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保溫層失效對裸露輸油管道安全停輸時間的影響

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運公司 3．克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 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
保溫層失效對裸露輸油管道安全停輸時間的影響
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運公司，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：針對裸露輸油管道保溫層失效，安全停輸時間難以控制的問題，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，運用SPSS18．0軟件，擬合了停輸時間與熱油的平均溫度的關(guān)系曲線，最終確定了保溫層失效前后的
安全停輸時間。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較大，安全
停輸時間為227 h；保溫層失效后，靠近中心處稠油溫降速率相對較小，靠近管壁及蠟層附近溫降速率大大增
加，散熱損失增大，安全停輸時間降低至82 h。
關(guān)鍵詞：裸露管道；保溫層失效；安全停輸時間；數(shù)值模擬
中圖分類號：TE 832 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 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
我國北方大部分輸油管道已運行多年，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，
而保溫層失效對安全停輸時間有重要的影響，間接
影響管道的安全輸送與經(jīng)濟運行。目前國內(nèi)外學(xué)者
對停輸再啟動問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
一個與蘇霍夫公式相似的方程，用于預(yù)測埋地輸油
管內(nèi)的平均油溫；Patience和Mehrotra 利用數(shù)值解
法從動量和能量角度對長輸管道停輸再啟動過程進
行了熱力分析；Thornton 給出了停輸再啟動過程的
解析解；高艷波 等人對海底熱油管道懸空段停輸
過程進行了數(shù)值模擬，分析了管內(nèi)熱油溫度變化及
安全停輸時間；王海琴、張國忠 建立了熱油管道
不穩(wěn)定過程變物性耦合流動數(shù)學(xué)模型，對稠油停輸
時管內(nèi)原油溫度變化特性進行了分析；周詩崠、吳
明等 采用有限差分法，求解了冷熱油交替輸送管
道的安全停輸時間；李晉、吳明 對埋地?zé)嵊凸芫€
間歇輸送技術(shù)進行了研究，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、徐誠等
研究了冷熱源有交替輸送的停輸再啟動過程，確
定了安全停輸時間和停輸時的危險截面。國內(nèi)外學(xué)
者雖然對埋地?zé)嵊凸艿肋M行了研究，但是對保溫層
失效問題對熱油管道的影響研究較少?；谝陨?，
基金項目：遼寧省教育廳科技項目(2008Sl 37)：中國石油西部管道公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目(XG22—2009—008)。
收稿日期： 201 3-01—05
作者簡介： 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，研究方向為稠油安全輸送與節(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
時考慮凝固潛熱的影響，對比并分析了保溫層失效
前后管道稠油溫降規(guī)律。此外，運用SPSS 18．0軟
件擬合了停輸時間與管道內(nèi)稠油平均溫度的關(guān)系曲
線，確定了安全停輸時間，以期在管道檢修、停輸
再啟動等工程實際方面提供一定的理論指導(dǎo)。。
1 模型建立
1．1 問題描述
北方某稠油管道全長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象，
模擬區(qū)域采用四邊形進行網(wǎng)格劃分，簡化物理模型
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 )+ 1 a aTI)
r or Or r‘ 0移 0
式中：p廣一原油液相密度，krdm ；
c廠原油液相比熱容，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)過長時間輸送形成的穩(wěn)定溫度場對
停輸溫降具有重要的影響。本文以此穩(wěn)態(tài)溫度場作
為初始條件進行模擬分析。在實際運行過程中，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，此種狀況對安全停輸時間有直接的影響。
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
失效為研究對象，對停輸時溫降規(guī)律及安全停輸時
間進行對比分析。
2．1 保溫層失效前模擬結(jié)果分析
本文選取點(0，0)、(0．08，0)、(0．16，0)、(0．24，0)、
(0．32，0)及(O．35，0)6個點，給出了保溫層失效
后各點隨安全停輸時間的溫度變化曲線，如圖2所
示。由圖可知，各點溫度隨著安全停輸時間的增加，
溫度緩慢降低，距離管道中心較遠(yuǎn)處點(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
各點溫降速率大致相同。
筆者利用SPSS18．0軟件對停輸時間與平均油
溫進行方程擬合，擬合曲線如圖3，擬合方程如(5)
式。曲線擬合度為0．999 2，擬合度較高，可以用來
預(yù)測安全停輸時間。根據(jù)《原油管道運行技術(shù)規(guī)范》，
進站油溫應(yīng)高于凝點3℃以上，由此確定安全停輸
時間為227 h。
Y =0．0008x 一0．3839x+306．6428 (5)
尺 = 0．9992
第42卷第5期 孫憲航，等： 保溫層失效對裸露輸油管道安全停輸時間的影響 579
贈
要
暖
停輸時間／h
圖2 保溫層失效前溫降曲線
Fig．2 Temperature drop curve before the insulation layer
failure
31 0
305
：3O0
295
290
28 5
贈280
莖
2 70
265
260
255
0 20 40 60 80 1O0 l20 140 l60 180 200 220
停輸時間／h
圖3 停輸時間與平均油溫擬合曲線
Fig．3 The fitting curve of shutdown time and the average oil
temperature
贈
要
器
o 5 1o l5 2O 25 30 35 40 45 50 55 6o 65 70 75 80
停輸時間／h
圖4 保溫層失效后溫降曲線
Fig．4 Temperature drop curve after the insulation layer
failure
31 0
3O5
300
295
290
285
贈280
莖275
270
265
260
255
0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0
停輸時間／h
圖5 停輸時間與平均油溫擬合曲線
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
對于點(0，0)、(0．08，0)、(0．16，0)、(0．24，0)、
(0．32，0)及(0．35，0) 的溫降曲線圖如圖4所示。
由圖可知，點0，0)、(0．08，0)、(0．16，0)隨著安全停
輸時間的增加，溫度緩慢降低；點(0．24，0)溫降速
率相對較大，而距離管道中心較遠(yuǎn)處點(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間與平均油溫擬合曲線如
圖5，擬合方程如(6)式。曲線擬合度為0．980 6，
擬合度較高，可以用來預(yù)測安全停輸時間。根據(jù)《原
油管道運行技術(shù)規(guī)范》，進站油溫應(yīng)高于凝點3℃
以上，由此確定安全停輸時間為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程非穩(wěn)態(tài)傳熱
模型，對溫降過程進行了數(shù)值分析，并利用SPPSS18．0
軟件對安全停輸時間與平均油溫進行曲線擬合，確定
了安全停輸時間。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，
安全停輸時間為227 h；(2)保溫層失效后，靠近中
心處稠油溫降速率相對較小，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，最終使安全停輸時間降低至82 h；(3)根據(jù)
模擬計算及曲線擬合方程，可為管道停輸方案制定、
安全運行提供科學(xué)的理論依據(jù)。
參考文獻：
[1] Haim H Bau．Heat losses from a fluid flowing in a buried pipe【J】．
International Journal of Heat and Mass Trans r． 1982．
25(1 l1：1621-1629．
[2] King G．Equation predicts buried pipeline temperatures【J]l Journal of
oil&amp;amp;gas．1981．65(16)：65—72．
[3]Patience G S，A K Mehrotra．Combined thermal—momentum start-up in
long pipes [J】．Journal of Heat and Mass Transfer， 1990，
33(9)：205 1-2053．
[4] Thornton D E．Steady—state and quasi—static thermal results for bare
insulated pipes in pernmfrost[J]． Canadian Geotechnical Journal，
1976，13(2)：161—171．
[5]高艷波，馬貴陽，姚堯，等．海底熱油管道懸空段停輸溫降過程的數(shù)值
模擬【J1．科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(21)：5279—5281．
[6]王海琴，張國忠．熱油管道不穩(wěn)定過程變物性耦合流動數(shù)值模擬【J1l
油氣儲運，2006，25(4)：19—22．
[7]周詩崠，吳明．冷熱油交替輸送管道安全停輸時間計算【J]．油氣田地面
工程，2010，29(12)：29—31．
[8]李晉，吳明．埋地?zé)嵊凸芫€間歇輸送技術(shù)研究【J】_遼寧石油化工大學(xué)學(xué)
報，2008，28(3)：35—37
[9]字波，徐誠，張勁軍．冷熱原油交替輸送停輸再啟動研究IJ]．油氣儲
運，2009，28(1 1)：4—16．
[10]陜西省建筑設(shè)計院．建筑材料手冊[M]．北京：中國建筑出版社，1997．
圳 枷 腳赫 螄喜；

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