CN103968254B - 埋地原油管道停输温降实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种埋地原油管道停输温降实验装置，在方形箱体中设有实验管段，箱体中填充有沙土并覆盖实验管段；实验管段的进油口连通导热油加热罐，出油口连通废油回收罐；实验管段一端由绝热双层真空玻璃制成的端盖密封；实验管段外壁包覆有电加热膜，实验管段内壁设有一第一温度热电偶，第一温度热电偶、电加热膜与温度控制系统连接；实验管段内部设有多个第二温度热电偶；实验管段外设有多个第三温度热电偶；第二、第三温度热电偶连接到多路数据采集器；本发明可模拟埋地热油管道停输过程，占用空间小，实验初始条件和边界条件易于控制，测温全面准确，并且实现了埋地管道实验的可视化，利于深入研究含蜡原油在停输过程的传热机理。

Description

埋地原油管道停输温降实验装置

技术领域

本发明是关于一种温降实验装置，尤其涉及一种原油输送中埋地原油管道停输温降实验装置。

背景技术

我国所产原油多为含蜡易凝高粘原油，管道输送这类原油时，一般采用加热输送技术。由于计划检修或者事故抢修等因素，不可避免地会遇到各种停输问题。停输后原油向环境散热，油温下降，粘度随之增大。当油温降到析蜡点以下，蜡晶就会不断析出并胶联成网络结构给管道的再启动带来极大的困难，甚至造成凝管事故。

含蜡原油管道停输过程中原油物性发生剧烈变化，原油由高温段牛顿流体随着温降转变为低温段非牛顿流体直至胶凝固体。停输传热过程是一个伴随有相变化、自然对流及移动边界的非稳定传热问题，由于其复杂性，传热机理尚未得到完全揭示，目前尚不能准确预测管道停输温降及允许停输时间。为了解决这一问题，其关键是要查明停输过程中管内原油的传热机制。但是目前还没有能够深入研究这一机理的实验装置，因此要揭示含蜡原油停输温降规律十分困难。

目前，对于埋地原油管道停输温降的实验研究主要包括现场实验和环道实验。我国东黄复线、东临线、中洛线和彩石输油管线都进行过现场试验研究，这些研究虽然都详细监测了停输过程中管道周围土壤温度场的变化，但对管内油温的研究比较粗糙，仅在管内布置了少数几个测温热电偶，对特定位置温度的变化进行了监测。虽然这些现场测试为管道安全生产提供了一些参考，但有很大的局限性，主要是无法测得管内油温的分布，不能结合原油的流变性质开展管内原油传热机理研究。

进行埋地原油管道停输温降研究的另一方法是环道试验。发明人所在课题组就曾计划搭建环道对该问题进行研究，但因环道的长度必须足够大使油流达到充分发展，而且拐角处的曲率也应达到一定大小。基于以上原因，环道的占地面积已远远超过实验室的可用面积，而且尺寸越大实验的边界条件也越难控制，往往带来实验误差。另外，环道结构复杂，需要泵、电机、缓冲罐等相关设备，实验台搭建运行费用较高，而且实验步骤繁琐，换土换油不便，实验效率低。更重要的是，现有实验装置均由于其封闭性无法对管内原油的轴向截面进行观察，而对于停输温降这样一种伴随有相变化、自然对流及移动边界的非稳定传热问题，跟踪相界面的移动并了解蜡晶析出的结构和规律至关重要，如能实现停输温降实验装置的可视化将有利于深入揭示原油停输过程中的传热机理。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种埋地原油管道停输温降实验装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种埋地原油管道停输温降实验装置，实现实验的可视化、方便观察记录原油的凝固结蜡情况，利于深入研究含蜡原油在停输过程的传热机理。

本发明的另一目的在于提供一种埋地原油管道停输温降实验装置，可获得管内原油的截面温度场和土壤温度场，从而深入研究停输过程中含蜡原油传热机理。

本发明的又一目的在于提供一种埋地原油管道停输温降实验装置，实验初始条件和边界条件易于控制、实验可重复性好。

本发明的再一目的在于提供一种埋地原油管道停输温降实验装置，占地面积小、操作方便。

本发明的目的是这样实现的，一种埋地原油管道停输温降实验装置，所述停输温降实验装置包括一方形箱体，所述箱体中设有一两端密封的实验管段，实验管段外的箱体中填充有沙土并覆盖所述实验管段；实验管段的进油口连通导热油加热罐出油口，实验管段的出油口连通废油回收罐进油口；所述实验管段至少一端由绝热双层真空玻璃制成的端盖密封，箱体壁面与绝热双层真空玻璃端盖对应位置处开有相应大小的圆孔；所述实验管段外壁包覆有电加热膜，实验管段内壁固定有一第一温度热电偶，第一温度热电偶、电加热膜与一个温度控制系统连接；实验管段内部设有管内热电偶支架，其上固定设有多个第二温度热电偶；实验管段外壁固定设有管外热电偶支架，其上固定设有多个第三温度热电偶；第一温度热电偶、第二温度热电偶的连线通过实验管段上的引线口引出，第二温度热电偶连接到一个多路数据采集器；第三温度热电偶的连线通过箱体上的小孔引出并连接到所述多路数据采集器；该多路数据采集器通过端口与PC机连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述绝热双层真空玻璃端盖包括三层玻璃，相邻两层玻璃之间设有间隙层，所述间隙层为真空层。

在本发明的一较佳实施方式中，所述实验管段的长度直径比为3:1；所述实验管段的外壁上焊接三个与之连通的90度弯管，两个弯管在实验管段上部，另一个弯管在实验管段下部，分别作为进油口、引线口和出油口。

在本发明的一较佳实施方式中，进油口弯管的管径大于出油口弯管的管径。

在本发明的一较佳实施方式中，所述箱体上设有与所述弯管对应的圆孔；所述箱体的壁面包覆绝热泡沫板。

在本发明的一较佳实施方式中，所述管内热电偶支架包括两个固定设置于实验管段内壁的环形体，所述两个环形体通过多个沿圆周对称分布的长条杆固定连接形成一整体结构，所述两个环形体上分别设有径向分布的细线，所述多个第二温度热电偶由所述细线缠绕并轴向固定在所述内热电偶支架上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述管内热电偶支架整体采用工程塑料制成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述管外热电偶支架包括固定套在实验管段外壁的金属环，所述金属环周向焊接有多个沿实验管段径向延伸的金属片，每个金属片上设有多个固定第三温度热电偶的小孔。

在本发明的一较佳实施方式中，多个第三温度热电偶轴向设置在金属片上。

由上所述，本发明的埋地含蜡原油管道停输温降实验装置可以模拟埋地热油管道停输过程，具有占用空间小，实验初始条件和边界条件易于控制，测温全面准确，实验效率高等优点，并且实现了埋地管道实验的可视化，可以观察记录原油的凝固结蜡情况，有利于深入研究含蜡原油在停输过程的传热机理。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明温降实验装置的结构示意图。

图2：为本发明实验管段及管外热电偶支架结构示意图。

图3：为本发明管内热电偶支架结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示的一种埋地原油管道停输温降实验装置100，包括一方形箱体1，箱体中设有一两端密封的实验管段2，实验管段2的轴向与箱体1的两个相对壁面垂直，实验管段2外的箱体1中填充有沙土并覆盖实验管段2；实验管段2的进油口21连通导热油加热罐3出油口，实验管段2的出油口22连通废油回收罐4进油口；实验管段2至少一端由绝热双层真空玻璃制成的端盖23密封，绝热双层真空玻璃包括三层玻璃，相邻两层玻璃之间设有真空间隙层，双层真空玻璃表观导热系数为0.015W/mK，能起到良好的绝热作用，并为实验的可视化创造了条件，能够观察管内原油凝固、蜡晶析出结构和规律以及相界面移动情况，有利于深入研究传热机理。箱体壁面与绝热双层真空玻璃端盖23对应位置处开有相应大小的圆孔。实验管段2外壁包覆有电加热膜5，实验管段内壁固定有一第一温度热电偶(图中未示出)，第一温度热电偶、电加热膜5与一个温度控制系统7连接。实验管段2内部设有管内热电偶支架8(如图3所示)，其上固定设有多个第二温度热电偶83；实验管段2外壁固定设有管外热电偶支架9(如图2所示)，其上固定设有多个第三温度热电偶93。温度控制系统7由温度控制器和固态继电器组成，第一温度热电偶的连线通过实验管段2上的引线口24引出并和温度控制器连接，固态继电器和电加热膜连接，温度控制系统通过PID控制电加热膜的开闭以实现对实验管段的恒温控制。通过第二温度热电偶和第三温度热电偶获得实验管段中原油的截面温度场和土壤的温度场，第二温度热电偶的连线通过实验管段2上的引线口24引出并连接到一个多路数据采集器10；第三温度热电偶的连线通过箱体上的小孔引出并连接到所述多路数据采集器10；该多路数据采集器10通过端口与PC机11连接。PC机可以对采集的温度数据进行处理分析。

由上所述，本发明的埋地含蜡原油管道停输温降实验装置可以模拟埋地热油管道停输过程，具有占用空间小，实验初始条件和边界条件易于控制，测温全面准确，实验效率高等优点，并且实现了埋地管道实验的可视化，可以观察记录原油的凝固结蜡情况，有利于深入研究含蜡原油在停输过程的传热机理。本实验装置经数值模拟验证，其测量准确，结构合理、便于操作，可以显著提高实验效率。

电加热膜5主要有两个作用：(1)在向实验管段中注入原油的过程中，配合温度控制系统对实验管段的管壁进行恒温控制，确保管壁与原油温度一致，避免原油散热；(2)试验结束后为了放空管段，对原油进行加热增加其流动性。

所述电加热膜5采用Kapton挠性材质，结构轻薄(最厚仅0.25mm)，可以根据工件的形状任意弯曲，确保与工件接触紧密，保证最大的热能传递。中间为特殊合金箔制成的电阻性电路。它比丝状电热结构提供更均匀的热场，更短的加热时间和更快的响应时间，与丝状电热结构相比，功率负荷低，使用寿命更长。热惯量小，温度控制精度高，升温速度快。能与石油及大多数化学品接触，并可以方便地与温度控制器或传感器集成为一体。

进一步，实验管段2的管径可以根据实验要求进行选择，实验管段的长度直径比采用3:1，采用此比例时，两端部散热对中间截面温度场的影响可以忽略不计，材质采用不锈钢，实验管段2的外壁上焊接三个与之连通的90度弯管，两个弯管在实验管段上部，另一个弯管在实验管段下部，分别作为进油口21、引线口24和出油口22。考虑到向实验管段2内注入原油的过程中原油会向外散发热量，因此，采用进油口弯管的管径大于出油口弯管的管径，这样可以尽可能缩短进油时间。箱体上设有与三个弯管对应的圆孔，三个弯管与圆孔配合，可以起到定位实验管段2位置的作用。箱体的壁面可以包覆绝热泡沫板构造绝热边界，也可以包覆电加热膜，配合热电偶，温度控制器构造等温边界。

在本实施方式中，实验管段2一端由绝热双层真空玻璃制成的端盖23密封，由此，实现了埋地管道实验的可视化，可以观察记录原油的凝固结蜡情况，有利于深入研究含蜡原油在停输过程的传热机理。进一步，在本发明中，也可以采用实验管段2两端都由绝热双层真空玻璃制成的端盖23密封的方式。

进一步，如图2所示，管外热电偶支架9套在实验管段2外部中间位置，包括固定套在实验管段外壁的金属环91，金属环91周向焊接有多个沿实验管段2径向延伸的金属片92(如图2所示，所述金属片92可以只设置在沿实验管段2轴向对称的一侧；也可以围绕实验管段2整周设置)，每个金属片上设有多个固定第三温度热电偶93的小孔。在本实施方式中，所述金属环91由两个半圆形金属环通过螺丝连接并箍紧在实验管段2外壁。第三温度热电偶93通过小孔用树脂胶沿着实验管段轴向固定在金属片92上，第三热电偶93与金属片92之间用塑料套管绝缘。使第三热电偶93头部稍微露出金属片，并用套管焊接密封。靠近管外壁处热电偶93布置密集，随着距离的增加，热电偶93的间距逐渐加大。

进一步，如图3所示，所述管内热电偶支架8包括两个固定设置于实验管段2内壁的环形体81，所述两个环形体81通过多个沿圆周对称分布的长条杆82固定连接形成一整体结构，所述两个环形体81上分别设有径向分布的细线84，所述多个第二温度热电偶83由所述细线84缠绕并轴向固定在所述内热电偶支架上管内热电偶支架采用具有一定刚性的工程塑料制成，可以在体积较小的情况下满足稳定性要求。工程塑料导热系数接近原油，尽量减少对原油传热传质的影响。第二热电偶在管内热电偶支架上的布置方案是在数值模拟的基础上确定的，用较少的热电偶全面反映温度场的特点，又减少了对流场的干扰。

进一步，导热油加热罐3用来加热配置实验溶液，并向实验管段2提供液体。导热油加热罐功率6kw，罐体为圆柱形，最大容积100L，水罐壁厚3mm。将加热罐底部设计成圆锥形，同时在其底部安装1in的球阀，便于排净油罐内实验后剩余的溶液。导热油加热罐3自动控制系统由XMT温控仪、热电偶、可控硅开关、端子排等组成，能够实现PID自整定智能控制，对导热油加热罐出口温度进行监控，从而保证总出口温度控制在工艺要求值。另外，导热油加热罐设有注药口、搅拌器，可以向原油中添加降凝剂等药剂，并用搅拌器使之混合均匀，以研究加剂改性原油的停输传热机理。导热油加热罐一侧安装有刻度式液位计，以方便实验者观察导热油加热罐内的液位；导热油加热罐的出油口与实验管段进油口中间设有球阀31；废油回收罐4进油口与实验管段出油口之间设有球阀41。采用导热油加热罐3来加热配置实验溶液，可以将加热至实验要求的溶液直接输入实验管段2中，从而可以缩短实验时间。

在本实施方式中，所述热电偶采用SRK-WRNK-001热电偶，用铁氟龙护套进行保护，测量温度范围0-200℃。结构细小，最大直径只有1.2mm，对原油流场影响较小。

所述多路数据采集器采用Keithley2700以及7708采集模块，有多达200个用于测量与控制的差分输入通道，集成了数字多用表、开关系统和数据记录仪的多种功能，真六位半(22比特)精度，插入式的模块具有灵活方便的特点，高达500通道/秒的扫描速率(单通道可达3500次读数/秒)大大提高了测试产能。

本发明埋地原油管道停输温降实验装置具有如下优点：

1)实验管段采用电加热膜进行控温，采用的电加热膜和温度控制器功能强大，技术先进，占用体积小，能耗低，控温精度达到了0.05℃，加热稳定性、均匀性良好。

2)采用导热油加热罐为原油进行加热，功率大、效率高，提高了实验效率，控温精度达到了0.05℃。加热方式为通过夹套中的导热油间接加热，有效防止干烧，具备超温报警功能，提高了实验的安全性。

3)采用的多路数据采集器具有真六位半精度，单通道可达3500次读数/秒，内置自动冷端补偿，测温方便准确，大大提高了测试产能。

4)实验管段两端采用双层真空绝热玻璃端盖密封，表观导热系数为0.015W/mK，绝热效果良好，密封承压满足实验要求，并可实现实验的可视化，为深入揭示管内原油复杂自然对流的传热机理提供可能。

5)实验管段、沙箱的尺寸都是经过数值模拟优化的，既能较为真实的反应埋地管道的真实情况满足实验要求，又方便操作，不至于占用过多空间。

采用本发明停输温降实验装置的实验步骤如下：

1)检查设备：

检查试验装置是否处于正常工作状态，包括：多路数据采集器是否工作正常，热电偶采集数据是否稳定、准确，温度控制器是否正常工作，电加热设备接线是否正确、是否正常工作，阀门是否按要求开关。

2)预处理试验介质：

将实验所需的油或水按照预定体积准备好，从导热油加热罐的进液口注入。如需药剂在填料口加入，并开启搅拌器进行搅拌使之混合均匀。然后设定导热油加热罐的PID温度控制器，将原油加热至预定温度。

3)恒温注入实验管段：

打开球阀，将导热油加热罐中加热好的原油注入到实验管段中，此时由电加热膜、管壁处热电偶、温度控制器和固态继电器组成的温控系统控制管壁恒温，以防止原油向外散热。

4)温度数据采集：

实验管段中充满原油后，开始静置温降过程，热电偶测试管内原油温度场数据，多路数据采集器采集并记录。

5)记录相界面：

随着原油温度的降低，原油开始凝固，液固相界面位置逐渐发生变化，此时通过实验管段一端的绝热玻璃观察或用相机拍摄记录凝油界面。

6)输出数据：

温度场数据通过数据采集系统处理输出，供用户分析研究温降规律。

7)重复以上实验步骤，进行不同工况下的含蜡原油停输温降实验研究。

综上所述，本发明的埋地含蜡原油管道停输温降实验装置可以模拟埋地热油管道停输过程，具有占用空间小，实验初始条件和边界条件易于控制，测温全面准确，实验效率高等优点，并且实现了埋地管道实验的可视化，可以观察记录原油的凝固结蜡情况，有利于深入研究含蜡原油在停输过程的传热机理。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种埋地原油管道停输温降实验装置，所述停输温降实验装置包括一方形箱体，其特征在于：所述箱体中设有一两端密封的实验管段，实验管段外的箱体中填充有沙土并覆盖所述实验管段；实验管段的进油口连通导热油加热罐出油口，实验管段的出油口连通废油回收罐进油口；所述实验管段至少一端由绝热双层真空玻璃制成的端盖密封，箱体壁面与绝热双层真空玻璃端盖对应位置处开有相应大小的圆孔；所述实验管段外壁包覆有电加热膜，实验管段内壁固定有一第一温度热电偶，第一温度热电偶、电加热膜与一个温度控制系统连接；实验管段内部设有管内热电偶支架，其上固定设有多个第二温度热电偶；实验管段外壁固定设有管外热电偶支架，其上固定设有多个第三温度热电偶；第一温度热电偶、第二温度热电偶的连线通过实验管段上的引线口引出，第二温度热电偶连接到一个多路数据采集器；第三温度热电偶的连线通过箱体上的小孔引出并连接到所述多路数据采集器；该多路数据采集器通过端口与PC机连接。

2.如权利要求1所述的埋地原油管道停输温降实验装置，其特征在于：所述绝热双层真空玻璃端盖包括三层玻璃，相邻两层玻璃之间设有间隙层，所述间隙层为真空层。

3.如权利要求1所述的埋地原油管道停输温降实验装置，其特征在于：所述实验管段的长度和直径的比值为3:1；所述实验管段的外壁上焊接三个与之连通的90度弯管，两个弯管在实验管段上部，另一个弯管在实验管段下部，分别作为进油口、引线口和出油口。

4.如权利要求3所述的埋地原油管道停输温降实验装置，其特征在于：进油口弯管的管径大于出油口弯管的管径。

5.如权利要求3或4所述的埋地原油管道停输温降实验装置，其特征在于：所述箱体上设有与所述弯管对应的圆孔；所述箱体的壁面包覆绝热泡沫板。

6.如权利要求1所述的埋地原油管道停输温降实验装置，其特征在于：所述管内热电偶支架包括两个固定设置于实验管段内壁的环形体，两个所述环形体通过多个沿圆周对称分布的长条杆固定连接形成一整体结构，所述两个环形体上分别设有径向分布的细线，所述多个第二温度热电偶由所述细线缠绕并轴向固定在所述管内热电偶支架上。

7.如权利要求6所述的埋地原油管道停输温降实验装置，其特征在于：所述管内热电偶支架整体采用工程塑料制成。

8.如权利要求1所述的埋地原油管道停输温降实验装置，其特征在于：所述管外热电偶支架包括固定套在实验管段外壁的金属环，所述金属环周向焊接有多个沿实验管段径向延伸的金属片，每个金属片上设有多个固定第三温度热电偶的小孔。

9.如权利要求8所述的埋地原油管道停输温降实验装置，其特征在于：多个第三温度热电偶轴向设置在金属片上。