趙軍友,徐依吉,袁寶民,孫培先,余炎群,宋 鵬

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)a.機(jī)電工程學(xué)院;b.石油工程學(xué)院,山東東營(yíng)257061)

隔熱管清洗技術(shù)研究

趙軍友a(bǔ),徐依吉b,袁寶民a,孫培先a,余炎群a,宋 鵬b

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)a.機(jī)電工程學(xué)院;b.石油工程學(xué)院,山東東營(yíng)257061)

隔熱管清洗一直是一個(gè)難題,為探索理想的清洗方法,進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論計(jì)算,提出隔熱管清洗的新技術(shù)。該技術(shù)使用高溫蒸汽作清洗介質(zhì),將隔熱管送入封閉的保溫房?jī)?nèi)滾動(dòng),通過控制管子滾動(dòng)的速度與步長(zhǎng),確保清洗效果好,運(yùn)行安全可靠。

隔熱管;稠油流動(dòng)性;飽和干蒸汽;蒸汽噴嘴;清洗裝置

在熱采稠油技術(shù)中,需要用隔熱管向稠油層注入300℃以上高溫高壓的過熱蒸汽[1-2]。隔熱管使用一段時(shí)間后,需要從油井中取出來,進(jìn)行清洗和維修,清洗得干凈與否,直接影響到維修的質(zhì)量和熱采的效率。

目前隔熱管的清洗方法[3-4]有2種:

a) 高壓沖洗 將隔熱管擺放好,用30～35 MPa的高壓水沖洗。該方法無法保證將隔熱管沖洗干凈,尤其是管子內(nèi)表面,冬天的清洗效果更差。沖洗時(shí)飛濺的污水滿地流淌,污染環(huán)境,而且浪費(fèi)水資源。

b) 熱水煮泡 將隔熱管放入熱水池中,煮泡一段時(shí)間后撈出。缺點(diǎn)是:清洗幾批隔熱管后,池內(nèi)的水變得很臟,如不及時(shí)換水就無法清洗干凈;池底部堆滿了污泥、雜草,很難清理,致使隔熱管經(jīng)常打撈不上來;冬天水池中的水熱量散發(fā)很快,浪費(fèi)大量的熱能資源。

油管的清洗方法有中頻加熱法[5]、鈦波熱法等,因?yàn)殡p層隔熱管的特殊隔熱功能,這些方法都無法將熱量傳遞到管子內(nèi)壁,因而也就無法將管子內(nèi)壁清洗干凈,所以不適合加熱清洗隔熱管。

為了將隔熱管清洗干凈,課題組進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論計(jì)算,提出了高效可靠的清洗方法,并完成了清洗裝置的設(shè)計(jì)。

1 隔熱管清洗介質(zhì)選擇

隔熱管內(nèi)外表面的污物主要是稠油,要想將稠油清洗干凈,最有效的辦法就是加熱,而常用的加熱介質(zhì)有水、空氣和蒸汽。熱水的溫度低于100℃,試驗(yàn)表明,在此溫度下隔熱管表面的稠油流動(dòng)很慢,而且還要浪費(fèi)大量的清水;利用200～300℃高溫空氣將稠油加熱并使其流動(dòng)沒有問題,高溫蒸汽遇冷凝結(jié)成水后對(duì)管子有沖洗作用,而空氣沒有這種性能,而且稠油在高溫?zé)峥諝庵杏幸欢ǖ膿]發(fā)性,有易燃易爆的危險(xiǎn)。所以,確定選用水蒸汽作清洗隔熱管的介質(zhì)。

2 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證用蒸汽清洗隔熱管的效果,項(xiàng)目組在濱南采油廠聯(lián)系了1臺(tái)蒸汽鍋爐,蒸汽壓力0.62 MPa,出口溫度160℃,試驗(yàn)在冬季露天的條件下進(jìn)行(室外溫度-6℃),試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1。首先挑選10根內(nèi)壁粘附稠油較厚的隔熱管,擺放在露天管架上,用蒸汽管線在一端對(duì)準(zhǔn)管口噴洗,并記錄蒸汽噴洗時(shí)間。

圖1 蒸汽清洗試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)表明:蒸汽加熱3～5 min后稠油開始流淌,10～12 min左右清洗干凈,用高溫蒸汽作隔熱管清洗的介質(zhì)是可行的。

3 隔熱管清洗方法

首先挑選隔熱管,將不合格管件(嚴(yán)重彎曲、外觀損傷、接箍排放方向錯(cuò)誤等)挑選出來,將合格品經(jīng)傳送線送至蒸汽保溫房(如圖2)。隔熱管被送進(jìn)房后,沿著滾動(dòng)支架向下滾動(dòng),滾動(dòng)步長(zhǎng)受制于鏈條傳動(dòng)的步長(zhǎng),以保證隔熱管與固定的蒸汽噴嘴對(duì)準(zhǔn),從而提高噴洗的效率。管子內(nèi)壁由蒸汽噴嘴噴洗,外壁由室內(nèi)高溫蒸汽蒸洗,而且在送出保溫房時(shí)還要被專用旋轉(zhuǎn)鋼絲刷刷洗。由于稠油的流動(dòng)速度較慢,為了確保稠油能夠流淌干凈,隔熱管在保溫房?jī)?nèi)滾動(dòng)的時(shí)間設(shè)計(jì)為50 min。

圖2 蒸汽保溫房

上述蒸汽只能將管子內(nèi)、外壁上的污油清洗干凈,對(duì)于內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重的隔熱管,在保溫房?jī)?nèi)蒸洗后,還要經(jīng)過高壓水射流(100 MPa)沖洗。

按用戶要求,設(shè)計(jì)的裝置清洗速度為30根/h,即每班清洗200根左右。

4 蒸汽鍋爐與噴嘴參數(shù)的確定

鍋爐和噴嘴相關(guān)參數(shù)的確定十分重要,即蒸汽量的大小、壓力和溫度的高低,對(duì)隔熱管清洗干凈與否非常關(guān)鍵,這些參數(shù)的選定需要以試驗(yàn)和理論計(jì)算為依據(jù)。

4.1 鍋爐相關(guān)參數(shù)的確定

4.1.1 根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算所需蒸汽量

根據(jù)公式[6]

式中,Cf2為噴嘴出口速度;k為常數(shù),對(duì)于飽和干蒸汽k=1.135;p0為噴嘴入口壓力,為0162 MPa;v0為入口比體積,v0=1/ρ,溫度160℃時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和干蒸汽密度ρ=3.26 kg/m3;p2為出口壓力,約為0.1 MPa。

代入式(1)得:Cf2=789.7 m/s。

試驗(yàn)時(shí)所用的蒸汽噴嘴直徑為?12 mm,截面積A=1.13×10-4m2,則蒸汽流量為

按12 min清洗1根管子計(jì)算,所需蒸汽量為64.25 m3;清洗30根(業(yè)主要求)所需蒸汽量體積為1 927 m3;常壓 100 ℃下蒸汽密度為ρ= 0.588 3 kg/m3,即將30根管子清洗干凈所需蒸汽質(zhì)量(0.62 MPa,160℃)為1 134 kg。

由于試驗(yàn)是在露天的條件下進(jìn)行的,大量的蒸汽都散發(fā)到空氣中,因而效率較低,所需要的蒸汽量較大。另外,如果提高蒸汽的溫度和壓力,清洗的效果和速度必定提高,所需的蒸汽量一定會(huì)減少。

4.1.2 根據(jù)熱平衡原理計(jì)算所需蒸汽量

根據(jù)熱平衡原理,正常工作時(shí),將隔熱管加熱所需要的熱量應(yīng)該等于蒸汽降溫所釋放的熱量減去散失的熱量。吸熱體有2部分,即管子表面的稠油和鋼管。

隔熱管清洗是在保溫房?jī)?nèi)進(jìn)行,假設(shè)冬季氣溫為零下10℃,夏季氣溫為30℃,蒸汽溫度為180℃(蒸汽流經(jīng)管線一段時(shí)間后有所降溫),將稠油和鋼管加熱至120℃。

根據(jù)公式[6]

式中,c為比熱容 ;m為質(zhì)量;△t為溫度差。

將對(duì)應(yīng)數(shù)值代入式(2),計(jì)算出冬季和夏季清洗隔熱管所需的蒸汽量(如表1)。

表1 冬夏兩季清洗隔熱管所需蒸汽量

在保溫房?jī)?nèi)加熱隔熱管及其表面的稠油時(shí),稠油加熱到120℃就會(huì)自動(dòng)流淌,而此時(shí)的鋼管還達(dá)不到120℃,所以加熱清洗30根管子所需的蒸汽量實(shí)際上要低于表中數(shù)值。

根據(jù)試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果,選擇的鍋爐參數(shù)為:蒸汽量1.5 t/h,額定壓力1.25 MPa,額定溫度194℃。

4.2 噴嘴相關(guān)參數(shù)的確定

噴嘴直徑大小是設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),它直接影響隔熱管的清洗效果,鍋爐參數(shù)一定時(shí),噴嘴過大則浪費(fèi)能源,噴嘴太小則不能將隔熱管清洗干凈。

根據(jù)選擇的鍋爐參數(shù)(額定蒸汽壓力 1.25 MPa,額定溫度194℃),經(jīng)過一段管線流動(dòng)后,溫度和壓力都有所下降,即:壓力1.0 MPa,溫度180℃,對(duì)應(yīng)的飽和干蒸汽密度ρ=5.145 kg/m3。

代入式(1)得:Cf2=884.7 m/s。

若所需蒸汽流量 QL為 963 kg/h,即 QL= 0.454 7 m3/s,所需噴嘴當(dāng)量截面積為Ae=Q/Cf2= 514 mm2,當(dāng)量直徑De=25.59 mm。若設(shè)計(jì)8個(gè)同樣的噴嘴,則噴嘴直徑為?9.05 mm。

5 結(jié)論

1) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,用蒸汽清洗隔熱管是可行的。文中設(shè)計(jì)的隔熱管清洗裝置在保溫房?jī)?nèi)進(jìn)行,同樣的蒸汽壓力、溫度、流量條件下,清洗效果比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果要好。實(shí)際選擇的鍋爐為:蒸汽量1.5 t/h,額定蒸汽壓力1.25 MPa,額定溫度194℃,都高于試驗(yàn)條件,所以能夠確保將隔熱管清洗干凈,滿足生產(chǎn)要求。

2) 保溫房?jī)?nèi)蒸汽噴嘴設(shè)計(jì)為8個(gè),每個(gè)噴嘴直徑定為?9.5 mm;夏季溫度高時(shí),可以根據(jù)實(shí)際清洗情況適當(dāng)關(guān)閉幾個(gè)噴嘴。

3) 該清洗裝置安全可靠,采用鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu),避免加熱浸泡時(shí)隔熱管撈不上來的缺點(diǎn)。由于清洗后的污水可以集中回收,避免了以前高壓水清洗時(shí)污水到處流淌,污染環(huán)境的問題。

[1] 王心吟,邵清華,周先軍,等.隔熱管接箍腐蝕綜合分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2003,32(5):54-57.

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[6] 童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].4版.北京:高等教育出版社,2007.

Research of Cleaning Technique for Heat Insulated Tube

ZHAO Jun-youa,XU Yi-jib,YUAN Bao-mina,SUN Pei-xiana,YU Yan-quna,SON G Pengb
(a.College of Mechanical and Electrical Engineering;b.College ofPetroleum Engineering, China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

It has been a difficult problem for cleaning of heat insulated tube for long time.Laboratory test and theory calculation were carried out for research of an ideal cleaning method,and new cleaning technique for the heat insulated tube was put forward in the paper.The heat insulated tube is sent into closed heat insulated house to roll by controlling rolling speed and step,and high temperature steam is used to cleaning medium in the technique.It has good cleaning effect,running safely and reliable.

heat insulated tube;flowability of heavy oil;saturated dry steam;steam jet nozzle; cleaning equipment

1001-3482(2010)02-0065-03

TE934.5

A

2009-09-15

趙軍友(1963-),男,山東東明人,副教授,碩士,1990年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué),主要從事工程圖學(xué)和石油機(jī)械方面的教學(xué)和科研工作,E-mail:zhaojy@upc.edu.cn。