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1、第三节 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 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，并使输送费用增加。 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
2、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。 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
3、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。 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： 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。 原油比热比热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，
4、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 、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
5、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。 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，即分子扩 散，布朗运动， 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
6、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。 (1)分子扩散 石蜡分子向管壁的扩散速率可用Fick扩散方程计算： 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) L蜡的密度，kg/m3, Dm分子扩散系数，m2/s； 温降1析出的蜡晶量的百分数，即蜡晶在原 油中的溶解度系数，1/ 管壁处
7、径向温度梯度，/m 式中：原油的动力粘度，Pas B 常数，近似取 2.410-2 N 管壁处径向温度梯度可根据微元管段上的热平衡求得： dT/dL为轴向温度梯度，可由轴向温降公式计算。 u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
8、递只能靠分子扩散，所以在 层流边层内仍可用Fick定律描述。 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。 (2) 布朗运动(Brownian movement) 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。 (3) 剪切弥散(shear dispersion) 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
9、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： 式中：(du/dr)bi管壁处的速度梯度，1/s C*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，kg/m2 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
10、总的蜡沉积率： 试验表明，油温高、热流强度大、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、 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 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。 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Wt应为WtL除以重量百分数表示 的原油含蜡量CL，即： (4) 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 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，
11、 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 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 到一个稳定值 ，即由于冲刷过程的存在使结蜡层不会无 限制地增长。 4、影响管壁结蜡强度的因素 油温的影响 试验表明，在接近析蜡点的高温 和接近凝固点的低温下输送时， 管内壁结蜡较轻微，在二者之间 有一个结蜡严重的温度区间。这 个温度区间大致与原油中大量析 蜡的温度范围相近。右图是实测 的大庆原油温度与管壁结蜡速率 的关系曲线。 结蜡强度系指单位时
12、间、单位管壁面积上的石蜡沉积量。影响 管壁石蜡沉积的因素很多。对于长输管道来说，主要因素有油 温、油品组成、油流速度、管材的表面性质、油品粘度等。 从图可以看出，油温高于45时随油温的下降为结蜡缓增区， 在3040之间为结蜡高峰区，低于30为结蜡递降区，这与 石蜡组成的图形基本一致。在结蜡高峰区，析出的是含量较高 的中等分子量石蜡，在此温度范围内，管截面上浓度梯度大， 油流粘度却不大，因而分子扩散作用强，且由于蜡晶颗粒的大 量析出，一方面碰撞的机会增多，容易互相粘结而沉积在管壁 上; 另一方面，蜡晶颗粒浓度的迅速增大使剪切弥散作用加强 ，故形成了结蜡高峰区。 低温时, 油流粘度大, 分子扩散作
13、用很弱, 虽然此时剪切弥散作 用较强, 但管壁处的剪应力较大, 且此时形成的凝结层的附着强 度不大, 凝油层又会被剪掉一部分, 故低温时凝油层较薄。 油壁温差的影响 沉积速率随油壁温差的增大而增大 。这是因为油壁温差越大，浓度梯 度和蜡晶浓度就愈大，从而分子扩 散和剪切弥散作用都加强。 油壁温差的大小不仅取决于油温和 周围介质温度，还与管道的热阻大 小有关。在冬季，地温低，油壁温 差大，结蜡较严重。在某些散热很 大的局部段落，地下水位高并有渗 流处，保温层破损的水下管道，或 覆土太浅的管段，结蜡层的厚度可 能最大。 流速的影响 流速对管壁结蜡强度的影响主要表现为 ，随着流速的增大，管壁结蜡强度
14、减弱 。层流时的结蜡比紊流严重，Re数愈小 ，结蜡愈严重。因为随着流速的增大， 虽然管壁处剪切速率的增大会使蜡晶的 剪切弥散作用有所加强，但层流边层的 减薄，油壁温差的减小，管壁处剪切应 力的增大，这些因素都会使管壁上的结 蜡层减薄。实践表明，当流速大于 1.5m/s时，管内就较少结蜡。流速对凝 油层剪切冲刷的强弱，还与决定于温度 、原油物性、热处理条件等的凝油层网 络结构强度有关。右图为大庆原油蜡沉 积强度与流速的关系。 油品中含蜡是管壁结蜡的根本原因。因此油品含蜡量的大小将直接影响石 蜡沉积速率。含蜡量越高，石蜡沉积速率越大。 大多数含蜡原油中都含有数量不等的胶质和沥青质。一般认为胶质沥青
15、质 对石蜡沉积的影响表现为两个方面：一方面是当油温高于析蜡点时，由于 胶质沥青质的存在，增加了原油的粘度，不利于石蜡分子的径向扩散。另 一方面当油温低于析蜡点时，胶质沥青质会吸附在蜡晶表面上，阻碍蜡晶 的互相聚结，从而消弱了剪切弥散作用，显然原油中的胶质沥青质的含量 越高，石蜡沉积速率越小。原油含水率增大，蜡沉积速率降低，原油中含 砂或其它机械杂质容易成为蜡结晶的核心，使结晶强度增大。 原油组成的影响 管壁材质的影响 试验表明管壁材质和光洁度对结蜡也有明显的影响。由于 管壁或涂料的表面结构和性质不同，在石蜡结晶过程中内 壁所提供的结晶核心的多少和结晶的难易程度就不同，因 此结蜡速率也不同。管壁
16、的粗糙度越越大，越容易结蜡。 对于埋地管道，凝油层厚度的变化还随季节而不同，当 地温逐渐下降时，凝油层逐渐增厚；当地温逐渐上升时 ，凝油层又逐渐减薄。当输量和油温稳定时，在某一季 节，凝油层厚度常保持在某一范围内。 以上分析了各因素单独对管壁结蜡的影响。实际运行的 管道结蜡的情况受到上述诸因素的综合影响。 二、析蜡与结蜡对沿程温降及摩阻的影响 1、结蜡层的平均厚度计算 由于热含蜡原油管道沿线的油温和油壁温差不同，沿线 的结蜡层厚度也不同。限于目前的测量技术，还没有比 较完善的描述热油管道内壁结蜡规律的公式。工程上常 引用某段管路的当量结蜡厚度dL，认为该管段的结蜡情 况对摩阻的影响与管内半径缩小了dL相同。因此，可将 管道分成若干段，按沿线实测的摩阻反算当量管内径， 然后再计算结蜡层平均当量厚度。 D1钢管内径，m 式中： Q、hL实测的流量、粘度、摩阻 2、结蜡对沿程温降的影响 管内壁结蜡后，由于结蜡层的导热系数较小，一般在 0.15W/m左右，其作用相当于增加了一层热阻。计算 K值
