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保溫層失效對(duì)裸露輸油管道安全停輸時(shí)間的影響

文檔作者：孫憲航陳保東馬新李偉王雷趙虎莫海元文檔來(lái)源： 1．遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院 2．新疆油田公司油氣儲(chǔ)運(yùn)公司 3．克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月26日
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第42卷第5期
2013年5月
當(dāng) 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo1．42．NO．5
May，201 3
保溫層失效對(duì)裸露輸油管道安全停輸時(shí)間的影響
孫憲航 ，陳保東 ，馬 新 ，李 偉 ，王 雷L。，趙 虎 ，莫海元
(1．遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，撫順遼寧113001；
2．新疆油田公司油氣儲(chǔ)運(yùn)公司，新疆克拉瑪依834002； 3．克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆克拉瑪依834002)
摘 要：針對(duì)裸露輸油管道保溫層失效，安全停輸時(shí)間難以控制的問(wèn)題，結(jié)合有限容積法，建立了裸露輸
油管道二維、非穩(wěn)態(tài)傳熱模型。該模型考慮了凝固潛熱的影響，對(duì)比分析了保溫層失效前后稠油溫降規(guī)律。在
此基礎(chǔ)上，運(yùn)用SPSS18．0軟件，擬合了停輸時(shí)間與熱油的平均溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，最終確定了保溫層失效前后的
安全停輸時(shí)間。研究結(jié)果表明，保溫層失效前，管內(nèi)稠油溫降速率較低，靠近管壁及蠟層附近相對(duì)較大，安全
停輸時(shí)間為227 h；保溫層失效后，靠近中心處稠油溫降速率相對(duì)較小，靠近管壁及蠟層附近溫降速率大大增
加，散熱損失增大，安全停輸時(shí)間降低至82 h。
關(guān)鍵詞：裸露管道；保溫層失效；安全停輸時(shí)間；數(shù)值模擬
中圖分類(lèi)號(hào)：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671—0460(2013)05—0577—04
Influence of Insulation Layer Failure
on Safe Shutdown Time for the Exposed Pipeline
SUNXian—hang ，CHEN Bao—dong ，MAXin ，LIWeiz， WANG Lei ’ ，ZHA0Hu ，MO Hai-yuan
(1．College ofPetroleum Engineering，Liaoning ShihuaUniversity,Liaoning Fushun 113001，China；
2．PetroChina Xi@ang Oilfield Company Oil—Gas Storage&amp;amp;Transportation Branch，Xi~iang Karamay 834002，China；
3．Karamay Vocational&amp;amp;Technical College．Xinjiang Karamay 834002．China)
Abstract：According to the problem of uncontrollable safe shutdown time after the insulation layer failure．a(chǎn) two
dimension unsteady—state mode1 of exposed pipeline was established by the finite volume method．a(chǎn)nd the latent heat
of solidification was considered in the mode1．The law of temperature dr0D of the exposed pipeline before and after the
insulation 1ayer failure was compared and discussed．Based on the above．the shutdown time and the average
temperature of heavy oil after line turndown were ftted by SPSS l 8．0．a(chǎn)nd then the safe shutdown times of the above
two cases were determined finally．The results show that．before the insulation layer failure．the temperature drop of
heavy oil in the pipe is lOW,temperature drop near the wall and wax layer is relatively large，and the safe shutdown
time iS 227 h：after the insulation 1ayer failure，temperature drop of heavy oil near pipe medial axis is relatively lOW．
temperature drop of heavy oil near the wall and wax 1ayer iS relatively 1arge．a(chǎn)nd the safe shutdown time iS 82 h．
Key words：Exposed pipeline；Insulation failure；Safe shutdown time；Numerical simulmion
我國(guó)北方大部分輸油管道已運(yùn)行多年，管道、
保溫層均出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，導(dǎo)致停輸次數(shù)逐漸增多，
而保溫層失效對(duì)安全停輸時(shí)間有重要的影響，間接
影響管道的安全輸送與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者
對(duì)停輸再啟動(dòng)問(wèn)題的研究主要集中在埋地輸油管
道：Haim H．Bau?利用有限差分法，分析了稠油管道
的熱量傳遞、散熱損失及其溫度分布，King 提出了
一個(gè)與蘇霍夫公式相似的方程，用于預(yù)測(cè)埋地輸油
管內(nèi)的平均油溫；Patience和Mehrotra 利用數(shù)值解
法從動(dòng)量和能量角度對(duì)長(zhǎng)輸管道停輸再啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)
行了熱力分析；Thornton 給出了停輸再啟動(dòng)過(guò)程的
解析解；高艷波 等人對(duì)海底熱油管道懸空段停輸
過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了管內(nèi)熱油溫度變化及
安全停輸時(shí)間；王海琴、張國(guó)忠 建立了熱油管道
不穩(wěn)定過(guò)程變物性耦合流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)稠油停輸
時(shí)管內(nèi)原油溫度變化特性進(jìn)行了分析；周詩(shī)崠、吳
明等 采用有限差分法，求解了冷熱油交替輸送管
道的安全停輸時(shí)間；李晉、吳明 對(duì)埋地?zé)嵊凸芫€(xiàn)
間歇輸送技術(shù)進(jìn)行了研究，確定了安全停輸方案，
并成功應(yīng)用于鐵嶺一大連輸油管道；宇波、徐誠(chéng)等
研究了冷熱源有交替輸送的停輸再啟動(dòng)過(guò)程，確
定了安全停輸時(shí)間和停輸時(shí)的危險(xiǎn)截面。國(guó)內(nèi)外學(xué)
者雖然對(duì)埋地?zé)嵊凸艿肋M(jìn)行了研究，但是對(duì)保溫層
失效問(wèn)題對(duì)熱油管道的影響研究較少?；谝陨?，
基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳科技項(xiàng)目(2008Sl 37)：中國(guó)石油西部管道公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(XG22—2009—008)。
收稿日期： 201 3-01—05
作者簡(jiǎn)介： 孫憲航(1987一)，男，江蘇連云港人，在讀碩士， 2010年6月畢業(yè)于南通大學(xué)高分子材料專(zhuān)業(yè)，研究方向：稠油安全輸送。E-mail
sunxh041 3@1 63．corn。
通訊作者：王雷(1 984～)，男，助理工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)槌碛桶踩斔团c節(jié)能技術(shù)。E-mail：wanglei80231@1 63．com
化 工 2013年5月
本文建立裸露輸油管道二維、非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，同
時(shí)考慮凝固潛熱的影響，對(duì)比并分析了保溫層失效
前后管道稠油溫降規(guī)律。此外，運(yùn)用SPSS 18．0軟
件擬合了停輸時(shí)間與管道內(nèi)稠油平均溫度的關(guān)系曲
線(xiàn)，確定了安全停輸時(shí)間，以期在管道檢修、停輸
再啟動(dòng)等工程實(shí)際方面提供一定的理論指導(dǎo)。。
1 模型建立
1．1 問(wèn)題描述
北方某稠油管道全長(zhǎng)74．5 km，裸露部分180 m，
管道外徑720 mm，壁厚10 mm；保溫層厚度為40
mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0．042 W／(m·K)；稠油密度、定壓
比熱及導(dǎo)熱系數(shù)分別為870kg／m ，1720 J／(kg·K)
和0．16 W／(m·K)，原油的凝固點(diǎn)為一16 ，停輸前
原油溫度為34℃；此外，結(jié)蠟厚度30 mm，導(dǎo)熱
系數(shù)為2．5 W／(m·K)。本文選取裸露段為研究對(duì)象，
模擬區(qū)域采用四邊形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，簡(jiǎn)化物理模型
如圖1所示，基本假設(shè)如下：
(1)材料的物性參數(shù)均為定值；
(2)保溫層失效前后物性參數(shù)均勻；
(3)忽略管道軸向傳熱，并假設(shè)停輸前稠油
管內(nèi)徑向溫度沒(méi)有變化；
(4)室外大氣溫度取平均溫度一21℃，平均風(fēng)
速4 m／s
圖1 物理模型
Fig．1 Physical model
1．2 方程建立
(1)傳熱方程：原油液相中當(dāng)量導(dǎo)熱微分方程如下。
aT, 一 a占0T,
-g f 1 1
=
1 8( 廠(chǎng) )+ 1 a aTI)
r or Or r‘ 0移 0
式中：p廣一原油液相密度，krdm ；
c廠(chǎng)原油液相比熱容，J／(kg·K)；
^ 一原油液相當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m·10；
^廣__當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，w／(m·K)；
一原油的凝固潛熱，J／kg；
，一原油液相溫度，K；
一腺油固相率。
蠟層、管壁、保溫層的導(dǎo)熱微分方程如下。
c 魯= dt 1r o8r ( ，．等or )+吉r o移 ( 。 )(2)
式中： p 一蠟層／管壁，保溫層密度，kg／m。；
c 一蠟層僭壁，保溫層比熱容，J／(kg·Iq；
一蠟層，管壁／保溫層溫度，K；
A 一蠟層／管壁，保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m·K)。
(2)邊界條件：管道外壁與大氣接觸。
= ( 一 ) (3)
、
= 11．63+74v
式中： N一管道最外層導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m ·K)；
一對(duì)流換熱系數(shù)，W／(m2·K)；
一風(fēng)速，m／s；
一管道最外層溫度，K；
一環(huán)境溫度，K。
(3)初始條件
／-=0， ： (4)
式中：死一原油液相初始溫度，K。
2 模擬結(jié)果及分析
熱油管道經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間輸送形成的穩(wěn)定溫度場(chǎng)對(duì)
停輸溫降具有重要的影響。本文以此穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)作
為初始條件進(jìn)行模擬分析。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，裸
露部分易受風(fēng)吹、日曬、雨淋易發(fā)生老化而造成保
溫層失效，此種狀況對(duì)安全停輸時(shí)間有直接的影響。
保溫層導(dǎo)熱系數(shù)由失效前的0．042 W／(m·K)增大到
0．860 W／(m· m 。因此，本文選取保溫層未失效與
失效為研究對(duì)象，對(duì)停輸時(shí)溫降規(guī)律及安全停輸時(shí)
間進(jìn)行對(duì)比分析。
2．1 保溫層失效前模擬結(jié)果分析
本文選取點(diǎn)(0，0)、(0．08，0)、(0．16，0)、(0．24，0)、
(0．32，0)及(O．35，0)6個(gè)點(diǎn)，給出了保溫層失效
后各點(diǎn)隨安全停輸時(shí)間的溫度變化曲線(xiàn)，如圖2所
示。由圖可知，各點(diǎn)溫度隨著安全停輸時(shí)間的增加，
溫度緩慢降低，距離管道中心較遠(yuǎn)處點(diǎn)(0．32，0)和
(0．35，0)溫降速率較大，溫度較低，由于與環(huán)境溫
差大，使散熱損失大；而管道中心溫降最小，其他
各點(diǎn)溫降速率大致相同。
筆者利用SPSS18．0軟件對(duì)停輸時(shí)間與平均油
溫進(jìn)行方程擬合，擬合曲線(xiàn)如圖3，擬合方程如(5)
式。曲線(xiàn)擬合度為0．999 2，擬合度較高，可以用來(lái)
預(yù)測(cè)安全停輸時(shí)間。根據(jù)《原油管道運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》，
進(jìn)站油溫應(yīng)高于凝點(diǎn)3℃以上，由此確定安全停輸
時(shí)間為227 h。
Y =0．0008x 一0．3839x+306．6428 (5)
尺 = 0．9992
第42卷第5期 孫憲航，等： 保溫層失效對(duì)裸露輸油管道安全停輸時(shí)間的影響 579
贈(zèng)
要
暖
停輸時(shí)間／h
圖2 保溫層失效前溫降曲線(xiàn)
Fig．2 Temperature drop curve before the insulation layer
failure
31 0
305
：3O0
295
290
28 5
贈(zèng)280
莖
2 70
265
260
255
0 20 40 60 80 1O0 l20 140 l60 180 200 220
停輸時(shí)間／h
圖3 停輸時(shí)間與平均油溫?cái)M合曲線(xiàn)
Fig．3 The fitting curve of shutdown time and the average oil
temperature
贈(zèng)
要
器
o 5 1o l5 2O 25 30 35 40 45 50 55 6o 65 70 75 80
停輸時(shí)間／h
圖4 保溫層失效后溫降曲線(xiàn)
Fig．4 Temperature drop curve after the insulation layer
failure
31 0
3O5
300
295
290
285
贈(zèng)280
莖275
270
265
260
255
0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0
停輸時(shí)間／h
圖5 停輸時(shí)間與平均油溫?cái)M合曲線(xiàn)
Fig．5 The fitting curv e of shutdown time and the average oil
temperature
2．2 保溫層失效后模擬結(jié)果分析
對(duì)于點(diǎn)(0，0)、(0．08，0)、(0．16，0)、(0．24，0)、
(0．32，0)及(0．35，0) 的溫降曲線(xiàn)圖如圖4所示。
由圖可知，點(diǎn)0，0)、(0．08，0)、(0．16，0)隨著安全停
輸時(shí)間的增加，溫度緩慢降低；點(diǎn)(0．24，0)溫降速
率相對(duì)較大，而距離管道中心較遠(yuǎn)處點(diǎn)(0．32，0)和
(O．35，0)溫降速率最大，溫度最低，由于保溫層失
效，使得導(dǎo)熱量大大增加，散失到環(huán)境中熱量亦增
加，最終使管內(nèi)油溫迅速降低。
保溫層失效后停輸時(shí)間與平均油溫?cái)M合曲線(xiàn)如
圖5，擬合方程如(6)式。曲線(xiàn)擬合度為0．980 6，
擬合度較高，可以用來(lái)預(yù)測(cè)安全停輸時(shí)間。根據(jù)《原
油管道運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》，進(jìn)站油溫應(yīng)高于凝點(diǎn)3℃
以上，由此確定安全停輸時(shí)間為82 h。
Y = 0．0062 x 一1．0152 x+ 301．8354 (6)
R2= 0．9806
3 結(jié)論
本文建立了裸露輸油管道停輸過(guò)程非穩(wěn)態(tài)傳熱
模型，對(duì)溫降過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析，并利用SPPSS18．0
軟件對(duì)安全停輸時(shí)間與平均油溫進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，確定
了安全停輸時(shí)間。研究結(jié)果表明：(1)保溫層失效前，
管內(nèi)稠油溫降速率較低，靠近管壁及蠟層附近較大，
安全停輸時(shí)間為227 h；(2)保溫層失效后，靠近中
心處稠油溫降速率相對(duì)較小，由于保溫層導(dǎo)熱系數(shù)增
加，靠近管壁及蠟層附近溫降速率大大增加，散熱損
失增大，最終使安全停輸時(shí)間降低至82 h；(3)根據(jù)
模擬計(jì)算及曲線(xiàn)擬合方程，可為管道停輸方案制定、
安全運(yùn)行提供科學(xué)的理論依據(jù)。
參考文獻(xiàn)：
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