隔熱管清洗技術研究

趙軍友,徐依吉,袁寶民,孫培先,余炎群,宋 鵬

(中國石油大學(華東)a.機電工程學院;b.石油工程學院,山東東營257061)

隔熱管清洗技術研究

趙軍友a,徐依吉b,袁寶民a,孫培先a,余炎群a,宋 鵬b

(中國石油大學(華東)a.機電工程學院;b.石油工程學院,山東東營257061)

隔熱管清洗一直是一個難題,為探索理想的清洗方法,進行了試驗研究和理論計算,提出隔熱管清洗的新技術。該技術使用高溫蒸汽作清洗介質,將隔熱管送入封閉的保溫房內滾動,通過控制管子滾動的速度與步長,確保清洗效果好,運行安全可靠。

隔熱管;稠油流動性;飽和干蒸汽;蒸汽噴嘴;清洗裝置

在熱采稠油技術中,需要用隔熱管向稠油層注入300℃以上高溫高壓的過熱蒸汽[1-2]。隔熱管使用一段時間后,需要從油井中取出來,進行清洗和維修,清洗得干凈與否,直接影響到維修的質量和熱采的效率。

目前隔熱管的清洗方法[3-4]有2種:

a) 高壓沖洗 將隔熱管擺放好,用30～35 MPa的高壓水沖洗。該方法無法保證將隔熱管沖洗干凈,尤其是管子內表面,冬天的清洗效果更差。沖洗時飛濺的污水滿地流淌,污染環境,而且浪費水資源。

b) 熱水煮泡 將隔熱管放入熱水池中,煮泡一段時間后撈出。缺點是:清洗幾批隔熱管后,池內的水變得很臟,如不及時換水就無法清洗干凈;池底部堆滿了污泥、雜草,很難清理,致使隔熱管經常打撈不上來;冬天水池中的水熱量散發很快,浪費大量的熱能資源。

油管的清洗方法有中頻加熱法[5]、鈦波熱法等,因為雙層隔熱管的特殊隔熱功能,這些方法都無法將熱量傳遞到管子內壁,因而也就無法將管子內壁清洗干凈,所以不適合加熱清洗隔熱管。

為了將隔熱管清洗干凈,課題組進行了大量的試驗研究和理論計算,提出了高效可靠的清洗方法,并完成了清洗裝置的設計。

1 隔熱管清洗介質選擇

隔熱管內外表面的污物主要是稠油,要想將稠油清洗干凈,最有效的辦法就是加熱,而常用的加熱介質有水、空氣和蒸汽。熱水的溫度低于100℃,試驗表明,在此溫度下隔熱管表面的稠油流動很慢,而且還要浪費大量的清水;利用200～300℃高溫空氣將稠油加熱并使其流動沒有問題,高溫蒸汽遇冷凝結成水后對管子有沖洗作用,而空氣沒有這種性能,而且稠油在高溫熱空氣中有一定的揮發性,有易燃易爆的危險。所以,確定選用水蒸汽作清洗隔熱管的介質。

2 試驗與分析

為了驗證用蒸汽清洗隔熱管的效果,項目組在濱南采油廠聯系了1臺蒸汽鍋爐,蒸汽壓力0.62 MPa,出口溫度160℃,試驗在冬季露天的條件下進行(室外溫度-6℃),試驗現場如圖1。首先挑選10根內壁粘附稠油較厚的隔熱管,擺放在露天管架上,用蒸汽管線在一端對準管口噴洗,并記錄蒸汽噴洗時間。

圖1 蒸汽清洗試驗現場

試驗表明:蒸汽加熱3～5 min后稠油開始流淌,10～12 min左右清洗干凈,用高溫蒸汽作隔熱管清洗的介質是可行的。

3 隔熱管清洗方法

首先挑選隔熱管,將不合格管件(嚴重彎曲、外觀損傷、接箍排放方向錯誤等)挑選出來,將合格品經傳送線送至蒸汽保溫房(如圖2)。隔熱管被送進房后,沿著滾動支架向下滾動,滾動步長受制于鏈條傳動的步長,以保證隔熱管與固定的蒸汽噴嘴對準,從而提高噴洗的效率。管子內壁由蒸汽噴嘴噴洗,外壁由室內高溫蒸汽蒸洗,而且在送出保溫房時還要被專用旋轉鋼絲刷刷洗。由于稠油的流動速度較慢,為了確保稠油能夠流淌干凈,隔熱管在保溫房內滾動的時間設計為50 min。

圖2 蒸汽保溫房

上述蒸汽只能將管子內、外壁上的污油清洗干凈,對于內壁結垢嚴重的隔熱管,在保溫房內蒸洗后,還要經過高壓水射流(100 MPa)沖洗。

按用戶要求,設計的裝置清洗速度為30根/h,即每班清洗200根左右。

4 蒸汽鍋爐與噴嘴參數的確定

鍋爐和噴嘴相關參數的確定十分重要,即蒸汽量的大小、壓力和溫度的高低,對隔熱管清洗干凈與否非常關鍵,這些參數的選定需要以試驗和理論計算為依據。

4.1 鍋爐相關參數的確定

4.1.1 根據試驗計算所需蒸汽量

根據公式[6]

式中,Cf2為噴嘴出口速度;k為常數,對于飽和干蒸汽k=1.135;p0為噴嘴入口壓力,為0162 MPa;v0為入口比體積,v0=1/ρ,溫度160℃時對應的飽和干蒸汽密度ρ=3.26 kg/m3;p2為出口壓力,約為0.1 MPa。

代入式(1)得:Cf2=789.7 m/s。

試驗時所用的蒸汽噴嘴直徑為?12 mm,截面積A=1.13×10-4m2,則蒸汽流量為

按12 min清洗1根管子計算,所需蒸汽量為64.25 m3;清洗30根(業主要求)所需蒸汽量體積為1 927 m3;常壓 100 ℃下蒸汽密度為ρ= 0.588 3 kg/m3,即將30根管子清洗干凈所需蒸汽質量(0.62 MPa,160℃)為1 134 kg。

由于試驗是在露天的條件下進行的,大量的蒸汽都散發到空氣中,因而效率較低,所需要的蒸汽量較大。另外,如果提高蒸汽的溫度和壓力,清洗的效果和速度必定提高,所需的蒸汽量一定會減少。

4.1.2 根據熱平衡原理計算所需蒸汽量

根據熱平衡原理,正常工作時,將隔熱管加熱所需要的熱量應該等于蒸汽降溫所釋放的熱量減去散失的熱量。吸熱體有2部分,即管子表面的稠油和鋼管。

隔熱管清洗是在保溫房內進行,假設冬季氣溫為零下10℃,夏季氣溫為30℃,蒸汽溫度為180℃(蒸汽流經管線一段時間后有所降溫),將稠油和鋼管加熱至120℃。

根據公式[6]

式中,c為比熱容 ;m為質量;△t為溫度差。

將對應數值代入式(2),計算出冬季和夏季清洗隔熱管所需的蒸汽量(如表1)。

表1 冬夏兩季清洗隔熱管所需蒸汽量

在保溫房內加熱隔熱管及其表面的稠油時,稠油加熱到120℃就會自動流淌,而此時的鋼管還達不到120℃,所以加熱清洗30根管子所需的蒸汽量實際上要低于表中數值。

根據試驗與計算結果,選擇的鍋爐參數為:蒸汽量1.5 t/h,額定壓力1.25 MPa,額定溫度194℃。

4.2 噴嘴相關參數的確定

噴嘴直徑大小是設計時的一個關鍵參數,它直接影響隔熱管的清洗效果,鍋爐參數一定時,噴嘴過大則浪費能源,噴嘴太小則不能將隔熱管清洗干凈。

根據選擇的鍋爐參數(額定蒸汽壓力 1.25 MPa,額定溫度194℃),經過一段管線流動后,溫度和壓力都有所下降,即:壓力1.0 MPa,溫度180℃,對應的飽和干蒸汽密度ρ=5.145 kg/m3。

代入式(1)得:Cf2=884.7 m/s。

若所需蒸汽流量 QL為 963 kg/h,即 QL= 0.454 7 m3/s,所需噴嘴當量截面積為Ae=Q/Cf2= 514 mm2,當量直徑De=25.59 mm。若設計8個同樣的噴嘴,則噴嘴直徑為?9.05 mm。

5 結論

1) 現場試驗表明,用蒸汽清洗隔熱管是可行的。文中設計的隔熱管清洗裝置在保溫房內進行,同樣的蒸汽壓力、溫度、流量條件下,清洗效果比現場試驗效果要好。實際選擇的鍋爐為:蒸汽量1.5 t/h,額定蒸汽壓力1.25 MPa,額定溫度194℃,都高于試驗條件,所以能夠確保將隔熱管清洗干凈,滿足生產要求。

2) 保溫房內蒸汽噴嘴設計為8個,每個噴嘴直徑定為?9.5 mm;夏季溫度高時,可以根據實際清洗情況適當關閉幾個噴嘴。

3) 該清洗裝置安全可靠,采用鏈條傳動機構,避免加熱浸泡時隔熱管撈不上來的缺點。由于清洗后的污水可以集中回收,避免了以前高壓水清洗時污水到處流淌,污染環境的問題。

[1] 王心吟,邵清華,周先軍,等.隔熱管接箍腐蝕綜合分析[J].石油礦場機械,2003,32(5):54-57.

[2] 高連新,趙克楓,宋 治.隔熱管氣密封性能的評價與泄漏原因分析[J].石油機械,1999,27(2):38-40,47.

[3] 余焱群,雷 毅.基于石油設備的清洗機設計及熱過程模擬[J].石油礦場機械,2007,36(6):7-10.

[4] 樊軍俠,張德松,黃 波,等.超聲波清洗技術在接箍磷化預處理中的應用試驗研究[J].石油礦場機械,2009, 38(10):68-70.

[5] 劉功農.油管修復中的中頻加熱清洗[J].中國設備工程,2004(8):26-27.

[6] 童鈞耕.工程熱力學[M].4版.北京:高等教育出版社,2007.

Research of Cleaning Technique for Heat Insulated Tube

ZHAO Jun-youa,XU Yi-jib,YUAN Bao-mina,SUN Pei-xiana,YU Yan-quna,SON G Pengb
(a.College of Mechanical and Electrical Engineering;b.College ofPetroleum Engineering, China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

It has been a difficult problem for cleaning of heat insulated tube for long time.Laboratory test and theory calculation were carried out for research of an ideal cleaning method,and new cleaning technique for the heat insulated tube was put forward in the paper.The heat insulated tube is sent into closed heat insulated house to roll by controlling rolling speed and step,and high temperature steam is used to cleaning medium in the technique.It has good cleaning effect,running safely and reliable.

heat insulated tube;flowability of heavy oil;saturated dry steam;steam jet nozzle; cleaning equipment

1001-3482(2010)02-0065-03

TE934.5

A

2009-09-15

趙軍友(1963-),男,山東東明人,副教授,碩士,1990年畢業于中國石油大學,主要從事工程圖學和石油機械方面的教學和科研工作,E-mail:zhaojy@upc.edu.cn。