埋地原油管道停輸溫降實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，在方形箱體中設有實驗管段，箱體中填充有沙土并覆蓋實驗管段；實驗管段的進油口連通導熱油加熱罐，出油口連通廢油回收罐；實驗管段一端由絕熱雙層真空玻璃制成的端蓋密封；實驗管段外壁包覆有電加熱膜，實驗管段內壁設有一第一溫度熱電偶，第一溫度熱電偶、電加熱膜與溫度控制系統連接；實驗管段內部設有多個第二溫度熱電偶；實驗管段外設有多個第三溫度熱電偶；第二、第三溫度熱電偶連接到多路數據采集器；本發(fā)明可模擬埋地熱油管道停輸過程，占用空間小，實驗初始條件和邊界條件易于控制，測溫全面準確，并且實現了埋地管道實驗的可視化，利于深入研究含蠟原油在停輸過程的傳熱機理。
【專利說明】埋地原油管道停輸溫降實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是關于一種溫降實驗裝置，尤其涉及一種原油輸送中埋地原油管道停輸溫降實驗裝置。
【背景技術】
[0002]我國所產原油多為含蠟易凝高粘原油，管道輸送這類原油時，一般采用加熱輸送技術。由于計劃檢修或者事故搶修等因素，不可避免地會遇到各種停輸問題。停輸后原油向環(huán)境散熱，油溫下降，粘度隨之增大。當油溫降到析蠟點以下，蠟晶就會不斷析出并膠聯成網絡結構給管道的再啟動帶來極大的困難，甚至造成凝管事故。
[0003]含蠟原油管道停輸過程中原油物性發(fā)生劇烈變化，原油由高溫段牛頓流體隨著溫降轉變?yōu)榈蜏囟畏桥ｎD流體直至膠凝固體。停輸傳熱過程是一個伴隨有相變化、自然對流及移動邊界的非穩(wěn)定傳熱問題，由于其復雜性，傳熱機理尚未得到完全揭示，目前尚不能準確預測管道停輸溫降及允許停輸時間。為了解決這一問題，其關鍵是要查明停輸過程中管內原油的傳熱機制。但是目前還沒有能夠深入研究這一機理的實驗裝置，因此要揭示含蠟原油停輸溫降規(guī)律十分困難。
[0004]目前，對于埋地原油管道停輸溫降的實驗研究主要包括現場實驗和環(huán)道實驗。我國東黃復線、東臨線、中洛線和彩石輸油管線都進行過現場試驗研究，這些研究雖然都詳細監(jiān)測了停輸過程中管道周圍土壤溫度場的變化，但對管內油溫的研究比較粗糙，僅在管內布置了少數幾個測溫熱電偶，對特定位置溫度的變化進行了監(jiān)測。雖然這些現場測試為管道安全生產提供了一些參考，但有很大的局限性，主要是無法測得管內油溫的分布，不能結合原油的流變性質開展管內原油傳熱機理研究。
[0005]進行埋地原油管道停輸溫降研究的另一方法是環(huán)道試驗。發(fā)明人所在課題組就曾計劃搭建環(huán)道對該問題進行研究，但因環(huán)道的長度必須足夠大使油流達到充分發(fā)展，而且拐角處的曲率也應達到一定大小。基于以上原因，環(huán)道的占地面積已遠遠超過實驗室的可用面積，而且尺寸越大實驗的邊界條件也越難控制，往往帶來實驗誤差。另外，環(huán)道結構復雜，需要泵、電機、緩沖罐等相關設備，實驗臺搭建運行費用較高，而且實驗步驟繁瑣，換土換油不便，實驗效率低。更重要的是，現有實驗裝置均由于其封閉性無法對管內原油的軸向截面進行觀察，而對于停輸溫降這樣一種伴隨有相變化、自然對流及移動邊界的非穩(wěn)定傳熱問題，跟蹤相界面的移動并了解蠟晶析出的結構和規(guī)律至關重要，如能實現停輸溫降實驗裝置的可視化將有利于深入揭示原油停輸過程中的傳熱機理。
[0006]由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關行業(yè)的經驗與實踐，提出一種埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，以克服現有技術的缺陷。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，實現實驗的可視化、方便觀察記錄原油的凝固結蠟情況，利于深入研究含蠟原油在停輸過程的傳熱機理。[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供一種埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，可獲得管內原油的截面溫度場和土壤溫度場，從而深入研究停輸過程中含蠟原油傳熱機理。
[0009]本發(fā)明的又一目的在于提供一種埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，實驗初始條件和邊界條件易于控制、實驗可重復性好。
[0010]本發(fā)明的再一目的在于提供一種埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，占地面積小、操作方便。
[0011]本發(fā)明的目的是這樣實現的，一種埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，所述停輸溫降實驗裝置包括一方形箱體，所述箱體中設有一兩端密封的實驗管段，實驗管段外的箱體中填充有沙土并覆蓋所述實驗管段；實驗管段的進油口連通導熱油加熱罐出油口，實驗管段的出油口連通廢油回收罐進油口 ；所述實驗管段至少一端由絕熱雙層真空玻璃制成的端蓋密封，箱體壁面與絕熱雙層真空玻璃端蓋對應位置處開有相應大小的圓孔；所述實驗管段外壁包覆有電加熱膜，實驗管段內壁固定有一第一溫度熱電偶，第一溫度熱電偶、電加熱膜與一個溫度控制系統連接；實驗管段內部設有管內熱電偶支架，其上固定設有多個第二溫度熱電偶；實驗管段外壁固定設有管外熱電偶支架，其上固定設有多個第三溫度熱電偶；第一溫度熱電偶、第二溫度熱電偶的連線通過實驗管段上的引線口引出，第二溫度熱電偶連接到一個多路數據采集器；第三溫度熱電偶的連線通過箱體上的小孔引出并連接到所述多路數據采集器；該多路數據采集器通過端口與PC機連接。
[0012]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述絕熱雙層真空玻璃端蓋包括三層玻璃，相鄰兩層玻璃之間設有間隙層，所述間隙層為真空層。
[0013]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述實驗管段的長度直徑比為3:1 ;所述實驗管段的外壁上焊接三個與之連通的90度彎管，兩個彎管在實驗管段上部，另一個彎管在實驗管段下部，分別作為進油口、引線口和出油口。
[0014]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，進油口彎管的管徑大于出油口彎管的管徑。
[0015]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述箱體上設有與所述彎管對應的圓孔；所述箱體的壁面包覆絕熱泡沫板。
[0016]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述管內熱電偶支架包括兩個固定設置于實驗管段內壁的環(huán)形體，所述兩個環(huán)形體通過多個沿圓周對稱分布的長條桿固定連接形成一整體結構，所述兩個環(huán)形體上分別設有徑向分布的細線，所述多個第二溫度熱電偶由所述細線纏繞并軸向固定在所述內熱電偶支架上。
[0017]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述管內熱電偶支架整體采用工程塑料制成。
[0018]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述管外熱電偶支架包括固定套在實驗管段外壁的金屬環(huán)，所述金屬環(huán)周向焊接有多個沿實驗管段徑向延伸的金屬片，每個金屬片上設有多個固定第三溫度熱電偶的小孔。
[0019]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，多個第三溫度熱電偶軸向設置在金屬片上。
[0020]由上所述，本發(fā)明的埋地含蠟原油管道停輸溫降實驗裝置可以模擬埋地熱油管道停輸過程，具有占用空間小，實驗初始條件和邊界條件易于控制，測溫全面準確，實驗效率高等優(yōu)點，并且實現了埋地管道實驗的可視化，可以觀察記錄原油的凝固結蠟情況，有利于深入研究含蠟原油在停輸過程的傳熱機理?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0021]以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中:
[0022]圖1:為本發(fā)明溫降實驗裝置的結構示意圖。
[0023]圖2:為本發(fā)明實驗管段及管外熱電偶支架結構示意圖。
[0024]圖3:為本發(fā)明管內熱電偶支架結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0026]如圖1所示的一種埋地原油管道停輸溫降實驗裝置100，包括一方形箱體1，箱體中設有一兩端密封的實驗管段2，實驗管段2的軸向與箱體I的兩個相對壁面垂直，實驗管段2外的箱體I中填充有沙土并覆蓋實驗管段2 ;實驗管段2的進油口 21連通導熱油加熱罐3出油口，實驗管段2的出油口 22連通廢油回收罐4進油口 ；實驗管段2至少一端由絕熱雙層真空玻璃制成的端蓋23密封，絕熱雙層真空玻璃包括三層玻璃，相鄰兩層玻璃之間設有真空間隙層，雙層真空玻璃表觀導熱系數為0.015ff/mK,能起到良好的絕熱作用，并為實驗的可視化創(chuàng)造了條件，能夠觀察管內原油凝固、蠟晶析出結構和規(guī)律以及相界面移動情況，有利于深入研究傳熱機理。箱體壁面與絕熱雙層真空玻璃端蓋23對應位置處開有相應大小的圓孔。實驗管段2外壁包覆有電加熱膜5，實驗管段內壁固定有一第一溫度熱電偶(圖中未示出)，第一溫度熱電偶、電加熱膜5與一個溫度控制系統7連接。實驗管段2內部設有管內熱電偶支架8 (如圖3所示)，其上固定設有多個第二溫度熱電偶83 ;實驗管段2外壁固定設有管外熱電偶支架9 (如圖2所示)，其上固定設有多個第三溫度熱電偶93。溫度控制系統7由溫度控制器和固態(tài)繼電器組成，第一溫度熱電偶的連線通過實驗管段2上的引線口 24引出并和溫度控制器連接，固態(tài)繼電器和電加熱膜連接，溫度控制系統通過PID控制電加熱膜的開閉以實現對實驗管段的恒溫控制。通過第二溫度熱電偶和第三溫度熱電偶獲得實驗管段中原油的截面溫度場和土壤的溫度場，第二溫度熱電偶的連線通過實驗管段2上的引線口 24引出并連接到一個多路數據采集器10 ;第三溫度熱電偶的連線通過箱體上的小孔引出并連接到所述多路數據采集器10 ;該多路數據采集器10通過端口與PC機11連接。PC機可以對采集的溫度數據進行處理分析。
[0027]由上所述，本發(fā)明的埋地含蠟原油管道停輸溫降實驗裝置可以模擬埋地熱油管道停輸過程，具有占用空間小，實驗初始條件和邊界條件易于控制，測溫全面準確，實驗效率高等優(yōu)點，并且實現了埋地管道實驗的可視化，可以觀察記錄原油的凝固結蠟情況，有利于深入研究含蠟原油在停輸過程的傳熱機理。本實驗裝置經數值模擬驗證，其測量準確，結構合理、便于操作，可以顯著提高實驗效率。
[0028]電加熱膜5主要有兩個作用:(I)在向實驗管段中注入原油的過程中，配合溫度控制系統對實驗管段的管壁進行恒溫控制，確保管壁與原油溫度一致，避免原油散熱；(2)試驗結束后為了放空管段，對原油進行加熱增加其流動性。
[0029]所述電加熱膜5采用Kapton撓性材質,結構輕薄(最厚僅0.25mm),可以根據工件的形狀任意彎曲，確保與工件接觸緊密，保證最大的熱能傳遞。中間為特殊合金箔制成的電阻性電路。它比絲狀電熱結構提供更均勻的熱場，更短的加熱時間和更快的響應時間，與絲狀電熱結構相比，功率負荷低，使用壽命更長。熱慣量小，溫度控制精度高，升溫速度快。能與石油及大多數化學品接觸，并可以方便地與溫度控制器或傳感器集成為一體。
[0030]進一步，實驗管段2的管徑可以根據實驗要求進行選擇，實驗管段的長度直徑比采用3:1，采用此比例時，兩端部散熱對中間截面溫度場的影響可以忽略不計，材質采用不銹鋼，實驗管段2的外壁上焊接三個與之連通的90度彎管，兩個彎管在實驗管段上部，另一個彎管在實驗管段下部，分別作為進油口 21、引線口 24和出油口 22?？紤]到向實驗管段2內注入原油的過程中原油會向外散發(fā)熱量，因此，采用進油口彎管的管徑大于出油口彎管的管徑，這樣可以盡可能縮短進油時間。箱體上設有與三個彎管對應的圓孔，三個彎管與圓孔配合，可以起到定位實驗管段2位置的作用。箱體的壁面可以包覆絕熱泡沫板構造絕熱邊界，也可以包覆電加熱膜，配合熱電偶，溫度控制器構造等溫邊界。
[0031]在本實施方式中，實驗管段2 —端由絕熱雙層真空玻璃制成的端蓋23密封，由此，實現了埋地管道實驗的可視化，可以觀察記錄原油的凝固結蠟情況，有利于深入研究含蠟原油在停輸過程的傳熱機理。進一步，在本發(fā)明中，也可以采用實驗管段2兩端都由絕熱雙層真空玻璃制成的端蓋23密封的方式。
[0032]進一步，如圖2所示，管外熱電偶支架9套在實驗管段2外部中間位置，包括固定套在實驗管段外壁的金屬環(huán)91，金屬環(huán)91周向焊接有多個沿實驗管段2徑向延伸的金屬片92(如圖2所示，所述金屬片92可以只設置在沿實驗管段2軸向對稱的一側；也可以圍繞實驗管段2整周設置)，每個金屬片上設有多個固定第三溫度熱電偶93的小孔。在本實施方式中，所述金屬環(huán)91由兩個半圓形金屬環(huán)通過螺絲連接并箍緊在實驗管段2外壁。第三溫度熱電偶93通過小孔用樹脂膠沿著實驗管段軸向固定在金屬片92上，第三熱電偶93與金屬片92之間用塑料套管絕緣。使第三熱電偶93頭部稍微露出金屬片，并用套管焊接密封?？拷芡獗谔師犭娕?3布置密集，隨著距離的增加，熱電偶93的間距逐漸加大。
[0033]進一步，如圖3所示，所述管內熱電偶支架8包括兩個固定設置于實驗管段2內壁的環(huán)形體81，所述兩個環(huán)形體81通過多個沿圓周對稱分布的長條桿82固定連接形成一整體結構，所述兩個環(huán)形體81上分別設有徑向分布的細線84，所述多個第二溫度熱電偶83由所述細線84纏繞并軸向固定在所述內熱電偶支架上管內熱電偶支架采用具有一定剛性的工程塑料制成，可以在體積較小的情況下滿足穩(wěn)定性要求。工程塑料導熱系數接近原油，盡量減少對原油傳熱傳質的影響。第二熱電偶在管內熱電偶支架上的布置方案是在數值模擬的基礎上確定的，用較少的熱電偶全面反映溫度場的特點，又減少了對流場的干擾。
[0034]進一步，導熱油加熱罐3用來加熱配置實驗溶液，并向實驗管段2提供液體。導熱油加熱罐功率6kw，罐體為圓柱形，最大容積100L，水罐壁厚3mm。將加熱罐底部設計成圓錐形，同時在其底部安裝Iin的球閥，便于排凈油罐內實驗后剩余的溶液。導熱油加熱罐3自動控制系統由XMT溫控儀、熱電偶、可控硅開關、端子排等組成，能夠實現PID自整定智能控制，對導熱油加熱罐出口溫度進行監(jiān)控，從而保證總出口溫度控制在工藝要求值。另外，導熱油加熱罐設有注藥口、攪拌器，可以向原油中添加降凝劑等藥劑，并用攪拌器使之混合均勻，以研究加劑改性原油的停輸傳熱機理。導熱油加熱罐一側安裝有刻度式液位計，以方便實驗者觀察導熱油加熱罐內的液位；導熱油加熱罐的出油口與實驗管段進油口中間設有球閥31 ;廢油回收罐4進油口與實驗管段出油口之間設有球閥41。采用導熱油加熱罐3來加熱配置實驗溶液，可以將加熱至實驗要求的溶液直接輸入實驗管段2中，從而可以縮短實驗時間。
[0035]在本實施方式中，所述熱電偶采用SRK-WRNK-001熱電偶，用鐵氟龍護套進行保護，測量溫度范圍0-200°C。結構細小，最大直徑只有1.2mm，對原油流場影響較小。
[0036]所述多路數據采集器采用Keithley2700以及7708采集模塊，有多達200個用于測量與控制的差分輸入通道，集成了數字多用表、開關系統和數據記錄儀的多種功能，真六位半(22比特)精度，插入式的模塊具有靈活方便的特點，高達500通道/秒的掃描速率(單通道可達3500次讀數/秒)大大提高了測試產能。
[0037]本發(fā)明埋地原油管道停輸溫降實驗裝置具有如下優(yōu)點:
[0038]I)實驗管段采用電加熱膜進行控溫，采用的電加熱膜和溫度控制器功能強大，技術先進，占用體積小，能耗低，控溫精度達到了 0.05°C，加熱穩(wěn)定性、均勻性良好。
[0039]2)采用導熱油加熱罐為原油進行加熱，功率大、效率高，提高了實驗效率，控溫精度達到了 0.05°C。加熱方式為通過夾套中的導熱油間接加熱，有效防止干燒，具備超溫報警功能，提高了實驗的安全性。
[0040]3)采用的多路數據采集器具有真六位半精度，單通道可達3500次讀數/秒，內置自動冷端補償，測溫方便準確，大大提高了測試產能。
[0041]4)實驗管段兩端采用雙層真空絕熱玻璃端蓋密封，表觀導熱系數為0.015ff/mK,絕熱效果良好，密封承壓滿足實驗要求，并可實現實驗的可視化，為深入揭示管內原油復雜自然對流的傳熱機理提供可能。
[0042]5)實驗管段、沙箱的尺寸都是經過數值模擬優(yōu)化的，既能較為真實的反應埋地管道的真實情況滿足實驗要求，又方便操作，不至于占用過多空間。
[0043]采用本發(fā)明停輸溫降實驗裝置的實驗步驟如下:
[0044]I)檢查設備:
[0045]檢查試驗裝置是否處于正常工作狀態(tài)，包括:多路數據采集器是否工作正常，熱電偶采集數據是否穩(wěn)定、準確，溫度控制器是否正常工作，電加熱設備接線是否正確、是否正常工作，閥門是否按要求開關。
[0046]2)預處理試驗介質:
[0047]將實驗所需的油或水按照預定體積準備好，從導熱油加熱罐的進液口注入。如需藥劑在填料口加入，并開啟攪拌器進行攪拌使之混合均勻。然后設定導熱油加熱罐的PID溫度控制器，將原油加熱至預定溫度。
[0048]3)恒溫注入實驗管段:
[0049]打開球閥，將導熱油加熱罐中加熱好的原油注入到實驗管段中，此時由電加熱膜、管壁處熱電偶、溫度控制器和固態(tài)繼電器組成的溫控系統控制管壁恒溫，以防止原油向外散熱。
[0050]4)溫度數據采集:
[0051]實驗管段中充滿原油后，開始靜置溫降過程，熱電偶測試管內原油溫度場數據，多路數據采集器采集并記錄。
[0052]5)記錄相界面:
[0053]隨著原油溫度的降低，原油開始凝固，液固相界面位置逐漸發(fā)生變化，此時通過實驗管段一端的絕熱玻璃觀察或用相機拍攝記錄凝油界面。
[0054]6)輸出數據:
[0055]溫度場數據通過數據采集系統處理輸出，供用戶分析研究溫降規(guī)律。
[0056]7)重復以上實驗步驟，進行不同工況下的含蠟原油停輸溫降實驗研究。
[0057]綜上所述，本發(fā)明的埋地含蠟原油管道停輸溫降實驗裝置可以模擬埋地熱油管道停輸過程，具有占用空間小，實驗初始條件和邊界條件易于控制，測溫全面準確，實驗效率高等優(yōu)點，并且實現了埋地管道實驗的可視化，可以觀察記錄原油的凝固結蠟情況，有利于深入研究含蠟原油在停輸過程的傳熱機理。
[0058]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬于本發(fā)明保護的范圍。
【權利要求】
1.一種埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，所述停輸溫降實驗裝置包括一方形箱體，其特征在于:所述箱體中設有一兩端密封的實驗管段，實驗管段外的箱體中填充有沙土并覆蓋所述實驗管段；實驗管段的進油口連通導熱油加熱罐出油口，實驗管段的出油口連通廢油回收罐進油口 ；所述實驗管段至少一端由絕熱雙層真空玻璃制成的端蓋密封，箱體壁面與絕熱雙層真空玻璃端蓋對應位置處開有相應大小的圓孔；所述實驗管段外壁包覆有電加熱膜，實驗管段內壁固定有一第一溫度熱電偶，第一溫度熱電偶、電加熱膜與一個溫度控制系統連接；實驗管段內部設有管內熱電偶支架，其上固定設有多個第二溫度熱電偶?’實驗管段外壁固定設有管外熱電偶支架，其上固定設有多個第三溫度熱電偶；第一溫度熱電偶、第二溫度熱電偶的連線通過實驗管段上的引線口引出，第二溫度熱電偶連接到一個多路數據采集器；第三溫度熱電偶的連線通過箱體上的小孔引出并連接到所述多路數據采集器；該多路數據采集器通過端口與PC機連接。
2.如權利要求1所述的埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，其特征在于:所述絕熱雙層真空玻璃端蓋包括三層玻璃，相鄰兩層玻璃之間設有間隙層，所述間隙層為真空層。
3.如權利要求1所述的埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，其特征在于:所述實驗管段的長度直徑比為3:1 ;所述實驗管段的外壁上焊接三個與之連通的90度彎管，兩個彎管在實驗管段上部，另一個彎管在實驗管段下部，分別作為進油口、引線口和出油口。
4.如權利要求3所述的埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，其特征在于:進油口彎管的管徑大于出油口彎管的管徑。
5.如權利要求3或4所述的埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，其特征在于:所述箱體上設有與所述彎管對應的圓孔；所述箱體的壁面包覆絕熱泡沫板。
6.如權利要求1所述的埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，其特征在于:所述管內熱電偶支架包括兩個固定設置于實驗管段內壁的環(huán)形體，所述兩個環(huán)形體通過多個沿圓周對稱分布的長條桿固定連接形成一整體結構，所述兩個環(huán)形體上分別設有徑向分布的細線，所述多個第二溫度熱電偶由所述細線纏繞并軸向固定在所述內熱電偶支架上。
7.如權利要求6所述的埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，其特征在于:所述管內熱電偶支架整體采用工程塑料制成。
8.如權利要求1所述的埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，其特征在于:所述管外熱電偶支架包括固定套在實驗管段外壁的金屬環(huán)，所述金屬環(huán)周向焊接有多個沿實驗管段徑向延伸的金屬片， 每個金屬片上設有多個固定第三溫度熱電偶的小孔。
9.如權利要求8所述的埋地原油管道停輸溫降實驗裝置，其特征在于:多個第三溫度熱電偶軸向設置在金屬片上。
【文檔編號】F17D5/00GK103968254SQ201410177665
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權日:2014年4月29日
【發(fā)明者】宇波, 劉人瑋, 邱峰 申請人:中國石油大學(北京)