长方体胶凝原油在热水中的融化实验

刘晓燕 崔晓琳 王露 等

摘 要： 研究胶凝原油融化特性对原油集输及停输再启动等过程具有重要的意义。对初始温度为10 ℃，尺寸为30 mm ×30 mm×10 mm原油试件在52.5、60、72.5 ℃三种不同水温中进行融化实验，并用红外热像仪记录原油融化过程随时间的变化情况，分析水温对融化时间、原油表面中心点温度以及原油形状的影响。实验结果表明，胶凝原油上表面中心点温度随时间先缓慢升高，后迅速增加，最后变缓并逐渐趋于水温；实验条件下原油融化时间分别为690、300 和220 s；融化过程中原油上表面形状从方形逐渐变为圆形。

关 键 词：胶凝原油；长方体；融化实验；红外热像仪；温度

中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）03-0532-03

Abstract： The investigation of melting characteristics of the gelled crude oil is of great importance for both gathering and transferring process and shutdown and restarting process. The initial temperature of crude oil is 10 ℃ and the size is 30 mm×30 mm×10 mm. There are three groups of experiments with temperatures of water are 52.5， 60 and 72.5 ℃， respectively. The thermal infrared imager is used to record the changes of oil melting process with time. The purpose of this paper is to analyze the influence of water temperature on total melting time， the center temperature on the surface of gelled crude oil， and the shape of crude oil. The results show that the center temperature on the surface of gelled crude oil raises slowly first and then increases rapidly， and finally tends to the water temperature. The melting time of crude oil under this condition is 690， 300 and 220 s， respectively. The surface shape of crude oil changes from square to circle in melting process.

Key words： Gelled crude oil； Cuboid； Melting experiment； Thermal infrared imager； Temperature

当油温低于含蜡原油的析蜡点后，蜡晶析出，在一定的蜡晶析出浓度下，蜡晶之间彼此交联形成网格结构。随着油温继续降低，胶凝结构的强度不断增大，从而使原油整体上失去流动性。强度过大的胶凝结构很可能导致凝管事故的发生，影响管道的安全运行。为了保证原油正常集输，早期油田普遍采用掺热水或伴热保温输送的集输工艺。然而，课题组的现场试验发现，当原油产出液温度远低于原油凝点时，即使掺入高温水仍不能很快融化，存在凝油严重堵塞集输管道的现象，造成集输困难。为保证油田安全生产，对胶凝原油融化过程进行研究具有重要的应用价值。

关于融化问题，目前的研究主要体现在冰雪融化、金属融化、蓄能复合相变材料、石蜡及各种油产品等领域。在实验研究方面，Wu等[1]制备了一种新的熔盐作为抛物型太阳能集热器的传热介质，通过实验获得了太阳集热器的热损失。杲东彦等[2]设计了开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验，对纯石蜡与石蜡/泡沫铝复合材料融化界面与温度分布情况进行对比分析，证实后者具有更好的热响应性能。于航[3]，章学来等[4]均设计实验并研究了以金属为骨架，石蜡为相变材料的相变传热过程。Liang等[5]进行了换热器翅片管上的霜融化成水的可视化实验。蒋兴良等[6]针对目前研究很难模拟覆冰导线真实的融冰和脱冰环境的情况，在自然覆冰实验站开展了直流融冰试验。汤文斌[7]自行搭建实验台进行了接触线覆冰融冰实验研究，并根据实验结果对相关影响因素如温度、液态水含量、风速对覆冰情况的影响进行了讨论。朱煜[8]进行了内融冰和外融冰实验，分别讨论了静态外融冰、鼓气扰动外融冰中初始蓄冰量及取冷模式的不同对外融冰的影响。此外，还有一些学者同时进行了融化的实验与模拟研究。叶宏等[9]采用等效容法和焓法分别对定形相变材料熔解过程进行模拟分析。郝红升等[10]设计室内水体结冰试验，通过实验得到冰盖厚度、水温和冰内温度随时间的变化过程，并与模拟结果对比。

综上可以看出，对胶凝原油融化过程的研究目前少有报道。与上述文献中提到的相变材料不同的是，胶凝原油组分多，融化过程更为复杂，采用数值模拟方法存在一定困难。因此，本文根据实际工程背景，设计胶凝原油在不同温度条件下的融化实验，用红外热像仪记录原油上表面融化过程随时间的变化情况，分析水温对融化时间、原油表面中心点温度以及原油形状变化的影响。

1 实验部分

1.1 实验本体及测试

如图1所示，实验所用容器为圆筒型，其直径为110 mm，高为120 mm，圆筒的侧面及底面均覆有保温材料，可视为绝热。实验时圆筒内装满热水，圆筒上表面暴露在室内空气中。

实验所用原油油样尺寸为30 mm×30 mm×10 mm（长×宽×高）。原油凝点为38 ℃。

其他实验测试仪器还包括温度计，量程为50～100 ℃，精度为0.1 ℃；Fluke红外热像仪，型号为Ti 27，温度测量范围-10～250 ℃，精度为±2 ℃。

1.2 实验初始条件及边界条件

初始条件：热水初始温度分别为52.5、60、72.5 ℃；原油凝点38 ℃，胶凝原油实验初始温度为10 ℃，过冷度为28 ℃；室内温度为21.5 ℃。

边界条件：对于圆筒，其底面及侧面覆有保温材料，因此均视为绝热。对于原油，由于其密度比水小，因此部分原油暴露在空气中，与室内环境之间存在自然对流换热和辐射换热；浸没在水中的原油与水之间为自然对流换热。热水上表面与室内环境之间为自然对流换热和辐射换热。

1.3 实验方法

实验之前，将原油做成尺寸为30 mm×30 mm×10 mm的长方体油样，置于温度为10 ℃的恒温箱中恒温，使其达到稳定的状态。进行52.5、60、72.5 ℃等三种不同水温的原油融化实验。实验时，记录室内环境温度，将初始温度为10 ℃的油样放入盛有热水的圆筒中并开始计时，在放置油样时尽量轻而迅速，不至于使原油产生较大的初始速度，并尽量使原油处于容器中央。用红外热像仪对实验装置上表面的原油融化过程温度场及形状变化情况进行记录，每次记录时间间隔不超过20 s。

2 实验结果分析

原油输送规范中规定[11]，其安全输送温度宜高于原油凝点3 ℃。由于原油上表面中心点的温度最低，因此若该点温度达到胶凝原油凝点以上3 ℃，即当油温达到41 ℃时认为原油已经融化。

2.1 原油上表面中心点温度变化规律

通过热像仪获得胶凝原油融化过程中不同时刻整个上表面温度的热像图。图2示出了在52.5 ℃水温下，240 s时的原油融化热像图。原油上表面中心点的温度随时间的变化如图3所示。

由图3可见，原油融化过程主要包括三个阶段，图中给出了每条曲线上三个阶段的温度分界点。第一阶段原油上表面中心点温度变化较缓慢，主要是原油有一定厚度，非稳态导热还处于初始阶段，对上表面影响较小。第二阶段是原油上表面中心点温度迅速升高，并且水温越高，温度变化速率越大，这主要是因为随着非稳态融化过程的推进，原油厚度变薄，未融化的原油与热水之间温差还较大，对流换热量较大，并传递到原油上表面。第三阶段，此时原油已经完全融化，原油与热水之间温差逐渐减少，原油中心点温度升高缓慢，最终趋于水温。

2.2 不同水温下融化时间比较

52.5、60、72.5 ℃三种不同水温融化时间分别为690、300和220 s。随水温升高融化时间变短，这是因为原油与水之间温差越大，对流换热量就越大，因此融化时间越短。

2.3 不同水温下原油形状变化

实验过程中发现，三种水温条件下，胶凝原油在融化过程中其上表面形状均会在较短时间内从最初的正方形变为圆形。从传热学的角度来讲，相同时间内边缘上的分子吸收的热量为表面分子的二倍，因此边缘处融化速率较快，致使棱角趋于圆滑（图4）[12]。

将融化过程中原油的形状视为圆形，并以原油的直径为纵坐标，得到原油直径随时间的变化规律，见图4。融化后原油的最大直径分别为9.43、9.71和11 cm。

3 结 论

（1）实验条件下原油融化所需时间分别为690、300s和220 s。

（2）从原油上表面中心点的温度变化可看出，其融化过程可分成三个阶段，温度随时间先缓慢升高后迅速增加最后变缓并逐渐趋于水温。

（3）融化过程中原油上表面形状从方形逐渐趋于圆形。

参考文献：

[1] Wu Yuting，Liu Shanwei，Xiong Yaxuan，et al. Experimental study on the heat transfer characteristics of a low melting point salt in a parabolic trough solar collector system[J]. Applied Thermal Engineering，2015 （89）： 748-754.

[2]杲东彦，陈振乾.开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验研究[J].化工学报，2014，65（S1）：95-100.

[3]于航.泡沫铜/石蜡复合相变材料融化过程的换热特性[J].土木建筑与环境工程，2011，33（2）：112-116.

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[11]SY/T 5536-2004，原油管道运行规程[S].

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