本发明涉及一种管内蜡堵的清除模拟装置，尤其涉及一种水下原油管道蜡堵电加热解除模拟装置。
背景技术：
目前，海洋油气产量一直保持快速增长态势，海域所产原油中含蜡原油占80％以上，其特点是含蜡多、凝点高，在海底管道输送过程中面临严峻的流动安全保障问题。
含蜡原油中的蜡晶在运输过程中，受到分子扩散、剪切弥散、重力沉降或布朗运动等作用，会在管道内壁附着并形成结蜡层。同时该结蜡层中还含有胶质、沥青质、砂和其他机械杂物，以及被束缚在蜡晶网格中的液态烃。结蜡层的存在一方面增大了油流至管内壁的热阻，使管道总传热系数下降，另一方面，结蜡使管道流通面积减小、摩阻增大，输送能力降低，势必会增加运行成本。所以在生产中需要对含蜡原油管道实施定期清管以清除结蜡层，其中最常用的方法是使用清管器进行机械清管。
清管器以管内原油的流动压差为推动力在管内前行，将沿程的结蜡层刮下并堆积在清管器前部，当管内结蜡层较厚或结蜡量较大时，极有可能在清管器前方造成蜡堵，严重危害管道的流动安全并造成巨大的经济损失。针对此类情况引起的蜡堵，传统解堵方式包括加注化学药剂解堵、气举和爆破解堵等。然而加注化学药剂会造成管内原油的污染，且循环使用时需要先过滤再注剂；气举和爆破解堵会危害管道的完整性。总之，传统解堵方式受到各种局限的影响，解堵成本高且效果都不尽如人意。
相比之下，采用电加热的方式，具有零排放、零污染、不使用化学药剂、不影响管道完整性以及见效快的优势。电加热法又可分为间接电加热和直接电加热，采用间接电加热的管道，其加热设备需要在管道铺设前即安装完成。然而，采用直接电加热的连接方式——直接在堵塞管段两端接通电极——可以直接、便捷的安装于已投入使用的普通管道之上，更适用于传统管道的应急解堵之需，在陆上已有多次成功实施的解堵案例。但是，此方法对于水下管道的解堵方面尚缺乏相应的理论研究和实践经验。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种水下原油管道蜡堵电加热解除模拟装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的水下原油管道蜡堵电加热解除模拟装置，水下原油管道蜡堵电加热解除模拟装置，包括蜡油制备与装卸系统、直接电加热系统和测量系统；
所述蜡油制备与装卸系统包括恒温水浴箱、回收罐和测试管段；
所述测试管段的两端分别设有法兰，分别称为A法兰和B法兰，所述A法兰上开四个接口，分别安装通气泄流管道、高温压力传感器、工业内窥镜和蜡油装卸管道，所述通气泄流管道上设有泄流针阀，所述蜡油装卸管道上设有针阀、柱塞泵和球阀，所述B法兰上安装探针式K型热电偶，所述测试管段的管壁上安装贴片式热电偶；
在蜡油装载与加热测试时，所述通气泄流管道末端配有烧杯，所述蜡油装卸管道末端与所述恒温水浴箱连接；
在蜡油卸载时，将所述烧杯移除，所述通气泄流管道末端高度高于所述B法兰，所述蜡油装卸管道末端与所述回收罐连接；
所述测试管段置于水池中的模拟海水中，其两端分别通过钢丝绳悬挂在吊架上，两端的钢丝绳分别设有长度调节装置。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的水下原油管道蜡堵电加热解除模拟装置，利用管壁导热性能，根据直接电加热原理对水下含蜡原油管道进行应急解堵，可以模拟多种工况的解堵过程及规律，并对关键数据进行实时记录以供后续分析。
附图说明
图1a为本发明实施例的蜡油制备与装卸系统-装载工况连接示意图。
图1b为本发明实施例的蜡油制备与装卸系统-卸载工况连接示意图。
图2为本发明实施例的直接电加热及测量系统连接示意图。
图3为本发明实施例直接电加热测试时的A法兰的布置图。
图4a-图4c分别为本发明实施例直接电加热测试时的B法兰的均匀分布、水平分布、圆周分布的布置图。
图5为本发明实施例直接电加热测试时管壁上热电偶的布置图。
图6为本发明实施例直接电加热测试时的电流分布示意图。
图标记说明：
1、恒温水浴箱，2、回收罐，3、球阀，4、柱塞泵，5、A法兰，6、测试管段，7、钢丝绳，8、吊架，9、水池，10、B法兰，11、针阀，12、量杯，13、高温压力传感器，14、探针式K型热电偶，15、贴片式热电偶，16、工业内窥镜，17、泄漏针阀，18、自耦调压整流电源，19、数据采集器，20、计算机。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的水下原油管道蜡堵电加热解除模拟装置，其较佳的具体实施方式是：
包括蜡油制备与装卸系统、直接电加热系统和测量系统；
所述蜡油制备与装卸系统包括恒温水浴箱、回收罐和测试管段；
所述测试管段的两端分别设有法兰，分别称为A法兰和B法兰，所述A法兰上开四个接口，分别安装通气泄流管道、高温压力传感器、工业内窥镜和蜡油装卸管道，所述通气泄流管道上设有泄流针阀，所述蜡油装卸管道上设有针阀、柱塞泵和球阀，所述B法兰上安装探针式K型热电偶，所述测试管段的管壁上安装贴片式热电偶；
在蜡油装载与加热测试时，所述通气泄流管道末端配有烧杯，所述蜡油装卸管道末端与所述恒温水浴箱连接；
在蜡油卸载时，将所述烧杯移除，所述通气泄流管道末端高度高于所述B法兰，所述蜡油装卸管道末端与所述回收罐连接；
所述测试管段置于水池中的模拟海水中，其两端分别通过钢丝绳悬挂在吊架上，两端的钢丝绳分别设有长度调节装置。
所述直接电加热系统包括自耦调压整流电源，所述自耦调压整流电源的两极通过电缆以缠绕的方式分别安装于所述测试管段的两端。
所述电缆沿所述测试管段外壁缠绕一周后，将缠绕端电缆尾部的绝缘橡胶剥离，使导线与所述测试管段外壁直接接触并用绝缘胶布固定在所述测试管段外壁上，缠绕部分也用绝缘胶布与所述测试管段外壁固定，最后向所述水池内注模拟海水直至没过所述测试管段。
所述A法兰的四个接口布置在A法兰竖直方向的中线上，自上而下依次为a点、b点、c点和d点；
a点靠近法兰的顶部，为气孔和泄流孔，为所述通气泄流管道的安装点；
b点位于a、c两点之间，为所述高温压力传感器(13)的安装点；
c点位于法兰的中心，为所述工业内窥镜(16)的插入点；
d点位于c点的正下方，为所述蜡油装卸管道的安装点。
所述B法兰上安装13个探针式K型热电偶传感器，所述探针式K型热电偶传感器均匀分布在法兰上或在截面上水平排列或均匀分布在同心圆周上。
选取所述测试管段的某一截面的上、下、左、右四个方向，分别在所述测试管段的外壁布置4个所述贴片式热电偶。
所述测量系统包括计算机，所述高温压力传感器、探针式K型热电偶、贴片式热电偶和工业内窥镜通过数据采集器连接到所述计算机。
所述法兰的材质为不锈钢或有机玻璃。
本发明的理论依据是：
为了将电加热的方法能应用到水下的蜡堵故障解除中，需要针对不同工况，从相变传热熔解的机理出发，查明蜡堵熔化过程中温度场分布特性及其时变规律，并在此基础上建立电加热强度与蜡堵熔化时间的数学关联，为管道的安全解堵、节能减排提供较为准确的科学依据。
电加热解堵时，轴向温度梯度远小于径向温度梯度，可忽略不计，因此本发明将三维模型进行简化，仅关注二维管道横截面上的相变情况，但蜡堵的熔解相变仍然是一个复杂的过程。首先，发生换热的对象及其传热方式包括：管壁结构(保温层、管壁)及周围水域，传热方式为强迫对流换热；管内壁与蜡堵间的传热方式为热传导，固态蜡堵与其液态熔融物间的传热方式为自然对流换热，需要注意的是，蜡堵的熔化相变是一个连续的过程，相变在一个较宽的温度范围内发生，所以固相与液相的交界面实际上是一个固液混合区，即模糊区，此区域是理论研究的重要关注点。此外，管道内还会存在少量的气体，在管道顶部形成空穴，同样影响着解堵时的温度场变化。
基于以上分析，本发明可采用的研究方法包括理论分析、数值模拟和实验研究，合理的理论分析是数值模拟和实验研究的前提，而数值模拟和实验研究是相辅相成、互为验证的关系，它们的结果可以深化理论分析。因此，针对本发明中提及的水下管道直接电加热解堵措施，在进行了大量的理论分析和数值模拟后，需要开展相应的实验研究，以测试并分析直接电加热的可行性与可靠性，对数值模拟的准确性和理论模型的科学性进行检验。由此，本发明提出一种实验室研究装置，用于模拟水下含蜡原油管道直接电加热应急解堵规律，并开展相应的理论研究。
本发明的水下原油管道蜡堵电加热解除模拟装置，具有模拟解堵过程中的温度场变化、解堵时间、保温层效率、海水的导电性及管道停输后原油的凝固过程等功能。克服了现有的直接电加热理论在熔解水下含蜡原油管道蜡堵方面理论及经验不足的缺点。
本发明的水下原油管道蜡堵直接电加热解除模拟装置，包括蜡油制备与装卸系统、直接电加热系统和测量系统。
蜡油制备与装卸系统，该系统包括恒温水浴箱、回收罐、柱塞泵和测试管段。蜡油的制备在恒温水浴箱中完成，由液体石蜡和白油按照一定比例(含蜡量分别为5％、10％、15％、20％、25％、30％)混合而成。装蜡油时，恒温水浴箱的输出端与柱塞泵的输入端连接、柱塞泵的输出端与测试管段的输入端连接。卸蜡油时，测试管段的输入端变为输出端，与柱塞泵的输入端连接，柱塞泵的输出端与回收罐的输入端连接。
直接电加热系统，该系统由测试管段、法兰、吊架、水箱、加热电源组成。其中，测试管段的材质选不锈钢，管径根据实验需求进行优选并且可以对管段进行拆卸以安装一系列不同管径的管道，保温层的有、无以及材质亦可进行更换；法兰预安装好温度、压力传感器和工业内窥镜、开好泄压口，其材质为不锈钢或有机玻璃，根据实验需求优选不同的材质；吊架上安装有可调节长度的钢丝绳，钢丝绳与上述测试管段两侧的法兰连接，将管道悬挂放置于水箱中以模拟水下环境；水下环境的制备依靠向纯净水中添加一定比例的氯化钠、硫酸镁、氯化钙、碳酸氢钠、氯化钾等成分配成人工海水；加热电源选自耦调压整流电源，该类型电源具有耗材少、成本低、占地面积小、输出功率大的显著优势，且可将原方输入的交流电整流为直流电，因此可为本系统提供高功率的直流电流，自耦调压整流电源与测试管段通过电缆连接构成闭合的电路回路，当直流电流通过管道时，管道利用其自身的电阻产生焦耳热，为熔解管内蜡堵提供热量。
测量系统，该系统由热电偶传感器、高温压力传感器、工业内窥镜、数据采集器和计算机组成。热电偶传感器包括探针式K型热电偶和贴片式热电偶，可以分别测量管内介质和管外壁的温度。其中，若干数量的探针式K型热电偶按照一定的排列方式通过螺纹连接安装于非蜡油输入/输出的一侧A法兰上，若干数量的贴片式热电偶以耐高温胶水粘附于管道外壁上，起到与管壁电流绝缘的作用；高温压力传感器和工业内窥镜通过螺纹连接安装于开有蜡油输入/输出口的一侧B法兰上。上述热电偶、高温压力传感器、工业内窥镜与计算机间通过数据采集器连接。
本发明的有益效果是：
可以通过改变加热功率、保温层材料、介质组分、水下环境等参数模拟多种工况下的解堵过程和管道停输温降过程，通过多种传感器组合方式得到温度场变化、解堵时间、保温层效率、海水的导电性等数据资料，为此项技术的理论研究及推广应用奠定基础。
具体实施例：
1、模拟装置的搭建
参照图1和图2，本申请提供一种水下原油管道蜡堵电加热解除模拟装置，该系统包括蜡油制备与装卸系统、直接电加热系统和测量系统。
图1a-图1b为蜡油制备与装卸系统，其作用是向测试管段内制备、输送蜡油或从测试管段内取抽出蜡油。蜡油制备与装载时，本系统包括恒温水浴箱1、柱塞泵4和测试管段6；蜡油卸载时，本系统包括回收罐2、柱塞泵4和测试管段6。他们之间通过不锈钢管道螺纹连接，并在恒温水浴池1(回收罐2)和柱塞泵4之间安装有球阀3、柱塞泵4和测试管段6之间安装有针阀11。
其中，测试管段6两端以法兰密封，在以下说明中，A法兰5为与柱塞泵4连接的一端，B法兰10为对应的另一端法兰。将法兰固定在管段两端之前，先在A法兰上开四个接口，分别安装通气泄流管道、高温压力传感器13、工业内窥镜16和蜡油装卸管道。为了便于观察，A法兰材质选为透明的有机玻璃；B法兰上安装探针式K型热电偶14；管壁上安装贴片式热电偶15。其中，在蜡油装载与加热测试时，泄流针阀17末端配有烧杯12，一方面便于空气和多余蜡油的排出，判断蜡油是否充满测试管段6，另一方面在加热解堵测试时动态收集电加热时蜡油因受热膨胀、特别是相变急剧膨胀而溢出的体积，并实时称取质量。在蜡油卸载时，将烧杯12移除只保留通气管并保障通气管高度高于B法兰，以保持测试管道6内、外的气压平衡，便于蜡油的排出。
在此基础上，将测试管段6通过吊架8上的钢丝绳7悬挂起来，通过调节两侧钢丝绳的长度使管段处于倾斜的状态，模拟实际管道的倾角变化，并方便蜡油的装卸。
图2为直接电加热系统和测量系统。待管内蜡油完全凝固后，将高温压力传感器13、探针式K型热电偶14、贴片式热电偶15和工业内窥镜16通过数据采集器19连接到计算机20上，其目的是为了记录相应数据。自耦调压整流电源18的两级通过电缆以缠绕的方式安装于测试管段6的两端，具体做法为：将电缆沿管段外壁缠绕一周后，将缠绕端电缆尾部的绝缘橡胶剥离，使导线与测试管段外壁直接接触并用绝缘胶布固定在管段外壁上，缠绕部分也用绝缘胶布与管段外壁固定。最后向水池9内注水直至没过测试管段，所注的水可根据测试需求加入一定比例的氯化钠、硫酸镁、氯化钙、碳酸氢钠、氯化钾等成分自行调配，模拟海水。
本模拟装置主要用于科学研究，因此其测量系统为本装置的关键组成部分。测量系统中的各传感器主要分布在测试管段两端的法兰和管壁上。下面具体说明测量系统中传感器的分布。
如图3，为直接电加热测试时的A法兰5的布置图。a点靠近法兰的顶部，为气孔和泄流孔，并配有针阀17；b点位于a、c两点之间，为高温压力传感器13的安装点；c点位于法兰的中心，为工业内窥镜16的插入点；d点位于c点的正下方，为蜡油装卸管道的安装点，并配有针阀11。具体地，a点针阀17的一端以螺纹连接于A法兰5上，另一端在蜡油装载与加热测试时通过管道与烧杯相连，一方面便于空气和多余蜡油的排出，判断蜡油是否充满测试管段6，另一方面盛接并测量电加热时蜡油因受热膨胀而溢出的体积和质量；d点所连接的蜡油装卸管道，在蜡油装卸时与测试管段6相连，在加热测试时则拆除下来以避免热量的损失。
如图4a-图4c，为直接电加热测试时的B法兰10的布置图。B法兰上拟定安装13个探针式K型热电偶传感器14以测量解堵过程中管道横截面的温度场变化。根据不同的测温目的，热电偶传感器的分布包括但不限于以下三种方式：如图4a所示，热电偶均匀分布在法兰上，用于测量水平管道某一竖直截面的整体温度场变化；如图4b所示，热电偶在截面上水平排列，可用于测试温度的分层情况；如图4c所示，热电偶均匀分布在同心圆周上，可用于测试温度在不同半径的圆周上的分布情况。
直接电加热测试时管壁上热电偶的布置图如图5所示。选取某一截面的上、下、左、右四个方向，分别在管外壁布置4个贴片式热电偶15以监测管壁受热情况。
2、通用工作流程
结合图1a至图5，本申请中所述模拟装置的通用工作流程为：
①确定蜡油含蜡比例(5％、10％、15％、20％、25％、30％)，以测试管段6容积的1.1-1.3倍为基准，计算出所需固体石蜡和白油的体积；
②将固体石蜡倒入恒温水浴箱1中，待固体石蜡熔化为液体后，将白油倒入恒温水浴箱1中并与液体石蜡搅拌均匀；
③调节钢丝绳将测试管段6调至A法兰5端为向上倾斜状态，保持球阀3、针阀11和针阀17为开启状态，启动柱塞泵4，将蜡油泵入测试管段6中，管段充满蜡油后停止泵送，关闭球阀3、针阀11和针阀17；
④拆除d点的蜡油装卸管道，将测试管段6调整至水平，将高温压力传感器13、探针式K型热电偶14、贴片式热电偶15和工业内窥镜16与计算机连接并做好调试，连接自耦调压整流电源18与测试管段6，等待蜡油充分凝固；
⑤待蜡油充分凝固后，向水池9中注入人工海水，将自耦调压整流电源18打开并调至所需电压，测试管段6通过焦耳效应发热使内部蜡堵逐渐熔化；
⑥记录、观察熔化过程中各传感器所测数据，依照压力数据适时开启a点处针阀17使蜡油溢出，确保实验的安全性，待石蜡完全熔化后关闭电源18和a点处针阀17，单次模拟解堵实验即结束；
⑦卸载蜡油时，以回收罐2替换恒温水浴箱1，将柱塞泵4的输入端与输出端对换，将测试管段6的A法兰5端向下倾斜，安装d点的蜡油装卸管道，开启球阀3、柱塞泵4、针阀11和针阀17完成蜡油的回收工作。
3、各功能简述
综上所示，蜡油制备与装卸系统、直接电加热系统及测量系统共同构成了本申请中的模拟装置。借由本套模拟装置，可以实现多工况的解堵模拟功能，反过来，亦可模拟管道停输时蜡堵的形成过程。以下对本装置的主要功能进行详细说明。
功能一：模拟定功率下解堵时间与管内介质的温度场变化
这是本模拟装置最基本的功能，调节自耦调压整流电源18设定不同加热电压，通过安装在B法兰10上的不同组合的热电偶传感器，获得不同加热功率下管内温度场变化的数据和解堵所需时间。此外，为了提高解堵效率，还可在加热过程中适当调节电压，这里需要注意的是，为了保证安全的加热温度范围，在调节加热电压时需密切关注各热电偶14、15的温度变化。
模拟流程为：
步骤①—⑥与前文所述步骤相同。
⑦等待蜡油充分凝固，打开自耦调压整流电源18并调整其电压值，使蜡堵逐渐熔化，记录、观察熔化过程中各传感器所测数据，依照压力数据适时开启a点处针阀17，确保实验的安全性，待石蜡完全熔化后关闭电源18和a点处针阀17；
⑧重复步骤⑦，直至获得所需全部数据；
⑨同通用工作流程中的步骤⑦。
功能二：模拟保温材料的保温性能
为了减少油气运输中的能量损耗，水下管道或海底管道通常都会配有保温层，然而保温层材料及厚度的选择却不尽相同。为了测试不同保温材料的保温性能，或对比有、无保温层的加热效率，保持每次解堵实验的加热功率条件一致、水池中水质一致、环境温度一致、保温层厚度一致等，分别用不同的保温材料包裹测试管段，根据最终解堵时间的长短判断保温性能。
模拟流程为：
步骤①—⑥与前文所述步骤相同。
⑦等待蜡油充分凝固，将测试管段6从水中提升至空气中，包裹一定厚度的保温层后下沉到水池9中，打开自耦调压整流电源18并保持电压值不变，记录、观察熔化过程中各传感器所测数据，依照压力数据适时开启a点处针阀17，确保实验的安全性，待石蜡完全熔化后关闭电源18和a点处针阀17；
⑧重复步骤⑦，每次更换不同厚度、不同材质的保温层，直至获得所需全部数据；
⑨同通用工作流程中的步骤⑦。
功能三：模拟水下环境的导电性
工程中水下管道所处的水质环境都不是纯净水，而本模拟装置采用的直接电加热方式，意味着加热解堵时不是所有的电能都会通过测试管段6，电流在电源与管道连接的正电极处分成两路，一部分电流在管壁上流动，另一部分电流以水为导体，以与管道平行的路径流动，两路电流在另一端负电极汇合，如图6所示。因此，为了模拟不同水域环境中水的导电性，可根据具体水质数据在水池9中配置人工海水(添加成分包括氯化钠、硫酸镁、氯化钙、碳酸氢钠、氯化钾等)，在单次解堵实验结束后，根据耗电量和吸热量计算人工海水的导电性。
模拟流程为：
步骤①—④与前文所述步骤相同。
⑤待蜡油充分凝固后，向水池9中注入待测试浓度中最低离子浓度的人工海水，将自耦调压整流电源18打开并调至所需电压，测试管段通过焦耳效应发热使内部蜡堵逐渐熔化；
⑥记录、观察熔化过程中各传感器所测数据，依照压力数据适时开启a点处针阀17，确保实验的安全性，待石蜡完全熔化后关闭电源18和a点处针阀17，单次模拟解堵实验即结束；
⑦等待蜡油充分凝固，将测试管段6从水中提升至空气中，向水池9中添加各盐分至后一级浓度水平，打开自耦调压整流电源18并保持电压值不变，记录、观察熔化过程中各传感器所测数据，依照压力数据适时开启a点处针阀17，确保实验的安全性，待石蜡完全熔化后关闭电源18和a点处针阀17；
⑧重复步骤⑦，按离子浓度由低到高配比每次模拟时的海水，直至获得所需全部数据；
⑨同通用工作流程中的步骤⑦。
功能四：模拟停输温降过程
海底管道在运行时通常会面临有计划或意外的停输状况，停输会使管内温度下降，此时含蜡原油管道发生蜡堵的风险就会加剧。利用本模拟装置亦可模拟此种情况下的管内停输温降过程。
模拟流程为：
步骤①—③与前文所述步骤相同。
④拆除蜡油装卸管道，将测试管段6调整至水平，将高温压力传感器13、探针式K型热电偶14、贴片式热电偶15和工业内窥镜16与计算机连接并做好调试；
⑤向水池9中注入人工海水，记录、观察熔化过程中各传感器所测数据，确保实验的安全性，待蜡油充分凝固即完成一次停输蜡堵模拟实验；
⑥蜡油卸载时，利用自耦调压整流电源18使管内蜡堵熔化后，以回收罐2替换恒温水浴箱1，将柱塞泵4的输入端与输出端对换，将测试管段6的A法兰5端向下倾斜，安装好蜡油装卸管道，开启球阀3、柱塞泵4、针阀11和针阀17，完成蜡油的卸载工作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。