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保温层失效对裸露输油管道安全停输时间的影响

文档作者：孙宪航陈保东马新李伟王雷赵虎莫海元文档来源： 1．辽宁石油化工大学石油天然气工程学院 2．新疆油田公司油气储运公司 3．克拉玛依职业技术学院		点击数：	更新时间： 2021年09月26日
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第42卷第5期
2013年5月
当 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo1．42．NO．5
May，201 3
保温层失效对裸露输油管道安全停输时间的影响
孙宪航 ，陈保东 ，马 新 ，李 伟 ，王 雷L。，赵 虎 ，莫海元
(1．辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，抚顺辽宁113001；
2．新疆油田公司油气储运公司，新疆克拉玛依834002； 3．克拉玛依职业技术学院，新疆克拉玛依834002)
摘 要：针对裸露输油管道保温层失效，安全停输时间难以控制的问题，结合有限容积法，建立了裸露输
油管道二维、非稳态传热模型。该模型考虑了凝固潜热的影响，对比分析了保温层失效前后稠油温降规律。在
此基础上，运用SPSS18．0软件，拟合了停输时间与热油的平均温度的关系曲线，最终确定了保温层失效前后的
安全停输时间。研究结果表明，保温层失效前，管内稠油温降速率较低，靠近管壁及蜡层附近相对较大，安全
停输时间为227 h；保温层失效后，靠近中心处稠油温降速率相对较小，靠近管壁及蜡层附近温降速率大大增
加，散热损失增大，安全停输时间降低至82 h。
关键词：裸露管道；保温层失效；安全停输时间；数值模拟
中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 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 two
dimension unsteady—state mode1 of exposed pipeline was established by the finite volume method．and 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．and 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．and the safe shutdown time iS 82 h．
Key words：Exposed pipeline；Insulation failure；Safe shutdown time；Numerical simulmion
我国北方大部分输油管道已运行多年，管道、
保温层均出现了老化现象，导致停输次数逐渐增多，
而保温层失效对安全停输时间有重要的影响，间接
影响管道的安全输送与经济运行。目前国内外学者
对停输再启动问题的研究主要集中在埋地输油管
道：Haim H．Bau⋯利用有限差分法，分析了稠油管道
的热量传递、散热损失及其温度分布，King 提出了
一个与苏霍夫公式相似的方程，用于预测埋地输油
管内的平均油温；Patience和Mehrotra 利用数值解
法从动量和能量角度对长输管道停输再启动过程进
行了热力分析；Thornton 给出了停输再启动过程的
解析解；高艳波 等人对海底热油管道悬空段停输
过程进行了数值模拟，分析了管内热油温度变化及
安全停输时间；王海琴、张国忠 建立了热油管道
不稳定过程变物性耦合流动数学模型，对稠油停输
时管内原油温度变化特性进行了分析；周诗岽、吴
明等 采用有限差分法，求解了冷热油交替输送管
道的安全停输时间；李晋、吴明 对埋地热油管线
间歇输送技术进行了研究，确定了安全停输方案，
并成功应用于铁岭一大连输油管道；宇波、徐诚等
研究了冷热源有交替输送的停输再启动过程，确
定了安全停输时间和停输时的危险截面。国内外学
者虽然对埋地热油管道进行了研究，但是对保温层
失效问题对热油管道的影响研究较少。基于以上，
基金项目：辽宁省教育厅科技项目(2008Sl 37)：中国石油西部管道公司科学研究与技术开发项目(XG22—2009—008)。
收稿日期： 201 3-01—05
作者简介： 孙宪航(1987一)，男，江苏连云港人，在读硕士， 2010年6月毕业于南通大学高分子材料专业，研究方向：稠油安全输送。E-mail
sunxh041 3@1 63．corn。
通讯作者：王雷(1 984～)，男，助理工程师，硕士研究生，研究方向为稠油安全输送与节能技术。E-mail：wanglei80231@1 63．com
化 工 2013年5月
本文建立裸露输油管道二维、非稳态传热模型，同
时考虑凝固潜热的影响，对比并分析了保温层失效
前后管道稠油温降规律。此外，运用SPSS 18．0软
件拟合了停输时间与管道内稠油平均温度的关系曲
线，确定了安全停输时间，以期在管道检修、停输
再启动等工程实际方面提供一定的理论指导。。
1 模型建立
1．1 问题描述
北方某稠油管道全长74．5 km，裸露部分180 m，
管道外径720 mm，壁厚10 mm；保温层厚度为40
mm，导热系数为0．042 W／(m·K)；稠油密度、定压
比热及导热系数分别为870kg／m ，1720 J／(kg·K)
和0．16 W／(m·K)，原油的凝固点为一16 ，停输前
原油温度为34℃；此外，结蜡厚度30 mm，导热
系数为2．5 W／(m·K)。本文选取裸露段为研究对象，
模拟区域采用四边形进行网格划分，简化物理模型
如图1所示，基本假设如下：
(1)材料的物性参数均为定值；
(2)保温层失效前后物性参数均匀；
(3)忽略管道轴向传热，并假设停输前稠油
管内径向温度没有变化；
(4)室外大气温度取平均温度一21℃，平均风
速4 m／s
图1 物理模型
Fig．1 Physical model
1．2 方程建立
(1)传热方程：原油液相中当量导热微分方程如下。
aT, 一 a占0T,
-g f 1 1
=
1 8( 厂 )+ 1 a aTI)
r or Or r‘ 0移 0
式中：p广一原油液相密度，krdm ；
c厂原油液相比热容，J／(kg·K)；
^ 一原油液相当量导热系数，W／(m·10；
^广__当量导热系数，w／(m·K)；
一原油的凝固潜热，J／kg；
，一原油液相温度，K；
一腺油固相率。
蜡层、管壁、保温层的导热微分方程如下。
c 鲁= dt 1r o8r ( ，．等or )+吉r o移 ( 。 )(2)
式中： p 一蜡层／管壁，保温层密度，kg／m。；
c 一蜡层僭壁，保温层比热容，J／(kg·Iq；
一蜡层，管壁／保温层温度，K；
A 一蜡层／管壁，保温层导热系数，W／(m·K)。
(2)边界条件：管道外壁与大气接触。
= ( 一 ) (3)
、
= 11．63+74v
式中： N一管道最外层导热系数，W／(m ·K)；
一对流换热系数，W／(m2·K)；
一风速，m／s；
一管道最外层温度，K；
一环境温度，K。
(3)初始条件
／-=0， ： (4)
式中：死一原油液相初始温度，K。
2 模拟结果及分析
热油管道经过长时间输送形成的稳定温度场对
停输温降具有重要的影响。本文以此稳态温度场作
为初始条件进行模拟分析。在实际运行过程中，裸
露部分易受风吹、日晒、雨淋易发生老化而造成保
温层失效，此种状况对安全停输时间有直接的影响。
保温层导热系数由失效前的0．042 W／(m·K)增大到
0．860 W／(m· m 。因此，本文选取保温层未失效与
失效为研究对象，对停输时温降规律及安全停输时
间进行对比分析。
2．1 保温层失效前模拟结果分析
本文选取点(0，0)、(0．08，0)、(0．16，0)、(0．24，0)、
(0．32，0)及(O．35，0)6个点，给出了保温层失效
后各点随安全停输时间的温度变化曲线，如图2所
示。由图可知，各点温度随着安全停输时间的增加，
温度缓慢降低，距离管道中心较远处点(0．32，0)和
(0．35，0)温降速率较大，温度较低，由于与环境温
差大，使散热损失大；而管道中心温降最小，其他
各点温降速率大致相同。
笔者利用SPSS18．0软件对停输时间与平均油
温进行方程拟合，拟合曲线如图3，拟合方程如(5)
式。曲线拟合度为0．999 2，拟合度较高，可以用来
预测安全停输时间。根据《原油管道运行技术规范》，
进站油温应高于凝点3℃以上，由此确定安全停输
时间为227 h。
Y =0．0008x 一0．3839x+306．6428 (5)
尺 = 0．9992
第42卷第5期 孙宪航，等： 保温层失效对裸露输油管道安全停输时间的影响 579
赠
要
暖
停输时间／h
图2 保温层失效前温降曲线
Fig．2 Temperature drop curve before the insulation layer
failure
31 0
305
：3O0
295
290
28 5
赠280
茎
2 70
265
260
255
0 20 40 60 80 1O0 l20 140 l60 180 200 220
停输时间／h
图3 停输时间与平均油温拟合曲线
Fig．3 The fitting curve of shutdown time and the average oil
temperature
赠
要
器
o 5 1o l5 2O 25 30 35 40 45 50 55 6o 65 70 75 80
停输时间／h
图4 保温层失效后温降曲线
Fig．4 Temperature drop curve after the insulation layer
failure
31 0
3O5
300
295
290
285
赠280
茎275
270
265
260
255
0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0
停输时间／h
图5 停输时间与平均油温拟合曲线
Fig．5 The fitting curv e of shutdown time and the average oil
temperature
2．2 保温层失效后模拟结果分析
对于点(0，0)、(0．08，0)、(0．16，0)、(0．24，0)、
(0．32，0)及(0．35，0) 的温降曲线图如图4所示。
由图可知，点0，0)、(0．08，0)、(0．16，0)随着安全停
输时间的增加，温度缓慢降低；点(0．24，0)温降速
率相对较大，而距离管道中心较远处点(0．32，0)和
(O．35，0)温降速率最大，温度最低，由于保温层失
效，使得导热量大大增加，散失到环境中热量亦增
加，最终使管内油温迅速降低。
保温层失效后停输时间与平均油温拟合曲线如
图5，拟合方程如(6)式。曲线拟合度为0．980 6，
拟合度较高，可以用来预测安全停输时间。根据《原
油管道运行技术规范》，进站油温应高于凝点3℃
以上，由此确定安全停输时间为82 h。
Y = 0．0062 x 一1．0152 x+ 301．8354 (6)
R2= 0．9806
3 结论
本文建立了裸露输油管道停输过程非稳态传热
模型，对温降过程进行了数值分析，并利用SPPSS18．0
软件对安全停输时间与平均油温进行曲线拟合，确定
了安全停输时间。研究结果表明：(1)保温层失效前，
管内稠油温降速率较低，靠近管壁及蜡层附近较大，
安全停输时间为227 h；(2)保温层失效后，靠近中
心处稠油温降速率相对较小，由于保温层导热系数增
加，靠近管壁及蜡层附近温降速率大大增加，散热损
失增大，最终使安全停输时间降低至82 h；(3)根据
模拟计算及曲线拟合方程，可为管道停输方案制定、
安全运行提供科学的理论依据。
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