我國(guó)所產(chǎn)原油8%以上為含蠟原油。含蠟原油輸送常采用加熱輸送工藝。熱輸管道流動(dòng)安全性受到很多因素的影響，其中，輸油溫度對(duì)含蠟原油管道輸送的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有直接影響。對(duì)長(zhǎng)距離加熱輸送管道，即使少量降低進(jìn)站溫度，也可以顯著降低管道燃油消耗。然而，輸油溫度的降低從本質(zhì)上降低了管道運(yùn)行的安全余量[1]。因此，開(kāi)展含蠟原油管道流動(dòng)安全評(píng)價(jià)方法研究，對(duì)輸油企業(yè)評(píng)價(jià)管道流動(dòng)安全狀況、制定管道輸送方案、采取安全措施和實(shí)現(xiàn)含蠟原油安全經(jīng)濟(jì)輸送具有重要意義。

??????? 二、含蠟原油管道流動(dòng)安全評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀與分析

凝管是威脅含蠟原油管道流動(dòng)安全的致命問(wèn)題。凝管形成的原因有兩種，一種是停輸管道再啟動(dòng)失敗，導(dǎo)致凝管;另一種是管道運(yùn)行進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)，處理不當(dāng)或未進(jìn)行處理，發(fā)生初凝直至凝管。因此，管道停輸再啟動(dòng)安全性研究和管道不穩(wěn)定工作區(qū)問(wèn)題研究是含蠟原油管道流動(dòng)安全研究的主要內(nèi)容。

1、管道停輸再啟動(dòng)的安全性

管道停輸再啟動(dòng)的安全性不僅取決于管道再啟動(dòng)壓力是否超過(guò)管道最大允許操作壓力，還取決于停輸再啟動(dòng)后流量能否在有限時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。管道在短時(shí)間內(nèi)最大允許操作壓力相對(duì)穩(wěn)定，管道停輸再啟動(dòng)的安全性主要取決于再啟動(dòng)的壓力;在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，管道腐蝕將會(huì)降低管道最大允許操作壓力，因此，管道的腐蝕狀況也將影響管道停輸再啟動(dòng)的安全。對(duì)于停輸再啟動(dòng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在管道停輸溫降計(jì)算和等溫或絕熱管道再啟動(dòng)過(guò)程的水力計(jì)算。管道停輸時(shí)的初始條件、管內(nèi)原油物性、管道環(huán)境條件、管徑及保溫情況等因素都會(huì)影響整個(gè)溫降過(guò)程。如何處理和計(jì)算管道在土壤中的散熱，以及管內(nèi)原油的溫降過(guò)程是管道停輸問(wèn)題的技術(shù)關(guān)鍵。關(guān)于停輸溫降，阿卡帕金[2]、李長(zhǎng)俊[3]、吳明[4，5]推導(dǎo)出了埋地管道停輸溫降的解析解，但在推導(dǎo)過(guò)程中，對(duì)管內(nèi)原油物性及周圍環(huán)境條件作了較多的簡(jiǎn)化。用數(shù)值求解時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都將原油停輸溫降過(guò)程看作是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，所建立的數(shù)學(xué)模型基本類似[6-9]，在對(duì)求解區(qū)域簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，采用有限元或有限差分對(duì)停輸溫降進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

對(duì)于再啟動(dòng)過(guò)程水力計(jì)算問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了深入的研究。Setea等人[10]提出了一個(gè)膠凝原油管道啟動(dòng)壓力和清管時(shí)間的簡(jiǎn)單計(jì)算方法。Cawkwell等人[11]對(duì)原油結(jié)構(gòu)參數(shù)又做了二維劃分，認(rèn)為結(jié)構(gòu)參數(shù)與徑向位置和啟動(dòng)時(shí)間有關(guān)，通過(guò)求解基本方程來(lái)描述啟動(dòng)過(guò)程，在理論上有一定新意。Cheng等人[12]根據(jù)流動(dòng)形態(tài)的不同，將管流的橫截面劃分為流動(dòng)區(qū)、蠕變區(qū)、彈性變形區(qū)，據(jù)此求解啟動(dòng)過(guò)程的流量和壓力，但未考慮原油的可壓縮性。Davidson等人[13]在采用Chang模型基礎(chǔ)上，考慮了原油的可壓縮性，但在壓力波速處理時(shí)采用聲速近似。國(guó)外學(xué)者在進(jìn)行停輸再啟動(dòng)水力研究時(shí)，都針對(duì)首站恒壓的水平管道，并且管道沿線溫度按等溫或絕熱處理。劉天佑[14]對(duì)啟動(dòng)壓力進(jìn)行了理論分析，但對(duì)壓力波速計(jì)算和含蠟原油觸變性等的處理較粗糙。李才[15]將啟動(dòng)過(guò)程中的膠凝原油分為初始屈服段、殘余屈服段和屈服裂降段，分別進(jìn)行計(jì)算，但其根據(jù)小型環(huán)道試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的壓力波速計(jì)算公式運(yùn)用到實(shí)際管道上恐有不妥。

2、管道不穩(wěn)定工作區(qū)問(wèn)題

熱油管道在不穩(wěn)定工作區(qū)運(yùn)行，既不經(jīng)濟(jì)，也不安全[16]。管道能否避開(kāi)非穩(wěn)定工作區(qū)，主要取決于管道運(yùn)行輸量和管路特性臨界輸量之間的關(guān)系。對(duì)于具體管道，管路特性臨界輸量并不是一個(gè)固定的數(shù)，而是隨管道工作狀態(tài)、原油流變性、地溫和土壤熱物性等的變化而變化。關(guān)于管道運(yùn)行不穩(wěn)定工作區(qū)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了很多研究。張帆[17]、萬(wàn)新強(qiáng)[18]、張秀杰[19]研究了保證低輸量管道運(yùn)行避開(kāi)不穩(wěn)定工作區(qū)的措施和方法，主要是通過(guò)加劑等方式改善原油的流變性，降低凝點(diǎn)。趙明華[20]首次根據(jù)可靠性理論對(duì)低輸量形成的凝管風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，但其建立的失效函數(shù)z=G一[G](G為管道運(yùn)行輸量，[G]為規(guī)范[21]規(guī)定的最低輸量)，以《原油管道運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的最低輸量為研究基準(zhǔn)不盡合理，而應(yīng)以管路特性臨界輸量為研究基準(zhǔn)。

3、流動(dòng)安全評(píng)價(jià)研究新進(jìn)展

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響含蠟原油管道流動(dòng)安全的各種問(wèn)題都進(jìn)行了研究，但研究不夠系統(tǒng)。2005年，含蠟原油管道流動(dòng)安全評(píng)價(jià)研究取得了新進(jìn)展。許康[22]從導(dǎo)致熱輸含蠟原油流動(dòng)障礙的原因人手，針對(duì)影響流動(dòng)安全的因素具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，利用Monte-Carlo法對(duì)原油粘度、土壤物性、管道埋深和埋深處自然地溫等四個(gè)影響因素的不確定性進(jìn)行了模擬，提出了判別運(yùn)行是否處于管路特性穩(wěn)定工作區(qū)的“管道穩(wěn)定運(yùn)行安全指數(shù)”和判斷停輸再啟動(dòng)安全性的“停輸再啟動(dòng)安全指數(shù)”的概念，并根據(jù)管路特性臨界輸量和凝管概率提出了這兩個(gè)指數(shù)的等級(jí)劃分方法。綜合這兩個(gè)安全指數(shù)，得到了定量描述管道流動(dòng)安全狀態(tài)的“管道流動(dòng)安全指數(shù)”。該方法綜合考慮了原油物性、管道和環(huán)境條件以及這些參數(shù)的不確定性對(duì)輸油管道流動(dòng)安全性的影響，減小了僅以凝點(diǎn)作為輸油溫度確定的主要依據(jù)所存在的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)，系加熱輸送含蠟原油管道流動(dòng)安全性評(píng)價(jià)理論和方法方面的探索與創(chuàng)新，但其安全指數(shù)指標(biāo)等級(jí)劃分缺乏依據(jù)，計(jì)算停輸再啟動(dòng)安全指數(shù)時(shí)未考慮原油觸變性的影響等問(wèn)題。

綜上所述，由于管道停輸再啟動(dòng)壓力和管路特性臨界輸量與管輸原油的流變性、管徑、地溫、土壤熱物性、管道工作狀態(tài)和泵配置等因素有關(guān)，因此，含蠟原油管道流動(dòng)安全狀況也與這些因素有關(guān)，其中許多因素都具有不確定性。在以往的研究中，這些具有不確定性的量都是作為確定的量來(lái)處理的，顯而易見(jiàn)，這種確定性的處理方法存在缺陷。為了更加真實(shí)的反映含蠟原油管道流動(dòng)安全狀況，采用不確定性分析方法進(jìn)行含蠟原油管道流動(dòng)安全評(píng)價(jià)研究是必然的趨勢(shì)。