長方體膠凝原油在熱水中的融化實驗

劉曉燕，崔曉琳，王 露，王忠華，劉立君

（1. 東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

長方體膠凝原油在熱水中的融化實驗

劉曉燕1,2，崔曉琳1，王 露1，王忠華1，劉立君1,2

（1. 東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 黑龍江省防災減災及防護工程重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

研究膠凝原油融化特性對原油集輸及停輸再啟動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 ℃三種不同水溫中進行融化實驗，并用紅外熱像儀記錄原油融化過程隨時間的變化情況，分析水溫對融化時間、原油表面中心點溫度以及原油形狀的影響。實驗結果表明，膠凝原油上表面中心點溫度隨時間先緩慢升高，后迅速增加，最后變緩并逐漸趨于水溫；實驗條件下原油融化時間分別為690、300 和220 s；融化過程中原油上表面形狀從方形逐漸變為圓形。

膠凝原油；長方體；融化實驗；紅外熱像儀；溫度

當油溫低于含蠟原油的析蠟點后，蠟晶析出，在一定的蠟晶析出濃度下，蠟晶之間彼此交聯形成網格結構。隨著油溫繼續降低，膠凝結構的強度不斷增大，從而使原油整體上失去流動性。強度過大的膠凝結構很可能導致凝管事故的發生，影響管道的安全運行。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，課題組的現場試驗發現，當原油產出液溫度遠低于原油凝點時，即使摻入高溫水仍不能很快融化，存在凝油嚴重堵塞集輸管道的現象，造成集輸困難。為保證油田安全生產，對膠凝原油融化過程進行研究具有重要的應用價值。

關于融化問題，目前的研究主要體現在冰雪融化、金屬融化、蓄能復合相變材料、石蠟及各種油產品等領域。在實驗研究方面，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，通過實驗獲得了太陽集熱器的熱損失。杲東彥等[2]設計了開孔泡沫鋁內石蠟融化相變過程的可視化實驗，對純石蠟與石蠟/泡沫鋁復合材料融化界面與溫度分布情況進行對比分析，證實后者具有更好的熱響應性能。于航[3]，章學來等[4]均設計實驗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]進行了換熱器翅片管上的霜融化成水的可視化實驗。蔣興良等[6]針對目前研究很難模擬覆冰導線真實的融冰和脫冰環境的情況，在自然覆冰實驗站開展了直流融冰試驗。湯文斌[7]自行搭建實驗臺進行了接觸線覆冰融冰實驗研究，并根據實驗結果對相關影響因素如溫度、液態水含量、風速對覆冰情況的影響進行了討論。朱煜[8]進行了內融冰和外融冰實驗，分別討論了靜態外融冰、鼓氣擾動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，還有一些學者同時進行了融化的實驗與模擬研究。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行模擬分析。郝紅升等[10]設計室內水體結冰試驗，通過實驗得到冰蓋厚度、水溫和冰內溫度隨時間的變化過程，并與模擬結果對比。

綜上可以看出，對膠凝原油融化過程的研究目前少有報道。與上述文獻中提到的相變材料不同的是，膠凝原油組分多，融化過程更為復雜，采用數值模擬方法存在一定困難。因此，本文根據實際工程背景，設計膠凝原油在不同溫度條件下的融化實驗，用紅外熱像儀記錄原油上表面融化過程隨時間的變化情況，分析水溫對融化時間、原油表面中心點溫度以及原油形狀變化的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗本體及測試

如圖1所示，實驗所用容器為圓筒型，其直徑為110 mm，高為120 mm，圓筒的側面及底面均覆有保溫材料，可視為絕熱。實驗時圓筒內裝滿熱水，圓筒上表面暴露在室內空氣中。

圖1 實驗本體圖Fig.1 Experimental apparatus structure

實驗所用原油油樣尺寸為30 mm×30 mm×10 mm（長×寬×高）。原油凝點為38 ℃。

其他實驗測試儀器還包括溫度計，量程為50～100 ℃，精度為0.1 ℃；Fluke紅外熱像儀，型號為Ti 27，溫度測量范圍-10～250 ℃，精度為±2 ℃。

1.2 實驗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38 ℃，膠凝原油實驗初始溫度為10 ℃，過冷度為28 ℃；室內溫度為21.5 ℃。

邊界條件：對于圓筒，其底面及側面覆有保溫材料，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，與室內環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。熱水上表面與室內環境之間為自然對流換熱和輻射換熱。

1.3 實驗方法

實驗之前，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，使其達到穩定的狀態。進行52.5、60、72.5 ℃等三種不同水溫的原油融化實驗。實驗時，記錄室內環境溫度，將初始溫度為 10 ℃的油樣放入盛有熱水的圓筒中并開始計時，在放置油樣時盡量輕而迅速，不至于使原油產生較大的初始速度，并盡量使原油處于容器中央。用紅外熱像儀對實驗裝置上表面的原油融化過程溫度場及形狀變化情況進行記錄，每次記錄時間間隔不超過20 s。

2 實驗結果分析

原油輸送規范中規定[11]，其安全輸送溫度宜高于原油凝點3 ℃。由于原油上表面中心點的溫度最低，因此若該點溫度達到膠凝原油凝點以上3 ℃，即當油溫達到41 ℃時認為原油已經融化。

2.1 原油上表面中心點溫度變化規律

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

圖2 膠凝原油融化熱像圖Fig.2 Thermography of gelled crude oil while melting

圖3 原油上表面中心溫度隨時間的變化Fig.3 Top surface temperature change curve of crude oil over time

由圖3可見，原油融化過程主要包括三個階段，圖中給出了每條曲線上三個階段的溫度分界點。第一階段原油上表面中心點溫度變化較緩慢，主要是原油有一定厚度，非穩態導熱還處于初始階段，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，這主要是因為隨著非穩態融化過程的推進，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，此時原油已經完全融化，原油與熱水之間溫差逐漸減少，原油中心點溫度升高緩慢，最終趨于水溫。

2.2 不同水溫下融化時間比較

52.5、60、72.5 ℃三種不同水溫融化時間分別為690、300和220 s。隨水溫升高融化時間變短，這是因為原油與水之間溫差越大，對流換熱量就越大，因此融化時間越短。

2.3 不同水溫下原油形狀變化

實驗過程中發現，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在較短時間內從最初的正方形變為圓形。從傳熱學的角度來講，相同時間內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]。

圖4 原油直徑隨時間的變化Fig.4 Diameter change curve of crude oil over time

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，得到原油直徑隨時間的變化規律，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 論

（1）實驗條件下原油融化所需時間分別為690、300s和220 s。

（2）從原油上表面中心點的溫度變化可看出，其融化過程可分成三個階段，溫度隨時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。

［1］ Wu Yuting，Liu Shanwei，Xiong Yaxuan，et al. Experimental study on the heat transfer characteristics of a low melting point salt in a parabolic trough solar collector system[J]. Applied Thermal Engineering，2015 (89): 748-754.

［2］杲東彥，陳振乾.開孔泡沫鋁內石蠟融化相變過程的可視化實驗研究[J].化工學報，2014，65(S1):95-100.

［3］于航.泡沫銅/石蠟復合相變材料融化過程的換熱特性[J].土木建筑與環境工程，2011，33(2):112-116.

［4］ 章學來，盛青青，楊培瑩，等.石蠟相變材料蓄熱過程實驗研究[C].上海市制冷學會2007年學術年會論文集，上海:2007:286-289.

［5］ Liang Caihua，Wang Feng，Lü Yan，etal.Experimental and theoretical study of frost melting water retention on fin surfaces with different surface characteristics[J].Experimental Thermal and Fluid Science，In Press，2015.

［6］蔣興良，畢茂強，黎振宇，等.自然條件下導線直流融冰與脫冰過程研究[J].電網技術，2013，37(9):2626-2631.

［7］湯文斌.模擬大氣環境下鐵路接觸網覆冰融冰實驗研究[D].長沙:長沙理工大學，2009.

［8］朱煜.導熱塑料盤管蓄冰槽外融冰實驗研究[D].杭州:浙江大學，2006.

［9］葉宏，何漢峰，葛新石，等.利用焓法和有效熱容法對定形相變材料熔解過程分析的比較研究[J].太陽能學報，2004，5(4): 488-491.

［10］郝紅升，鄧云，李嘉，等.冰蓋生長和消融的實驗研究與數值模擬[J].水動力學研究與進展，2009，24(3):374-380.

［11］SY/T 5536-2004，原油管道運行規程[S].

［12］梁昌.氯化鈉對水冰點及冰融化速率的影響和實驗研究[D].青島:青島科技大學，2014.

Melting Experiment of Cuboid Gelled Crude Oil in Hot Water

LIU Xiao-yan1,2, CUI Xiao-lin1, WANG Lu1, WANG Zhong-hua1, LIU Li-jun1,2
（1. School of Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China; 2. Heilongjiang Province Key Laboratory of Disaster Prevention, Mitigation and Protection Engineering, Heilongjiang Daqing 163318, China）

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.

Gelled crude oil; Cuboid; Melting experiment; Thermal infrared imager; Temperature

TE 624

A

1671-0460（2016）03-0532-03

國家自然科學基金重點項目，項目號：51534004；黑龍江省基金重點項目，項目號： ZD2015011；黑龍江省普通高等學校新世紀優秀人才項目，項目號：1253-NECT-003。

2016-01-19

劉曉燕（1962-），女，遼寧省綏中縣人，教授，博士，2005年畢業于東北石油大學油氣儲運工程專業，主要從事管道安全輸送技術、絕熱技術及建筑節能技術等方面的研究。E-mail：Liu_xydq@163.com。

劉立君(1974-)，男，黑龍江省肇東市人，教授，博士，主要從事多相流及輻射換熱方向的研究。E-Mail：Lijun-liu@126.com。