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管道研究

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原油组成对东北地区管网防蜡与安全运行影响探析

来源:《管道保护》杂志 作者:白帆 王刚 魏春阳 时间:2018-7-20 阅读:

白帆1  王刚2  魏春阳1

1.中国石油天然气管道局东北石油管道有限公司;2.中国石油天然气管道局东南亚项目经理部

 

东北地区冬季气候高寒,加之采用加热输送高含蜡原油的输送工艺,导致管网内油温与管壁温差较大,因此东北地区管网原油结蜡问题尤为突出。特别是随着近年来大庆油田原油减产,俄油输量不断增大,管道公司对东北地区管网进行了多次改造,自2013年开始对庆铁一线、二线逐段停运扫线封存,新建的庆铁三线、四线逐步代替庆铁老线。2016年下半年,又对庆铁三线、四线进行改造和对调,前者由加热输送庆吉油改为常温输送俄油,后者由常温输送俄油改为加热输送庆吉油。在油品和输量不断变化和调整的情况下,从原油组成角度分析蜡沉积规律,对东北地区管网的安全运行具有实际指导意义。

1 不同组成原油的结蜡实验

1.1 实验装置

实验采用旋转式动态结蜡装置(见图1)。

 

图1 旋转式动态结蜡装置

将人工油样盛于样品桶内,采用恒温热浴方式加热使之保持恒定温度。通过电机传送带带动样品桶旋转使人工油样产生旋转流场;通过结蜡筒内部的蛇形盘管在结蜡筒内部循环来保持结蜡筒壁面所需要维持的温度;将壁面温度低于人工油样析蜡点温度的结蜡筒通过升降机构浸入人工油样中模拟管道壁面,进行结蜡实验。

1.2实验油样的配制

为了研究胶质和沥青质对原油结蜡规律的影响,采用柴油、切片石蜡(熔点60~62 ℃)、草桥原油(原油组成见表1),通过控制变量法配制蜡含量同为10.3%的1~6号共6种胶质沥青质含量不同的人工油样。


表1  草桥原油的基本组成

密度/ kg﹒m-3(20℃)

蜡含量/%

胶质含量/%

沥青质含量/%

0.972

5.42

24. 10

8.99

 

根据石油行业标准SY-T7550-2000和SY-T0545-1995,采用四组分实验分析法和DSC法对上述6种人工油样的组成进行测量,测得的结果见表2。


表2  人工油样的基本组成

油样名称

析蜡点/

反常点/

油样1

32

31

油样2

25

24

油样3

31

30

油样4

33

31

油样5

32

31

油样6

35

34



通过差示扫描量热仪和流变仪测得6种人工油样的析蜡点和反常点,结果见表3。


表3  人工油样的析蜡点和反常点

油样名称

析蜡点/℃

反常点/℃

油样1

32

31

油样2

25

24

油样3

31

30

油样4

33

31

油样5

32

31

油样6

35

34


1.4实验条件

实验中的油温及结蜡管壁温度分别为t1、t2,由于实验用人工油样的析蜡点不同,为保证所设计不同油样的结蜡实验具有相同的相对实验条件,以析蜡点t为参照温度引入两个参数T1、T2,T1= t1-t;T2=t- t2 ,以保证不同组成的人工油样能够在相对相同的实验条件下进行结蜡实验。

分别对所配制的6种人工油样按表4所列实验条件进行实验。


表4  4种实验条件

实验条件

T1/℃

T2/℃

转速/r·min-1

1

2

3

4

2

2

4

4

9

9

7

11

100

50

100

100

 

实验结束后,对每次实验结蜡桶上的沉积物进行称量,计算出蜡沉积速率,单位为g·cm-2·h-1,并对结蜡桶上的沉积物采用DSC法和四组分法进行分析,分别测出沉积物的蜡、胶质、沥青质含量。

1.5实验结果

1.5.1 胶质沥青质含量对蜡沉积速率的影响

上述6种油样在4种不同条件下的结蜡实验所得出的蜡沉积速率变化规律及结蜡层的蜡含量变化规律分别见图2和图3。

图2  蜡沉积速率变化规律

图3  结蜡层蜡含量变化规律


综合分析可以发现:当油样的胶质沥青质含量从零开始增高时,原油的蜡沉积速率逐渐加快;当胶质沥青质含量达到12.35%后,原油的蜡沉积速率开始减慢,达到15.30%时,蜡沉积速率达到最小值;随后,人工油样的蜡沉积速率又随着胶质沥青质含量的增高开始加快;结蜡层的蜡含量随着人工油样胶质沥青质含量的增高而逐渐减低;并且实验条件对结蜡层蜡含量的影响也在随着人工油样胶质沥青质含量的增高逐渐减弱。

1.5.2 结蜡层胶质沥青质含量变化

针对上述6种油样分别在4种不同条件下的结蜡实验所得到的结蜡层沉积物用四组分法进行胶质、沥青质含量分析,结果见图4和图5。

图4  结蜡层胶质含量的变化

图5  结蜡层沥青质含量的变化

从图中可以看出,随着人工油样胶质沥青质含量的逐渐增高,结蜡层的胶质沥青质含量也逐渐增高,但结蜡层的胶质沥青质含量始终低于人工油样本身的胶质沥青质含量;当人工油样胶质沥青质含量在15. 30%以下即胶质的沉积以共晶作用为主时,结蜡层胶质的沉积受实验条件的影响较大。随着人工油样胶质沥青质含量逐渐增高,结蜡层胶质含量的增高逐渐减缓;当人工油样胶质沥青质的含量达到15. 30%以上即胶质的沉积以黏附作用为主时,结蜡层胶质的含量受实验条件的影响逐渐减小,最后几乎无影响。从结蜡层沥青质的沉积量随人工油样胶质沥青质含量增高的变化(见图5)来看,沥青质在管壁处的沉积受实验条件影响很小且并无明显的变化规律。

1.6 实验结果分析

(1)蜡含量相同、人工油样的胶质沥青质含量在较低范围内时,管壁结蜡主要以蜡晶分子的迁移作用为主,原油中分散的胶质沥青质分子中的烷基链与蜡分子产生共晶作用而存在于蜡沉积层中。随着胶质沥青质含量逐渐增高,这种共晶作用会越来越强,管壁的蜡沉积速率也就逐渐加快。

(2)当原油中蜡含量一定时,随着胶质沥青质含量逐渐增高,油样的黏度增大,蜡分子往结蜡层迁移的黏性阻力增大,同时沥青质分子的溶剂化层厚度逐渐增加,沥青质与胶质所形成的胶束颗粒体积变大,共晶作用在达到最大后减弱,蜡沉积速率因而逐渐减慢。

(3)随胶质沥青质含量继续增高,以胶质沥青质与蜡晶分子的共晶作用为主的蜡沉积逐渐变为以胶质沥青质的黏壁作用为主,从而使得管壁蜡沉积速率在达到最小值后有所加快。

(4)当胶质沥青质含量接着再增高,黏壁作用为主的管壁蜡沉积层的抗剪切强度得不到加强,因而随着胶质沥青质含量的增高,蜡沉积速率有所减慢。并且胶质沥青质对蜡分子迁移的阻碍作用随着其在原油中含量的增高逐渐大于实验条件的不同对蜡分子迁移的影响,结蜡层的蜡含量受实验条件的影响随之逐渐变小。

(5)当人工油样的胶质沥青质含量较低时,胶质在结蜡过程中更多的参与了与蜡分子的共晶作用;随着人工油样中胶质沥青质含量继续增高,沥青质在胶质的包裹下形成逐渐稳定的胶束,并参与胶质在蜡晶中的共晶作用。

(6)当人工油样胶质沥青质含量达到15. 30 %时,胶质与蜡晶相互抑制,包裹着沥青质的胶粒由于体积变大更加不易与蜡晶产生共晶作用。但人工油样的胶质沥青质的含量大于15. 30 %时,沥青质在胶体体系中更加稳定。胶质的沉积逐渐以粘壁为主,稳定的沥青质胶束随着胶质一起附着于管壁处。

2  实验结论对东北管网安全运行的启示

(1)针对庆油和俄油的物性特点及目前东北管网的运行特点,输送俄油的庆铁三线可适当比例掺混庆油以增加管输原油内部的胶质沥青质含量,以削弱冬季管线与环境温差增大对原油蜡沉积速率的正影响。

(2)加热输送庆油的庆铁四线可采用添加降黏剂的输送工艺,改善庆油流变性的同时削弱胶质沥青质协同蜡分子的沉积作用,保证管网安全运行。

(3)掺混输送的原油要注意原油配比,既要削弱结蜡过程中的共晶作用,同时也要注意掺混后原油的黏度来控制胶质沥青质的黏壁作用,以防黏壁作用导致管线输送能力下降。 

作者:白帆,1987年生,男,中国石油天然气管道局东北石油管道有限公司抢维事业部工程师,2014年毕业于中国石油大学(华东)油气储运专业,硕士,现主要从事油气管道长距离输送及抢维修相关技术研究工作。

《管道保护》2017年第1期(总第32期)

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