我國所產原油8%以上為含蠟原油。含蠟原油輸送常采用加熱輸送工藝。熱輸管道流動安全性受到很多因素的影響，其中，輸油溫度對含蠟原油管道輸送的安全性和經(jīng)濟性具有直接影響。對長距離加熱輸送管道，即使少量降低進站溫度，也可以顯著降低管道燃油消耗。然而，輸油溫度的降低從本質上降低了管道運行的安全余量[1]。因此，開展含蠟原油管道流動安全評價方法研究，對輸油企業(yè)評價管道流動安全狀況、制定管道輸送方案、采取安全措施和實現(xiàn)含蠟原油安全經(jīng)濟輸送具有重要意義。

??????? 二、含蠟原油管道流動安全評價研究現(xiàn)狀與分析

凝管是威脅含蠟原油管道流動安全的致命問題。凝管形成的原因有兩種，一種是停輸管道再啟動失敗，導致凝管;另一種是管道運行進入不穩(wěn)定工作區(qū)，處理不當或未進行處理，發(fā)生初凝直至凝管。因此，管道停輸再啟動安全性研究和管道不穩(wěn)定工作區(qū)問題研究是含蠟原油管道流動安全研究的主要內容。

1、管道停輸再啟動的安全性

管道停輸再啟動的安全性不僅取決于管道再啟動壓力是否超過管道最大允許操作壓力，還取決于停輸再啟動后流量能否在有限時間內恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。管道在短時間內最大允許操作壓力相對穩(wěn)定，管道停輸再啟動的安全性主要取決于再啟動的壓力;在較長時期內，管道腐蝕將會降低管道最大允許操作壓力，因此，管道的腐蝕狀況也將影響管道停輸再啟動的安全。對于停輸再啟動問題，國內外學者的研究主要集中在管道停輸溫降計算和等溫或絕熱管道再啟動過程的水力計算。管道停輸時的初始條件、管內原油物性、管道環(huán)境條件、管徑及保溫情況等因素都會影響整個溫降過程。如何處理和計算管道在土壤中的散熱，以及管內原油的溫降過程是管道停輸問題的技術關鍵。關于停輸溫降，阿卡帕金[2]、李長俊[3]、吳明[4，5]推導出了埋地管道停輸溫降的解析解，但在推導過程中，對管內原油物性及周圍環(huán)境條件作了較多的簡化。用數(shù)值求解時，國內外學者都將原油停輸溫降過程看作是一個非穩(wěn)態(tài)導熱問題，所建立的數(shù)學模型基本類似[6-9]，在對求解區(qū)域簡化基礎上，采用有限元或有限差分對停輸溫降進行數(shù)值計算。

對于再啟動過程水力計算問題，國內外學者也進行了深入的研究。Setea等人[10]提出了一個膠凝原油管道啟動壓力和清管時間的簡單計算方法。Cawkwell等人[11]對原油結構參數(shù)又做了二維劃分，認為結構參數(shù)與徑向位置和啟動時間有關，通過求解基本方程來描述啟動過程，在理論上有一定新意。Cheng等人[12]根據(jù)流動形態(tài)的不同，將管流的橫截面劃分為流動區(qū)、蠕變區(qū)、彈性變形區(qū)，據(jù)此求解啟動過程的流量和壓力，但未考慮原油的可壓縮性。Davidson等人[13]在采用Chang模型基礎上，考慮了原油的可壓縮性，但在壓力波速處理時采用聲速近似。國外學者在進行停輸再啟動水力研究時，都針對首站恒壓的水平管道，并且管道沿線溫度按等溫或絕熱處理。劉天佑[14]對啟動壓力進行了理論分析，但對壓力波速計算和含蠟原油觸變性等的處理較粗糙。李才[15]將啟動過程中的膠凝原油分為初始屈服段、殘余屈服段和屈服裂降段，分別進行計算，但其根據(jù)小型環(huán)道試驗數(shù)據(jù)回歸的壓力波速計算公式運用到實際管道上恐有不妥。

2、管道不穩(wěn)定工作區(qū)問題

熱油管道在不穩(wěn)定工作區(qū)運行，既不經(jīng)濟，也不安全[16]。管道能否避開非穩(wěn)定工作區(qū)，主要取決于管道運行輸量和管路特性臨界輸量之間的關系。對于具體管道，管路特性臨界輸量并不是一個固定的數(shù)，而是隨管道工作狀態(tài)、原油流變性、地溫和土壤熱物性等的變化而變化。關于管道運行不穩(wěn)定工作區(qū)問題，國內學者進行了很多研究。張帆[17]、萬新強[18]、張秀杰[19]研究了保證低輸量管道運行避開不穩(wěn)定工作區(qū)的措施和方法，主要是通過加劑等方式改善原油的流變性，降低凝點。趙明華[20]首次根據(jù)可靠性理論對低輸量形成的凝管風險進行了研究，但其建立的失效函數(shù)z=G一[G](G為管道運行輸量，[G]為規(guī)范[21]規(guī)定的最低輸量)，以《原油管道運行技術規(guī)范》規(guī)定的最低輸量為研究基準不盡合理，而應以管路特性臨界輸量為研究基準。

3、流動安全評價研究新進展

雖然國內外學者對影響含蠟原油管道流動安全的各種問題都進行了研究，但研究不夠系統(tǒng)。2005年，含蠟原油管道流動安全評價研究取得了新進展。許康[22]從導致熱輸含蠟原油流動障礙的原因人手，針對影響流動安全的因素具有隨機性的特點，利用Monte-Carlo法對原油粘度、土壤物性、管道埋深和埋深處自然地溫等四個影響因素的不確定性進行了模擬，提出了判別運行是否處于管路特性穩(wěn)定工作區(qū)的“管道穩(wěn)定運行安全指數(shù)”和判斷停輸再啟動安全性的“停輸再啟動安全指數(shù)”的概念，并根據(jù)管路特性臨界輸量和凝管概率提出了這兩個指數(shù)的等級劃分方法。綜合這兩個安全指數(shù)，得到了定量描述管道流動安全狀態(tài)的“管道流動安全指數(shù)”。該方法綜合考慮了原油物性、管道和環(huán)境條件以及這些參數(shù)的不確定性對輸油管道流動安全性的影響，減小了僅以凝點作為輸油溫度確定的主要依據(jù)所存在的不確定性和風險，系加熱輸送含蠟原油管道流動安全性評價理論和方法方面的探索與創(chuàng)新，但其安全指數(shù)指標等級劃分缺乏依據(jù)，計算停輸再啟動安全指數(shù)時未考慮原油觸變性的影響等問題。

綜上所述，由于管道停輸再啟動壓力和管路特性臨界輸量與管輸原油的流變性、管徑、地溫、土壤熱物性、管道工作狀態(tài)和泵配置等因素有關，因此，含蠟原油管道流動安全狀況也與這些因素有關，其中許多因素都具有不確定性。在以往的研究中，這些具有不確定性的量都是作為確定的量來處理的，顯而易見，這種確定性的處理方法存在缺陷。為了更加真實的反映含蠟原油管道流動安全狀況，采用不確定性分析方法進行含蠟原油管道流動安全評價研究是必然的趨勢。