基于動態實驗的玻璃鋼原油管道結垢規律研究*

廖　檸，黃　坤，孔令圳，吳　錦

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500； 2.中國葛洲壩集團機電建設有限公司，四川 成都 610031)

數字出版日期： 2017-09-14

0　引言

隨著世界范圍內的大部分油田都進入含水開采期，普通鋼制管道在輸送含水原油的過程中，腐蝕問題越來越嚴重，大大增加了管道的運行和維護費用。為了解決管道的內腐蝕問題，部分油田采用了玻璃鋼管道來輸送含水原油，大大的減少了腐蝕的發生[1]。此外，玻璃鋼管道還具有內壁粗糙度低、電絕緣性好、自重輕、強度高、耐磨性好、維護費用低等特點[2]。

目前，玻璃鋼管道在國內各油田中的應用范圍主要有回注水管線、采油管線、集油管線、長輸管線、污水管線等，其中回注水管線和污水管線應用最廣，共占玻璃鋼管道應用的67%，而采油管線和集油管線共占30%，而長輸管線僅占3%不到[3-4]。

在采用玻璃鋼管道輸送原油的過程中，常常出現結垢的現象，嚴重的影響了管道的流通性，甚至造成管道的清管卡堵事故，造成了嚴重的經濟損失[5-11]。通過文獻調研，發現國內外對于玻璃鋼管道的研究主要集中于玻璃鋼管道的制造、結構完整性、腐蝕、應力分析等方面上，而對于玻璃鋼管道原油輸送過程中結垢規律的研究幾乎為零[12-15]。因此，分析原油輸送過程中的結垢現象，著重研究結構規律是提高玻璃鋼管道原油輸送技術的重要部分。

1　玻璃鋼管道結垢規律的影響因素

根據我國油田采出水組分分析，通常情況下，鹽類垢主要包括CaCO3，MgCO3，CaSO4，BaSO4，SrSO4，FeCO3，FeS，Fe(OH)2等[16]，主要分為碳酸鹽型、硫酸鹽型和鐵化合物垢類3種。對于不同水垢類型，其影響結垢的因素不同[17-18]，對于以碳酸鹽為主的水垢，主要考慮溫度、壓力、剪切速率、pH值、鹽離子濃度以及CO2分壓這6個基礎因素。對于含水原油管道輸送方面，管道內的結垢速率和結垢量還受到管輸介質相態、管道介質流態、管道材料特性(內表面粗糙度)等外界因素影響。針對玻璃鋼管道，根據各影響因素的特點和國內外研究現狀，采用實驗的方法對不同溫度、不同剪切速率下的碳酸鹽結垢量隨時間的變化趨勢進行研究。

2　動態結垢實驗

2.1　實驗概況

本實驗以新疆克拉瑪依HK玻璃鋼管線為基礎，所取數據全部來自于現場。其基本參數如表1所示。

表1　新疆HK玻璃鋼管線及油品基礎參數

采出水水樣組分如表2所示。

表2　新疆克拉瑪依HK玻璃鋼管線采出水組分

根據表2可以看出，該管線的垢質成分主要以碳酸鈣為主。所以在本研究中，我們主要針對碳酸鈣類垢結垢規律進行研究。

2.2　攪拌轉速的確定

原油在管道中流動時，所處的流態隨著流量的變化而發生著變化。根據實際情況，原油管道內的流態有可能為層流狀態，也有可能在紊流狀態，而在2種流態下，流體的剪切速率是不同的，其計算方法也不同。

牛頓流體在管流紊流狀態下的剪切速率：

(1)

c=0.004 94Re0.75

(2)

式中：γ為管流有效剪切速率，s-1；V為流體在管道內的流動速度，m/s；Re為流體雷諾數；D為管道管徑，m；c為紊流修正系數。

根據張勁軍，黃啟玉，嚴大凡[19]在對管輸剪切模擬攪拌槽中流體平均剪切率的計算研究中所得出的牛頓流體在湍流流動下的平均剪切速率如式(3)，(4)和(5)所示。

(3)

(4)

(5)

對于該實驗來說，采用的是配比溶液來模擬現場采出水中的結垢現象。計算過程以紅-克玻璃鋼原油管線為例，管道直徑DN200，流量取65 m3/h，即v=0.637 m/s，油品粘度取28.39 cSt，計算出雷諾數Re=4 263，原油流態處于紊流狀態。

根據公式(1)和公式(2)計算出紊流狀態下的剪切速率為69.2 s-1。本實驗采用的是IKA RW 20 DS025型號電機，輸入功率72 W，攪拌輸出功26.6 W，電機效率為0.37，轉速范圍50～520 r/min。取40℃水樣的粘度為0.656 mPa·s，根據公式(3)至公式(5)反算出所需要的電動機轉速為60.5 r/min，取60 r/min。

2.3　實驗步驟及過程

2.3.1實驗水樣的配置

實驗水樣采用藥劑配置，其配置藥劑組成如表3所示。

表3　實驗水樣配置藥劑

每期實驗共配置水樣4 500 mL，分為3組進行實驗，每組分別恒溫攪拌1，2和3 h，共進行30期實驗，共需得到90組實驗數據。

2.3.2稱量實驗前設備儀器

采用2個不同精度的電子天平對實驗儀器包括攪拌用玻璃棒、燒杯、濾紙、攪拌轉頭等進行稱量，并記錄各儀器重量。所采用的電子天平如圖1所示，其精度分別為0.000 1和0.001 g。

圖1　電子天平Fig.1　Electronic scales

2.3.3恒溫攪拌

實驗中恒溫攪拌裝置分為恒溫水浴箱和攪拌電機，其中恒溫水浴箱采用DZKW-4型電子恒溫水浴鍋，溫控范圍常溫到100℃之間，精度0.1℃；攪拌電機采用IKA RW 20 D S025型攪拌電機，輸入功率72 W，攪拌輸出功26.6 W，電機效率為0.37，轉速范圍50～520 r/min。恒溫攪拌裝置如圖2所示。

圖2　恒溫攪拌裝置Fig.2　Constant temperature mixing device

在每期實驗中，恒溫攪拌過程主要控制溫度和攪拌轉速2個變量，其中溫度根據現場實際工況，控制25，27，30，35，40和45℃共6組溫度變值；控制60，135 ，210，285和360 r/min共6組攪拌轉速變值。

2.3.4過濾及烘干

攪拌沉淀實驗后，燒杯中出現一定量的白色粉末，為CaCO3垢質成分，通過玻璃棒、濾紙等過濾裝置，將沉淀部分和液體部分分離，并采用恒溫烘箱進行烘干。本實驗所用烘箱烘干溫度為50℃。

2.3.5稱量試驗后設備儀器

同樣采用2種不同的電子天平分別對濾紙、玻璃棒、燒杯、攪拌轉頭等進行稱量，并記錄數據。

3　實驗結果及分析

3.1　實驗結果數據的處理

實驗共得到90組結垢量實驗數據，如表4所示。

表4　結垢量結果數據

3.2　實驗誤差分析

根據實驗過程的不確定性，本實驗中產生結果數據誤差的主要因素如下：

1)由于在液體過濾過程中，過濾時間較長，達到了20 min，而在這段時間內，燒杯中的液體并沒有進行攪拌，雖溫度有所下降，但結垢速率仍然較快，導致燒杯中的沉淀量將會增多。

2)由于2 000 mL燒杯采用的是0.001 g精度電子天平，雖然已經達到了很高的精度，但本次測量的總值較小，精確到0.000 1 g卻只有3位有效數字，所以燒杯內的沉淀量測量值誤差較其他器材測量值大。

3)在對溫度的取值時，采用的是多天的平均值，而結垢量隨溫度的變化趨勢是非線性的，所以采用溫度平均值計算管道結垢量，存在一定的誤差。

3.3　公式擬合及修正

3.3.1公式的擬合及優化

通過Origin8.0繪圖軟件，將得到的表4中結垢量數據進行公式擬合，擬合公式如公式(6)所示。

G(t,T,n)=F(T)(1-e-0.859t)e(3.22-n0.286)B(T)

(6)

式中：

F(T)=3.54×10-6T4-4.52×10-4T3+0.02T2-
0.437T+3.266

(7)

B(T)=-248e-0.399T+0.1

(8)

根據現場生產實際的需求，對擬合公式中的變量進行變換，即攪拌轉速與流量的變換、攪拌時間與流經管線長度的變換。

根據公式(1)至公式(5)。得到了攪拌轉速n與流量Q之間的變換關系式。

n=4.658×10-5Q3.5υ-1.5d-4

(9)

根據流量、管徑與流動距離的關系式，得到了流動距離與攪拌時間的關系式。

(10)

便得到了基于實際工程的玻璃鋼管道結垢量計算公式。

(11)

其中F(T)和B(T)如公式(7)和公式(8)所示。

3.3.2擬合公式的修正

通過與現場2 a內3次清管的結垢量數據進行對比，如表5所示。

通過表5中數據可計算出擬合公式的實際誤差在12%左右，則對擬合公式進行修正，確定了修正系數k=0.88。則基于案例玻璃鋼管道的結垢量計算公式：

表5　擬合公式計算結果與實際結垢量結果對比

e(3.22-0.578 5Qυ-0.428 6d-1.143)B(T)

(12)

其中F(T)和B(T)如公式(7)和公式(8)所示。

4　計算機軟件的編制

基于以上研究結論及修正后擬合公式，采用VB6.0編程語言對結垢量的計算進行編程。程序界面如圖3，4所示。

圖3　程序參數輸入界面示意Fig.3　Program parameter input interface illustration

圖4　結垢量計算界面示意Fig 4　Scaling calculation interface illustration

5　討論與分析

5.1　結垢量變化規律

通過自編的結垢計算程序，對不同溫度、流量下的結垢變化規律進行計算，并對比相應的計算結果，如圖5和圖6所示。

圖5　不同流量下管道結垢率隨溫度的變化趨勢Fig.5　The trend of pipe scaling rate with temperature under different flow rates

圖6　不同溫度下管道結垢率隨流量的變化趨勢Fig.6　The change trend of pipe scaling rate with flow rate at different temperatures

從圖5和圖6中可以看出，管道內結垢率隨溫度的增加而增加，在介質溫度在45℃及以下溫度時，結垢率增幅較緩，而在介質溫度高于45℃時，管道內結垢率陡增。管道內結垢率隨流量的增加反而成下降的趨勢，這說明管道內介質之間的剪切作用對管道內垢質的形成具有較大的抑制作用。

5.2　清管周期的確定

對于玻璃鋼管道，垢質在管道內壁的附著力較小，常采用清管球清管。清管球沿管道運動主要是靠前后壓差驅動，假設清管球在管道中勻速運動，則其受力平衡方程式如公式(13)和公式(14)所示。

x軸向：Gsinθ+F阻=ΔP·A

(13)

y軸向：Gcosθ + Nup= Ndown

(14)

式中：ΔP為清管球前后壓差，Pa；Ndown為管道下半部表面對清管球的擠壓力，N；Nup為管道上半部表面對清管球的擠壓力，N；F阻為清管球受到的阻力，N；G為清管球和前方垢質的總重力，N；A為管道的流通面積，m2；θ為管道與水平面的夾角，(°)。

公式(13)中F阻包括了清管球和管道內壁之間的摩擦力以及清管球前方垢質與管道之間的摩擦力。為了計算方便，統一2種摩擦阻力，則有：

F阻=μmg·cosθ

(15)

式中：μ為與玻璃鋼管道內壁的摩擦系數，現場測試反算得到μ=8.7；g為重力加速度，9.8 N/kg。

在案例工況下，最大清管壓力為4.0 MPa，沿程流體所需壓降為1.2 MPa，則清管球前后最大壓差為2.8 MPa，管道沿程最大傾角0.44°，計算得到最大結垢量閥值為0.93t，取安全系數為0.8，則當管道內的計算結垢量達到0.744t時，要求進行清管。

根據案例管道各月份平均溫度及流量數據，計算得到其清管計劃如表6所示。

表6　全年清管時間安排

6　結論

1)管道中的結垢量是多因素影響的結果，其變化規律是流量、溫度等眾多影響因素的復雜復合函數關系。通過與現場2 a內3次清管的結果參數進行對比，驗證了本研究中擬合公式計算結果的準確性。

2)玻璃鋼管道的結垢量隨溫度的增加而不斷增加。當管道內介質溫度達到45℃以上時，其結垢率陡然增加，說明當溫度升高到45℃以上時，管道內介質中的結垢規律發生了質變，所以在對管輸工藝進行設計時，應當考慮輸送溫度在45℃以下進行。

3)管道中的結垢率隨流量的增加而呈現了減少的規律。雖然流量的增加，導致了總水量的增加，其總結垢趨勢應該升高，但流量增加的同時又導致了管道內介質流速的增加，使得流體的剪切速率增加，減少了管道內垢質的生成。這也說明了管道介質之間的剪切速率對管道結垢量的影響程度高于管道總結垢量峰值對管道結垢量的影響程度。

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