摘要：介紹了含蠟原油管道流動安全評價研究的主要內容及國內外研究進展，認為管道流動安全狀況與管輸原油的流變性、管徑、地溫、土壤熱物性、管道工作狀態、管道腐蝕狀況和泵配置等因素有關。指出使用不確定性分析方法進行管道流動安全評價研究面臨兩大挑戰，即影響因素不確定性描述和凝管風險可接受標準的確定。建議進一步加強含蠟原油流變性研究和管道停輸再啟動安全評價方法研究，并開展管道流動安全等級劃分標準、重要影響因素不確定性和凝管損失計算模型的研究。

    主題詞：含蠟原油、管道、流動安全、研究、現狀

    一、前言

    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含蠟原油安全經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定工作區，處理不當或未進行處理，發生初凝直至凝管。因此，管道停輸再啟動安全性研究和管道不穩定工作區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定狀態。管道在短時間內最大允許操作壓力相對穩定，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境條件作了較多的簡化。用數值求解時，國內外學者都將原油停輸溫降過程看作是一個非穩態導熱問題，所建立的數學模型基本類似[6-9]，在對求解區域簡化基礎上，采用有限元或有限差分對停輸溫降進行數值計算。

    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]對原油結構參數又做了二維劃分，認為結構參數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]根據流動形態的不同，將管流的橫截面劃分為流動區、蠕變區、彈性變形區，據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，但其根據小型環道試驗數據回歸的壓力波速計算公式運用到實際管道上恐有不妥。

    2、管道不穩定工作區問題

    熱油管道在不穩定工作區運行，既不經濟，也不安全[16]。管道能否避開非穩定工作區，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，而是隨管道工作狀態、原油流變性、地溫和土壤熱物性等的變化而變化。關于管道運行不穩定工作區問題，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定工作區的措施和方法，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z=G一[G](G為管道運行輸量，[G]為規范[21]規定的最低輸量)，以《原油管道運行技術規范》規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。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定工作區的“管道穩定運行安全指數”和判斷停輸再啟動安全性的“停輸再啟動安全指數”的概念，并根據管路特性臨界輸量和凝管概率提出了這兩個指數的等級劃分方法。綜合這兩個安全指數，得到了定量描述管道流動安全狀態的“管道流動安全指數”。該方法綜合考慮了原油物性、管道和環境條件以及這些參數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新，但其安全指數指標等級劃分缺乏依據，計算停輸再啟動安全指數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。

    三、不確定性分析方法研究管道流動安全面臨的新挑戰

    將不確定性分析方法(模糊數學、灰色理論等)引人到含蠟原油管道流動安全評價研究，評價結果將改變過去僅以安全或不安全兩種形式出現的傳統模式(0-1模式)，而以概率形式出現。當評價結果以概率形式出現時，就需要研究安全評價的標準問題，即失效概率多大時才能認為管輸方案是可以接受和安全的。而影響因素不確定性描述將直接影響管道流動安全評價結果的準確性，甚至改變評價結論。因此，使用不確定性分析方法進行含蠟原油管道流動安全研究將面臨以下新挑戰。

    1、影響因素不確定性的描述

    影響含蠟原油管道流動安全性的許多因素都具有不確定性。例如，原油是一種多組分的復雜混合物，對原油流變性影響最大的三個組分(蠟、膠質和瀝青質)在化學上都是一類物質的集合，組成成分具有隨機性，例如，來自不同區塊、層位的原油混合不均勻等都將導致原油組成成分的不確定性。含蠟原油的流變性復雜，不僅與含蠟原油組成成分有關，還與其經歷的熱歷史、剪切歷史有關，而對于某段含蠟原油，其經歷的歷史作用一直在變化。含蠟原油的物性和流變性受溫度影響很大，而管內油溫計算同樣要受到許多不確定因素的影響，例如管道輸量、原油物性和流變性等。以管外土壤熱物性參數導熱系數為例，土壤的導熱系數取決于土壤的種類及土壤的孔隙度、溫度、含水量等因素，而這些因素隨季節和空間位置的變化是不確定的。另外，降雨、下雪以及土壤溫度的晝夜及季節的波動等氣象因素也會影響土壤導熱系數，所以土壤導熱系數具有不確定性。含蠟原油管道流動安全影響因素不確定性描述的準確性，將影響含蠟原油管道流動安全評價結果。但是，這些因素種類繁多，很多因素的變化規律都不確定，并且部分因素之間還存在復雜的影響關系，要實現對這些因素不確定性的準確描述非常困難，因此，影響因素不確定性的描述是不確定性分析方法研究含蠟原油管道流動安全面臨的一個新挑戰。

    2、凝管風險可接受標準的確定

    含蠟原油管道流動安全評價的最終目的是確定原油管道輸送方案中的管道流動安全性是否符合國家、社會和公司的要求，這就需要確定一個衡量管道安全、判斷管道流動風險是否可以被接受的標準，從而確定管輸方案是否需要調整以降低管道運行風險。目前，國外關于管道風險可接受標準一般分為個人風險可接受標準和社會風險可接受標準。國外是根據事故統計數據來確定風險可接受標準的[23]其可接受標準代表了國外管道事故的統計水平，但只適合國外管道的安全評價，并不適合于國內管道行業，更不適合于含蠟原油管道流動的安全評價。凝管是含蠟原油流動安全評價的核心，其風險可接受標準的確定對含蠟原油管道流動安全評價具有重要意義。而國外不但缺乏這樣的可接受標準，也缺乏凝管的統計數據。我國多次發生過凝管(或初凝)事故，但缺乏詳細公開的事故統計數據，這就不能用國外的標準來確定凝管的風險可接受標準，所以，需要研究并制定凝管風險可接受標準的方法。由于影響風險可接受標準確定的因素很多，因此凝管風險可接受標準的確定將十分困難。

    四、含蠟原油管道流動安全評價的研究方向

    1、管道流動安全的安全標準研究

    將不確定性分析方法引人含蠟原油管道流動安全評價，需要按照管道流動安全的標準來判定管輸方案的流動安全狀況。目前，國內外并沒有可供利用的標準，而要實現含蠟原油管道流動安全評價，流動安全的安全標準必不可少。因此，有必要開展管道流動安全的安全標準研究。

    2、含蠟原油流變性研究

    雖然含蠟原油流變性的研究已經取得了豐碩成果，但對含蠟原油流變性機理的認識還較膚淺，對流變特性規律的認識，還主要停留在定性的水平上[24]。例如，含蠟原油觸變性受剪切歷史和熱歷史的影響，但目前還沒有一個理想的能夠描述包含剪切歷史與熱歷史效應的含蠟原油觸變模型。屈服應力的測量方法很多，而日各種方法測試的結果差異較大，但并沒有公認的適合于停輸再啟動壓力計算的屈服應力測定方法。含蠟原油流變性是進行管道流動安全評價的基礎，因此，需要加強含蠟原油流變性研究。例如，可以著重研究不同剪切條件、不同溫降條件(動態溫降和靜態溫降條件)對原油屈服應力和觸變性的影響，建立包含熱歷史與剪切歷史效應的觸變性模型和屈服應力計算模型。

    3、重要影響因素不確定性研究

    使用不確定性分析方法研究管道流動安全評價時，影響因素不確定性描述的準確性對評價結果具有重要影響。目前，影響因素不確定研究并沒有得到足夠重視，影響管道流動安全的因素很多，不必對每個影響因素的不確定都進行研究，而應有針對性地研究重要影響因素的不確定性特點，掌握其變化規律。

    4、含蠟原油管道停輸再啟動安全評價方法研究

    現行的安全評價方法，僅根據再啟動壓力是否大于管道最大允許操作壓力來評價管道再啟動的安全性。而管道停輸再啟動的安全性不僅與此有關，還與停輸再啟動后管道流量能否在有限時間內達到穩定有關。因為管道停輸再啟動的危險情況既有可能出現在管道啟動初始階段，也有可能出現在啟動后到穩定運行的過程中，這在某些熱油管道停輸再啟動故障中都有體現[25,26]。現有評價方法的評價結果并不一定能夠完全反映客觀安全性，需要繼續研究停輸再啟動安全評價方法。

    5、凝管損失計算模型研究

    風險是事故發生的可能性與管道事故造成的后果的嚴重程度的綜合度量。目前含蠟原油管道流動安全評價的研究成果僅就凝管概率進行了定量化研究，而未對凝管損失進行研究。實際上，對于不同管道或者同一管道不同地區的管段，發生凝管事故的損失并不相同。因此，應該研究凝管損失計算模型，以便更好地實現含蠟原油管道流動安全評價。

    五、結束語

    我國所產原油大多為含蠟原油。近十年來，國外含蠟原油的開采量逐漸增大，特別是深海石油的開發，使含蠟原油管道的安全經濟輸送問題成為國際上研究的熱點，同時也凸顯含蠟原油管道流動安全評價的重要意義。我國在含蠟原油管道流動安全評價方法研究中取得了一些進展，但仍存在等級劃分標準缺乏依據、評價結果不穩定和使用范圍有限等問題。因此，需要加強安全等級劃分標準、停輸再啟動安全評價方法和含蠟原油流變性研究等的研究，以便更加準確、合理地開展含蠟原油管道流動安全評價，更好地實現含蠟原油的安全經濟輸送。

    參考文獻（略）