集输管道停输实验模拟及径向温度场测试装置

摘要

本发明涉及的是集输管道停输实验模拟及径向温度场测试装置，这种集输管道停输实验模拟及径向温度场测试装置包括架空管道径向温度场测试装置、埋地管道径向温度场测试装置、螺杆泵、储油罐、储水罐、油水分离器，架空管道径向温度场测试装置、埋地管道径向温度场测试装置并联成为测试段，储油罐的出口管线和储水罐的出口管线汇集后连接至测试段的始端，储油罐的出口管线和储水罐的出口管线分别安装出口阀，测试段的末端连接螺杆泵，螺杆泵连接油水分离器，油水分离器分别与储油罐和储水罐连接。本发明能够模拟埋地热油管道停输过程，实现原油不同停输工况下的管道停输温度场测试。

说明书

技术领域

本发明涉及油气集输过程中，热油管道停输工况的室内模拟及径向温度场测试装置，具体涉及集输管道停输实验模拟及径向温度场测试装置。

背景技术

我国油田所产原油主要为含蜡原油，其显著特点为凝点高、粘度大，因而管输含蜡原油一般采用加热输送工艺来达到降低粘度、减小摩阻的目的。随着输油管道服役时间的增加，因泄露、腐蚀、停电故障等原因需要停输维修的情况在所难免。管道停输后，受到周围环境影响，原油温度逐渐降低，并开始出现胶凝现象，导致其结构强度增大。当该强度超过泵所能提供的启动压力或管路所能承受的压力时，就可能发生凝管事故，造成巨大的经济损失。含蜡原油管道再启动压力过高，根本原因是停输后原油温降幅度过大，引起原油流动性（粘度、屈服压力、触变性）的严重恶化。因此，明确停输管道原油温降规律是输油管道安全启输的保障，也是当前停输管道技术指导方面急需解决的问题。

目前，该领域的研究主要集中于停输后原油温度变化规律的数值模拟，但由于原油成分的复杂特性，液固耦合问题的处理多采用简化模型，使得自然对流换热的处理尚不明了。如结合实验数据，深入剖析原油相变过程温度变化规律，明确自然对流换热变化过程的影响，可完善原油相变换热机理及内涵。至今，已有的相关实验数据均为架空停输管道内径向温度场的测试，其试验采用将停输管道置于恒温水浴，而水浴恒温是由泵将一定温度的水不断的注入水槽内。这样会产生水槽内水的对流运动，从传热学角度，管道外边界为第三类边界条件，因此无法保证管道外边界为第二类边界条件，既恒温的要求。

同时，尚未见到埋地停输管道内原油温度变化测试的相关实验装置及测试方法的报道，该项研究内容的空白成为制约原油相变规律研究的技术瓶颈，进一步限制了原油集输中的关键技术——停输再启动的发展。因此，实验模拟不同敷设方式下，原油停输温降规律具有重要的工程应用价值和研究意义。

发明内容

本发明的目的是提供集输管道停输实验模拟及径向温度场测试装置，它用于解决现有技术中停输管道置于水浴恒温中，无法保证管道外边界恒温的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种集输管道停输实验模拟及径向温度场测试装置包括架空管道径向温度场测试装置、埋地管道径向温度场测试装置、螺杆泵、储油罐、储水罐、油水分离器，储油罐自带加热器，储水罐也自带加热器，架空管道径向温度场测试装置、埋地管道径向温度场测试装置并联成为测试段，储油罐的出口管线和储水罐的出口管线汇集后连接至测试段的始端，储油罐的出口管线和储水罐的出口管线分别安装出口阀，测试段的末端连接螺杆泵，螺杆泵连接油水分离器，油水分离器分别与储油罐和储水罐连接，储油罐和储水罐分别设置入口阀；

架空管道径向温度场测试装置由架空实验管段置于第一恒温水浴箱内构成，第一制冷机组与第一恒温水浴箱连接，第一盐水槽与第一恒温水浴箱连接形成第一盐水循环回路；架空实验管段内设有Pt100铂电阻热电偶，该热电偶连接第一巡检仪，巡检仪连接计算机；

埋地管道径向温度场测试装置包括沙箱、埋地实验管段，埋地实验管段居中埋置于沙箱的土壤中，沙箱的上面设置第二恒温水浴箱，第二制冷机组与第二恒温水浴箱连接，第二盐水槽与第二恒温水浴箱连接形成第二盐水循环回路；沙箱的下面设置第三恒温水浴箱，第三制冷机组与第三恒温水浴箱连接，第二盐水槽与第三恒温水浴箱连接形成第三盐水循环回路；埋地实验管段及其周围的土壤内均设有Pt100铂电阻热电偶，这些热电偶连接第二巡检仪，第二巡检仪连接计算机。

上述方案中沙箱选择厚度为6mm的Q-235钢板为材料制备，沙箱的尺寸为1400mm×2000mm×2000mm；架空实验管段、埋地实验管段均可采用直径为Φ219或Φ114无缝钢管，考虑埋地管道热力影响范围，并结合相似理论，上述参数可实现最佳的测试效果。

上述方案中测试段中架空管道径向温度场测试装置的前后均设置有阀门，埋地管道径向温度场测试装置的前后也均设置有阀门，当停输时间过长导致凝管无法再启动时，可拆卸后换取实验管段，保证实验可持续性。

上述方案中制冷机组由压缩机、节流阀、蒸发器和冷凝器构成。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明能够模拟埋地热油管道停输过程，实现原油不同停输工况下的管道停输温度场测试；原理可靠，结构简单，能够较为真实的反应停输温降过程，模拟方法切实可行，试验结果适应性好。

2、本发明利用相变过程恒温原理，模拟大地土壤恒温层，克服了传统水浴温度分层不恒定及对流运动产生的换热问题等缺点。

3、制冷机组通过调整蒸发压力控制盐水水温，可以满足不同盐水温度需求；通过调整盐水浓度，降低其凝点，满足低温水的需求。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明中埋地管道停输及径向温度场测试实验装置示意图；

图3是本发明中架空管道停输及径向温度场测试实验装置示意图；

图4是本发明中管道内原油温度场热电偶布点示意图。

图中：1架空管道径向温度场测试装置；2埋地管道径向温度场测试装置；3螺杆泵；4储油罐；5储水罐；6油水分离器；7架空实验管段；8第一恒温水浴箱；9第一盐水槽；10热电偶；11第一巡检仪；12计算机；13沙箱；14埋地实验管段；15第二恒温水浴箱；16第二盐水槽；17第三恒温水浴箱；18第二巡检仪；19压缩机；20冷凝器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种集输管道停输实验模拟及径向温度场测试装置包括架空管道径向温度场测试装置1、埋地管道径向温度场测试装置2、螺杆泵3、储油罐4、储水罐5、油水分离器6，储油罐4自带加热器，储水罐5也自带加热器，可自动调节所需的出油及出水温度，到达预定的停输原油初始温度及清洗管路所需的热水温度。架空管道径向温度场测试装置1、埋地管道径向温度场测试装置2并联成为测试段，储油罐4的出口管线和储水罐5的出口管线汇集后连接至测试段的始端，储油罐4的出口管线安装出口阀V3，储水罐5的出口管线安装出口阀V4，测试段的末端连接螺杆泵3，螺杆泵3连接油水分离器6，油水分离器6分别与储油罐4和储水罐5连接，储油罐4的入口管线上安装入口阀V1，储水罐5的入口管线上安装入口阀V2。测试段中架空管道径向温度场测试装置1的前端阀门V5，后端阀门V7，埋地管道径向温度场测试装置2的的前端阀门V6，后端阀门V8。

架空管道径向温度场测试装置1由架空实验管段7置于第一恒温水浴箱8内构成，第一制冷机组与第一恒温水浴箱8连接，第一盐水槽9与第一恒温水浴箱8连接形成第一盐水循环回路，由制冷机组通过调节蒸发器压力控制，利用相变保证水浴温度恒定，利用盐水可以保证低温要求，用于模拟不同季节的大气温度；架空实验管段7内设有Pt100铂电阻热电偶10，该热电偶10连接第一巡检仪11，第一巡检仪连接计算机12，通过第一巡检仪11记录测试数据后传给计算机12。架空管道径向温度场测试装置1模拟不同工况下的架空管道的停输过程，可获得管道内径向温度变化数据。

埋地管道径向温度场测试装置2包括沙箱13、埋地实验管段14，埋地实验管段14埋置于沙箱13的土壤中，按照需模拟的埋深与土壤恒温层深度的比例调整沙箱13内管道埋深，具体依据实际测量情况，沙箱13的上面设置第二恒温水浴箱15，第二制冷机组与第二恒温水浴箱15连接，第二盐水槽16与第二恒温水浴箱15连接形成第二盐水循环回路，用于模拟恒定的大气温度；沙箱13的下面设置第三恒温水浴箱17，第三制冷机组与第三恒温水浴箱17连接，第二盐水槽16与第三恒温水浴箱17连接形成第三盐水循环回路，利用盐水可以保证低温要求，用于模拟不同季节的土壤恒温层；埋地实验管段14及其周围的土壤内均设有Pt100铂电阻热电偶10，这些热电偶10连接第二巡检仪18，第二巡检仪18连接计算机12，通过第二巡检仪18记录测试数据后传给计算机12。埋地管道径向温度场测试装置2模拟不同工况下的埋地管道的停输过程，可获得管道内径向温度变化数据。

本发明中沙箱13选择厚度为6mm的Q-235钢板为材料制备，沙箱13的尺寸为1400mm×2000mm×2000mm；埋地实验管段14采用直径为Φ219无缝钢管，架空实验管段7采用直径为Φ114无缝钢管。

本发明中制冷机组由压缩机19、节流阀、蒸发器和冷凝器20构成。

本发明进行埋地管道停输温度场测试时，按照图2示意图，首先根据所需的恒温水浴温度，配置一定浓度的盐水，将其泵入恒温水浴内。根据所模拟的大气温度场及土壤恒温层，调节制冷系统的蒸发压力，以达到预期的蒸发温度要求，满足水浴指定温度。然后，根据图1的流程图，对储油罐4内的油进行加热，达到预定温度后，开启螺杆泵3，同时打开阀门V1、V3、V6及V8（其他阀门关闭），运行平稳后关闭螺杆泵3及相关各阀门。开始停输温度场测试，通过巡检仪、计算机12，获得不同停输时间下的管道内部原油径向温度测试数据。

本发明进行架空管道停输温度场测试时，按照图3示意图，首先根据所需的恒温水浴温度，配置一定浓度的盐水，将其泵入恒温水浴内。根据所模拟的大气温度场，调节制冷系统的蒸发压力，以达到预期的蒸发温度要求，满足水浴指定温度。然后，根据图1的流程图，对储油罐4内的油进行加热，达到预定温度后，开启螺杆泵3，同时打开阀门V1、V3、V5及V7（其他阀门关闭），运行平稳后关闭螺杆3泵及相关各阀门。开始停输温度场测试，通过巡检仪、计算机12，获得不同停输时间下的管道内部原油径向温度测试数据。

实验结束后，管道内存在原油，需进行清管处理以便下次实验。首先利用图1中的加热储水罐5将水的温度升高，关闭阀门V4，开启其他所有阀门，然后通过泵导入环路，进行清洗，清洗后的油水混合物流回油水分离器6，经分离后分别进入储水罐5及储油罐4，以便再次实验。径向温度场测试装置中的，实验管段前后安装有阀门，当管道内原油堵塞严重时，可拆卸更换。其他环路中的管道，采用聚氨酯泡沫保温，以保证停输实验时，除测试管段外的其他管段内的原油缓慢降温，方便清洗。

考虑到管道停输后，内部原油的自然对流作用导致的温度场关于圆心不对称，采用如图4所示的热电偶10布置方式，能够较为准确的反应相变过程中温度场的变化数据。

原油相变的研究主要集中于停输后原油温度变化规律的数值模拟，但由于原油成分的复杂特性，液固耦合问题的处理多采用简化模型，使得自然对流换热的处理尚不明了。如结合实验数据，深入剖析原油相变过程温度变化规律，明确自然对流换热变化过程的影响，可完善原油相变换热机理及内涵。因此发明本实验装置，该装置可进行不同停输工况的模拟，获得管道内部原油温降变化数据，弥补该领域的缺失，为停输管道内原油传热数值模拟提供基础数据，完善原油相变传热机理，从而为再启动的安全进行提供热力。