胶凝含蜡原油结构特性及其对管道启动流影响的研究

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含蜡原油在常温下流动性差,常需加热改善流动性后才能进行管道输送。输油管道不可避免会出现停输。如果停输时间较长,油温下降将导致原油胶凝。胶凝含蜡原油管道再启动是输油管道流动保障的主要问题之一。工程实践中发现,管道停输过程中短时间启泵使即将胶凝的原油流动(俗称“活动管道”),有降低最终启动压力、减小凝管风险的效果。其流变学与非牛顿流体力学实质,是预剪切对胶凝原油结构特性及启动流特性的影响。本文以此为背景开展研究,主要成果如下:澄清了启动流数值计算中常用的准稳态假设的影响,从理论上保证了启动流分析的严谨性。针对可压缩Herschel-Bulkley流体管道启动流,借助尺度分析法对动量方程进行分析,定义了一个与管段径长比、雷诺数和流动行为指数成正比,与流体压缩系数和Bingham数成反比的无因次数Ut。上述五个参数对准稳态假设适用性的影响均可通过Ut值唯一地体现出来,Ut值越小,准稳态假设对启动流计算结果的影响越小。在此基础上,提出以0.065作为Ut的临界值,Ut<0.065时,与未采用准稳态假设的计算结果相比,引入准稳态假设所得末端见流时间误差小于2%,末端流速恢复过程误差小于1%。结合含蜡原油的结构特性,对Dullaert-Mewis黏弹-触变模型进行了修正,更好地表征了胶凝含蜡原油结构裂降行为。基于修正后的Dullaert-Mewis黏弹-触变模型,建立了可压缩胶凝含蜡原油管道启动流计算模型并进行了数值求解。结果显示,相比于采用黏塑性触变模型的数值计算结果,考虑胶凝原油黏弹性后计算所得最小启动压力降低,相同启动压力下的末端平衡流速增大、末端见流时间缩短。塑性黏度增大、剪切稀释性增强、结构破坏速率减小及结构恢复速率增大均是再启动的不利因素,会导致最小启动压力升高,相同启动压力下的末端平衡流速减小、末端见流时间延长。此外,随着胶凝原油压缩性增强,最小启动压力降低,相同启动压力下管道末端平衡流速增大,但末端见流时间延长。深化了对胶凝含蜡原油结构不完全可逆性的认识。借助流变仪,考察了预剪切后等温和降温条件下含蜡原油结构特性的变化。结果显示,胶凝原油结构破坏后,无论是等温静置还是继续降温,所形成的结构均不能完全恢复到静冷条件下的强度。基于结构裂降特性实验数据的数值计算,建立了“活动管道”定量分析方法,结果显示“活动管道”能显著降低管道再启动所需最小启动压力,提高给定启动压力下的平衡流速,缩短给定启动压力下的末端见流时间。本研究为含蜡原油管道的安全运行提供了理论依据。
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