一种测量管道不同壁面处固相沉积特性的装置及方法与流程

本发明属于石油与天然气工程技术领域，具体涉及一种测量管道不同壁面处固相沉积特性的装置及方法。

背景技术：

含蜡原油在输送过程中，当油温降低到含蜡原油的析蜡点之下时，原油中的蜡晶将不断析出和生长，最后在管壁上沉积下来。影响固相沉积的因素较多，不同输送条件下管壁的固相沉积量不同，且沉积层的性质也会存在差异。含蜡原油管道的固相沉积物以蜡沉积为主，还包括沥青质、胶质、凝油和机械杂质。固相沉积物缩小了管道的有效内径，增大了输送摩擦阻力，降低了管道的输送能力，严重时可能导致管道堵塞。因此，含蜡原油的固相沉积问题一直是国内外学者研究的热点。目前学者们已研制了许多测量含蜡原油管道固相沉积的实验装置，并建立了大量的预测模型。在实验装置方面，主要包括冷指实验、冷板实验、旋转圆盘实验以及环道实验。各种实验装置均有自己的适用范围和优缺点，测量结果亦存在一定的差异，难以横向比较；在预测模型方面，基于实验结果建立沉积动力学模型是目前预测管道蜡沉积速率的有效方法，但是，如何将室内环道装置的研究结果准确地应用于实际管道是当前亟需解决的问题。事实上，关于沉积机理的认识及沉积厚度的预测等一系列科学问题并没有完全地得到解决，目前固相沉积问题的研究仍然以实验为主。

众所周知，含蜡原油管道内的固相沉积物厚度沿轴向是不均匀的。此外，由于固相沉积物中沥青质、胶质等重组分以及机械杂质颗粒的存在，受其重力作用的影响，在同一横截面上，管道底部的沉积物厚度可能和其它位置存在一定差异。特别是在多相管流中，同一横截面上沉积厚度的环向分布差异将会更明显。对于目前的室内实验装置而言，其所用的测试方法往往得到的是某一管段内沉积物的平均厚度，难以看出固相沉积厚度沿管壁轴向的变化情况。此外，若要弄清管壁同一横截面上不同位置的沉积情况，可采用相关测厚仪器来测量管壁的环向沉积厚度，但整个操作过程较为复杂，且会对沉积层造成一定程度的破坏。为了直观测量管道不同壁面处的沉积厚度、方便对不同壁面处的沉积物进行取样测试，需要一种测量管道不同壁面处固相沉积特性的装置和方法。基于此，本发明在环道实验装置的基础上，研制了能够测量管道不同壁面处固相沉积特性的测试管段，并提出了实施方法。该装置与现有的环道装置结合使用，能够很好地测量单相及多相流管道中不同壁面处的固相沉积特性。本发明的实现对于进一步发展管道固相沉积理论具有重要的实际意义，也是对常规沉积实验环道装置的重要补充与完善。

技术实现要素：

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种测量管道不同壁面处固相沉积特性的装置及方法，克服目前常规环道实验装置在测量管道不同壁面处固相沉积特性方面的局限性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种测量管道不同壁面处固相沉积特性的装置，包括测试管段和密封安装在所述测试管段两端的两个连接管，所述测试管段包括厚壁钢管、密封条、密封垫片、小块厚钢板、压差传感器；所述测试管段外设有恒温水槽，两个所述连接管分别与现有环道相密封连接，所述厚壁钢管、所述连接管以及现有环道的内径均相同；所述厚壁钢管由四个弧形管拼合而成，所述弧形管对应的圆心角为90度，相邻的两个弧形管相接触的位置处均设置有密封条，对应的所述弧形管上开设有沿轴向分布的沟槽，所述密封条贴紧在所述沟槽内，所述弧形管的外周壁上阵列分布有若干个小块厚钢板，相邻的两个所述弧形管通过安装在所述小块厚钢板上的螺栓相固定；所述测试管段上还安装有压差传感器。

优选地，所述连接管与所述厚壁钢管、所述连接管与现有环道均通过法兰密封连接，所述连接管与现有环道的连接处、所述连接管与所述厚壁钢管的连接处均设置有橡胶密封垫片。

测量管道不同壁面处固相沉积特性的方法，具体包括如下步骤：

s1：根据自身环道管路尺寸，选择内径与现有环道内径相同的厚壁钢管，并同时选取或者加工与厚壁钢管尺寸配套的法兰，将厚壁钢管两端先直接与法兰焊接，然后利用线切割技术将厚壁钢管连同法兰一起剖开为四瓣式结构(对应四个弧形管)；

s2：在沿着剖开后形成的弧形管的轴向开设与弧形管长度相同的沟槽，将密封条镶嵌在沟槽内；

s3：在剖开后形成的弧形管的外壁上，沿管段轴向每间隔一定距离焊接一小块厚钢板，并在小块厚钢板上开小孔安装螺栓，使得剖开后形成的弧形管重新拼接成圆管，螺栓穿过钢板上的小孔起紧固作用，同时也能够使相互接触的密封条接触紧密，保证其密封性；

s4：将厚壁钢管与连接管、连接管与现有环道之间均通过法兰连接在一起，法兰之间用密封垫片密封，密封垫片外缘的半径大于密封条所在位置的半径；

s5：在测试管段外设置一恒温水槽，测试管段浸没在水中，依靠恒温水槽中的循环水对测试管段的管外壁进行冷却，并使其温度保持在实验的设定温度；

s6：最后在测试管段上安装压差传感器，利用信号传输线传给外部的环道数据采集系统，实时监测测试管段的压差变化，并以此判断管内的固相沉积情况；

s7：在完成上述步骤后，基于现有环道实验装置，采用常规的固相沉积实验操作方法进行测试，在实验过程中，通过测试管段的压差变化情况预判管内的沉积量，实验结束后将厚壁钢管拆开成四个弧形管，分别测量各弧形管不同轴向位置处的沉积物厚度并测试沉积层的性质，即可得到管道不同壁面处的固相沉积特性。

优选地，所述厚壁钢管的外径为60mm，壁厚为12.5mm；所述小块厚钢板的厚度为5mm。

本发明的有益效果在于：

(1)对流体介质适用性强、测量范围广

结合相应的环道装置，可对各种物性的含蜡原油、多相流动下的管道不同壁面处的固相沉积特性进行测定，适用于针对不同流体介质的实验研究。

(2)测试结果与实际接近、可模拟分析多因素对固相沉积特性的影响

本发明的测试管段与现有环道结合使用，该方法与冷板实验、冷指实验以及旋转圆盘实验相比，其测试结果更加接近实际；采用本装置亦可定量分析多因素(油壁温差、沉积时间、流速、原油组成等)对管道固相沉积特性的影响，且能够进一步确定影响沉积的关键因素。

(3)方便测试管道不同壁面处的沉积厚度和沉积层性质

本发明的测试管段拆卸与组装方便，待其实验结束后，将厚壁钢管拆开成四个弧形管，可以方便地获得各弧形管不同轴向位置处的沉积厚度，进而得出不同轴向位置处沉积厚度的环向分布规律，同时也有助于探究沉积厚度沿轴向的分布规律。除此之外，由于将厚壁钢管拆开成四个弧形管，可以方便对各弧形管不同轴向位置处的沉积物进行取样测试分析，有利于进一步掌握不同壁面处的沉积物性质。

(4)数据实时监测、自动化程度高

现有的环道装置一般均配备先进的测量仪表及实时监测系统，与本发明的测试管段结合使用，具有数据采集速度快、实时输出和存储的优点。

(5)方便安装和更换管件、可实施性强

测试管段与环道装置采用连接管及法兰连接，安装和更换不同的测试管段非常方便，有利于开展不同材质、不同粗糙度管道的固相沉积特性模拟；且可依据现有环道，通过阀门的开闭即可实现流程切换，以实施单相以及多相流下的固相沉积特性测定。所用的方法和装置具有操作灵活、易实施的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种测量管道不同壁面处固相沉积特性的装置的示意图；

图2为测试管段所用厚壁钢管的剖面图。

附图标记说明：

1-连接管、2-密封垫片、3-压差传感器、4-法兰、5-厚壁钢管、51-弧形管、6-小块厚钢板、7-密封条、8-现有环道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：如图1至图2所示，一种测量管道不同壁面处固相沉积特性的装置，包括测试管段(长度为1m)和密封安装在所述测试管段两端的两个连接管1，所述测试管段包括厚壁钢管5、密封条7、密封垫片2、小块厚钢板6、压差传感器3；所述测试管段外设有恒温水槽，两个所述连接管1分别与现有环道8相密封连接，所述厚壁钢管5、所述连接管1以及现有环道8的内径均相同；所述厚壁钢管5由四个弧形管51拼合而成，所述弧形管51对应的圆心角为90度，相邻的两个弧形管51相接触的位置处均设置有密封条7，对应的所述弧形管51上开设有沿轴向分布的沟槽，所述密封条7贴紧在所述沟槽内，所述弧形管51的外周壁上阵列分布有若干个小块厚钢板6，相邻的两个所述弧形管51通过安装在所述小块厚钢板6上的螺栓相固定；所述测试管段上还安装有压差传感器3，用于实时监测测试管段的压差变化情况，并以此来判断管内的固相沉积情况(出现沉积物后管径减小，压差增大)。

进一步的，所述连接管1与所述厚壁钢管5、所述连接管1与现有环道8均通过法兰4密封连接，所述连接管1与现有环道8的连接处、所述连接管1与所述厚壁钢管5的连接处均设置有密封垫片2。

另外，考虑到实际加工的难易程度，测试管段的钢管需采用厚壁钢管，壁厚为12.5mm，这并不影响其沉积规律(固相沉积在钢管内壁)。连接管1是为了便于测试管段与现有环道8相连接，连接管1的尺寸一端要与用于连接厚壁钢管5的法兰4尺寸很好的配合，另一端的尺寸要与现有环道8的管径相配合。为了保证流体介质不经历突扩或者突缩的现象，所用厚壁钢管5、法兰4、连接管1以及现有环道8的内径尺寸应保持一致。

一种测量管道不同壁面处固相沉积特性的装置的方法，具体包括如下步骤：

s1：根据自身环道管路尺寸，选择内径与现有环道8内径相同的厚壁钢管5，并同时选取或者加工与厚壁钢管5尺寸配套的法兰4，将厚壁钢管5两端先直接与法兰4焊接，然后利用线切割技术将厚壁钢管5连同法兰4一起剖开为四瓣式结构(四瓣大小完全相同，分别对应管道的上、下、左、右四个壁面)，该四瓣式结构即为四个弧形管51；

s2：在剖开后形成的弧形管51上，距离其内壁3mm处(该位置是针对本发明厚壁钢管尺寸，具体预留位置根据实际加工的尺寸进行调整)沿管轴向方向开有与弧形管51长度相同的4个沟槽，将密封条7镶嵌在沟槽内；密封条7的尺寸和沟槽的尺寸相一致，确保密封条7压实在沟槽内，起到良好的密封作用；

s3：在剖开后形成的弧形管51的外壁上，沿管段轴向每间隔一定距离(在保证密封的前提下，具体间隔距离可自行选定)焊接一小块厚钢板6，厚度为5mm，小块厚钢板6的长宽为60mm×40mm，并在小块厚钢板6上开小孔安装螺栓，使得剖开后形成的弧形管51重新拼接成圆管；螺栓穿过小块厚钢板6上的小孔起紧固作用，同时也能够使相互接触的密封条7接触紧密，确保实验流体介质不渗不漏；

s4：将厚壁钢管5与连接管1、连接管1与现有环道8之间均通过法兰4连接在一起，法兰4之间用密封垫片2密封。为了保证在法兰处不发生渗漏，其密封垫片2的位置要与上述密封条7的位置合理布置，密封垫片2外缘的半径需大于密封条7所在位置的半径；必要时可进一步加大钢管的壁厚，保证加工实施的方便；

s5：在测试管段外设置一恒温水槽，测试管段浸没在水中，依靠恒温水槽中的循环水对测试管段的管外壁进行冷却，并使其温度保持在实验的设定温度；通过此种方法，产生油温和壁温间的温差，进而使得固相沉积物沉积在测试管段的内壁上；

s6：最后在测试管段上安装压差传感器3，利用信号传输线传给外部的环道数据采集系统，实时监测测试管段的压差变化，以判断管内的固相沉积情况；

s7：在完成上述步骤后，基于现有环道实验装置，采用常规的固相沉积实验操作方法进行测试，在实验过程中，通过测试管段的压差变化情况预判管内的沉积量，实验结束后将厚壁钢管5拆开成四个弧形管51，分别测量各弧形管51不同轴向位置处的沉积物厚度并测试沉积层的性质，即可得到管道不同壁面处的固相沉积特性。

在其他实施例中，可根据实际情况适当改变厚壁钢管5、连接管1以及法兰4的尺寸。

使用时，结合现有的环道装置，根据实验目的，通过切换不同的阀门，可以实现单相或多相流动下的管道不同壁面处固相沉积特性的测定。

首先确定需要研究的影响因素(油壁温差、沉积时间、流量等)并安排实验方案，然后按照常规的固相沉积实验方法(油样预处理、调节油温壁温、调节流量等)进行测试。实验过程中，通过环道的数据自动采集系统和存储系统，采集时间、流量、压差、温度等参数。待其实验完成后，将厚壁钢管拆开成四个弧形管，待其管内的凝油滴净后，可以直接测定各个弧形管不同轴向位置处的沉积厚度，同时在各个弧形管不同轴向位置处取出沉积物进行测试分析，进而能够得出不同壁面处的固相沉积厚度及沉积物性质。也可在实验过程中，根据需要拆开厚壁钢管，跟踪不同时刻管道的固相沉积情况。若要研究其它材质管道不同壁面处的固相沉积特性，可根据需要加工相应的测试管段，仍然可采用上述方法进行研究。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。