理有3个,即分子扩散,布朗运动,个,即分子扩散,布朗运动,剪切弥散。剪切弥散。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
11、状态,如果油温再降低,则会出现过饱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和,借助管内壁提供的结晶中心(粗糙突起、杂质粗糙突起、杂质)而首先析而首先析出。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紊流核心之间产生浓度梯度(Concentration gradient)。该浓。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。管壁上的继续结蜡创造条件。(1)分子扩散分子扩散2022-8-11输
12、油管道设计与管理输油管道设计与管理8层流边界层中的蜡晶粒,会由于布朗运动而互相粘结变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。大而沉降,但其作用较弱。(2)布朗运动布朗运动(Brownian movement)当原油温度降到析蜡点以下时,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,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,会以一定的角速度作旋转运动,并出现横向的局部平移(如图所并出现横向的局部平移(如图所示),使蜡晶向管壁移动,
13、最后示),使蜡晶向管壁移动,最后沉积在管壁上。沉积在管壁上。(3)剪切弥散剪切弥散(shear dispersion)2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理9由于油品具有粘性,旋转的蜡晶颗粒会使靠近颗粒表面的由于油品具有粘性,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
14、蜡晶颗粒很多,则互相碰撞生净的径向移动。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,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:蜡沉积
15、速率可表示为:2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理10bidLdrduCKW)/(式中:式中:(du/dr)bi管壁处的速度梯度,管壁处的速度梯度,1/sC*管壁处蜡晶的体积百分浓度管壁处蜡晶的体积百分浓度K*沉积速率常数,可由试验确定,沉积速率常数,可由试验确定,kg/m2由式所得的沉积速率相加,就得到由分子扩散及蜡晶由式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:横向移动引起的总的蜡沉积率:dLmLtLWWW 2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理11试验表明,油温高、热流强度大、油壁温差大、油流粘度又试验表明,油温高、热流强度大
16、、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、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。达到稳定值。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油,故凝结层
17、的总沉积速率Wt应为应为WtL除以重量百分数表示除以重量百分数表示的原油含蜡量的原油含蜡量CL,即:,即:LtLtCWW/2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理12(4)冲刷过程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,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
18、不断增大,当管壁处的剪切应力大于沉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到一个稳定值,即由于冲刷过程的存在使结蜡层不会无,即由于冲刷过程的存在使结蜡层不会无限制地增长。限制地增长。2022-8-11输油管道设计与管理输油管道设计与管理134、影响管壁结蜡强度的因素、影响管壁结蜡强度的因素油
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