摘要：介绍了含蜡原油管道流动安全评价研究的主要内容及国内外研究进展，认为管道流动安全状况与管输原油的流变性、管径、地温、土壤热物性、管道工作状态、管道腐蚀状况和泵配置等因素有关。指出使用不确定性分析方法进行管道流动安全评价研究面临两大挑战，即影响因素不确定性描述和凝管风险可接受标准的确定。建议进一步加强含蜡原油流变性研究和管道停输再启动安全评价方法研究，并开展管道流动安全等级划分标准、重要影响因素不确定性和凝管损失计算模型的研究。
主题词：含蜡原油、管道、流动安全、研究、现状
一、前言
我国所产原油8%以上为含蜡原油。含蜡原油输送常采用加热输送工艺。热输管道流动安全性受到很多因素的影响，其中，输油温度对含蜡原油管道输送的安全性和经济性具有直接影响。对长距离加热输送管道，即使少量降低进站温度，也可以显著降低管道燃油消耗。然而，输油温度的降低从本质上降低了管道运行的安全余量[1]。因此，开展含蜡原油管道流动安全评价方法研究，对输油企业评价管道流动安全状况、制定管道输送方案、采取安全措施和实现含蜡原油安全经济输送具有重要意义。
二、含蜡原油管道流动安全评价研究现状与分析
凝管是威胁含蜡原油管道流动安全的致命问题。凝管形成的原因有两种，一种是停输管道再启动失败，导致凝管;另一种是管道运行进入不稳定工作区，处理不当或未进行处理，发生初凝直至凝管。因此，管道停输再启动安全性研究和管道不稳定工作区问题研究是含蜡原油管道流动安全研究的主要内容。
1、管道停输再启动的安全性
管道停输再启动的安全性不仅取决于管道再启动压力是否超过管道最大允许操作压力，还取决于停输再启动后流量能否在有限时间内恢复到稳定状态。管道在短时间内最大允许操作压力相对稳定，管道停输再启动的安全性主要取决于再启动的压力;在较长时期内，管道腐蚀将会降低管道最大允许操作压力，因此，管道的腐蚀状况也将影响管道停输再启动的安全。对于停输再启动问题，国内外学者的研究主要集中在管道停输温降计算和等温或绝热管道再启动过程的水力计算。管道停输时的初始条件、管内原油物性、管道环境条件、管径及保温情况等因素都会影响整个温降过程。如何处理和计算管道在土壤中的散热，以及管内原油的温降过程是管道停输问题的技术关键。关于停输温降，阿卡帕金[2]、李长俊[3]、吴明[4，5]推导出了埋地管道停输温降的解析解，但在推导过程中，对管内原油物性及周围环境条件作了较多的简化。用数值求解时，国内外学者都将原油停输温降过程看作是一个非稳态导热问题，所建立的数学模型基本类似[6-9]，在对求解区域简化基础上，采用有限元或有限差分对停输温降进行数值计算。
对于再启动过程水力计算问题，国内外学者也进行了深入的研究。Setea等人[10]提出了一个胶凝原油管道启动压力和清管时间的简单计算方法。Cawkwell等人[11]对原油结构参数又做了二维划分，认为结构参数与径向位置和启动时间有关，通过求解基本方程来描述启动过程，在理论上有一定新意。Cheng等人[12]根据流动形态的不同，将管流的横截面划分为流动区、蠕变区、弹性变形区，据此求解启动过程的流量和压力，但未考虑原油的可压缩性。Davidson等人[13]在采用Chang模型基础上，考虑了原油的可压缩性，但在压力波速处理时采用声速近似。国外学者在进行停输再启动水力研究时，都针对首站恒压的水平管道，并且管道沿线温度按等温或绝热处理。刘天佑[14]对启动压力进行了理论分析，但对压力波速计算和含蜡原油触变性等的处理较粗糙。李才[15]将启动过程中的胶凝原油分为初始屈服段、残余屈服段和屈服裂降段，分别进行计算，但其根据小型环道试验数据回归的压力波速计算公式运用到实际管道上恐有不妥。
2、管道不稳定工作区问题
热油管道在不稳定工作区运行，既不经济，也不安全[16]。管道能否避开非稳定工作区，主要取决于管道运行输量和管路特性临界输量之间的关系。对于具体管道，管路特性临界输量并不是一个固定的数，而是随管道工作状态、原油流变性、地温和土壤热物性等的变化而变化。关于管道运行不稳定工作区问题，国内学者进行了很多研究。张帆[17]、万新强[18]、张秀杰[19]研究了保证低输量管道运行避开不稳定工作区的措施和方法，主要是通过加剂等方式改善原油的流变性，降低凝点。赵明华[20]首次根据可靠性理论对低输量形成的凝管风险进行了研究，但其建立的失效函数z=G一[G](G为管道运行输量，[G]为规范[21]规定的最低输量)，以《原油管道运行技术规范》规定的最低输量为研究基准不尽合理，而应以管路特性临界输量为研究基准。
3、流动安全评价研究新进展
虽然国内外学者对影响含蜡原油管道流动安全的各种问题都进行了研究，但研究不够系统。2005年，含蜡原油管道流动安全评价研究取得了新进展。许康[22]从导致热输含蜡原油流动障碍的原因人手，针对影响流动安全的因素具有随机性的特点，利用Monte-Carlo法对原油粘度、土壤物性、管道埋深和埋深处自然地温等四个影响因素的不确定性进行了模拟，提出了判别运行是否处于管路特性稳定工作区的“管道稳定运行安全指数”和判断停输再启动安全性的“停输再启动安全指数”的概念，并根据管路特性临界输量和凝管概率提出了这两个指数的等级划分方法。综合这两个安全指数，得到了定量描述管道流动安全状态的“管道流动安全指数”。该方法综合考虑了原油物性、管道和环境条件以及这些参数的不确定性对输油管道流动安全性的影响，减小了仅以凝点作为输油温度确定的主要依据所存在的不确定性和风险，系加热输送含蜡原油管道流动安全性评价理论和方法方面的探索与创新，但其安全指数指标等级划分缺乏依据，计算停输再启动安全指数时未考虑原油触变性的影响等问题。
综上所述，由于管道停输再启动压力和管路特性临界输量与管输原油的流变性、管径、地温、土壤热物性、管道工作状态和泵配置等因素有关，因此，含蜡原油管道流动安全状况也与这些因素有关，其中许多因素都具有不确定性。在以往的研究中，这些具有不确定性的量都是作为确定的量来处理的，显而易见，这种确定性的处理方法存在缺陷。为了更加真实的反映含蜡原油管道流动安全状况，采用不确定性分析方法进行含蜡原油管道流动安全评价研究是必然的趋势。
三、不确定性分析方法研究管道流动安全面临的新挑战
将不确定性分析方法(模糊数学、灰色理论等)引人到含蜡原油管道流动安全评价研究，评价结果将改变过去仅以安全或不安全两种形式出现的传统模式(0-1模式)，而以概率形式出现。当评价结果以概率形式出现时，就需要研究安全评价的标准问题，即失效概率多大时才能认为管输方案是可以接受和安全的。而影响因素不确定性描述将直接影响管道流动安全评价结果的准确性，甚至改变评价结论。因此，使用不确定性分析方法进行含蜡原油管道流动安全研究将面临以下新挑战。
1、影响因素不确定性的描述
影响含蜡原油管道流动安全性的许多因素都具有不确定性。例如，原油是一种多组分的复杂混合物，对原油流变性影响最大的三个组分(蜡、胶质和沥青质)在化学上都是一类物质的集合，组成成分具有随机性，例如，来自不同区块、层位的原油混合不均匀等都将导致原油组成成分的不确定性。含蜡原油的流变性复杂，不仅与含蜡原油组成成分有关，还与其经历的热历史、剪切历史有关，而对于某段含蜡原油，其经历的历史作用一直在变化。含蜡原油的物性和流变性受温度影响很大，而管内油温计算同样要受到许多不确定因素的影响，例如管道输量、原油物性和流变性等。以管外土壤热物性参数导热系数为例，土壤的导热系数取决于土壤的种类及土壤的孔隙度、温度、含水量等因素，而这些因素随季节和空间位置的变化是不确定的。另外，降雨、下雪以及土壤温度的昼夜及季节的波动等气象因素也会影响土壤导热系数，所以土壤导热系数具有不确定性。含蜡原油管道流动安全影响因素不确定性描述的准确性，将影响含蜡原油管道流动安全评价结果。但是，这些因素种类繁多，很多因素的变化规律都不确定，并且部分因素之间还存在复杂的影响关系，要实现对这些因素不确定性的准确描述非常困难，因此，影响因素不确定性的描述是不确定性分析方法研究含蜡原油管道流动安全面临的一个新挑战。
2、凝管风险可接受标准的确定
含蜡原油管道流动安全评价的最终目的是确定原油管道输送方案中的管道流动安全性是否符合国家、社会和公司的要求，这就需要确定一个衡量管道安全、判断管道流动风险是否可以被接受的标准，从而确定管输方案是否需要调整以降低管道运行风险。目前，国外关于管道风险可接受标准一般分为个人风险可接受标准和社会风险可接受标准。国外是根据事故统计数据来确定风险可接受标准的[23]其可接受标准代表了国外管道事故的统计水平，但只适合国外管道的安全评价，并不适合于国内管道行业，更不适合于含蜡原油管道流动的安全评价。凝管是含蜡原油流动安全评价的核心，其风险可接受标准的确定对含蜡原油管道流动安全评价具有重要意义。而国外不但缺乏这样的可接受标准，也缺乏凝管的统计数据。我国多次发生过凝管(或初凝)事故，但缺乏详细公开的事故统计数据，这就不能用国外的标准来确定凝管的风险可接受标准，所以，需要研究并制定凝管风险可接受标准的方法。由于影响风险可接受标准确定的因素很多，因此凝管风险可接受标准的确定将十分困难。
四、含蜡原油管道流动安全评价的研究方向
1、管道流动安全的安全标准研究
将不确定性分析方法引人含蜡原油管道流动安全评价，需要按照管道流动安全的标准来判定管输方案的流动安全状况。目前，国内外并没有可供利用的标准，而要实现含蜡原油管道流动安全评价，流动安全的安全标准必不可少。因此，有必要开展管道流动安全的安全标准研究。
2、含蜡原油流变性研究
虽然含蜡原油流变性的研究已经取得了丰硕成果，但对含蜡原油流变性机理的认识还较肤浅，对流变特性规律的认识，还主要停留在定性的水平上[24]。例如，含蜡原油触变性受剪切历史和热历史的影响，但目前还没有一个理想的能够描述包含剪切历史与热历史效应的含蜡原油触变模型。屈服应力的测量方法很多，而日各种方法测试的结果差异较大，但并没有公认的适合于停输再启动压力计算的屈服应力测定方法。含蜡原油流变性是进行管道流动安全评价的基础，因此，需要加强含蜡原油流变性研究。例如，可以着重研究不同剪切条件、不同温降条件(动态温降和静态温降条件)对原油屈服应力和触变性的影响，建立包含热历史与剪切历史效应的触变性模型和屈服应力计算模型。
3、重要影响因素不确定性研究
使用不确定性分析方法研究管道流动安全评价时，影响因素不确定性描述的准确性对评价结果具有重要影响。目前，影响因素不确定研究并没有得到足够重视，影响管道流动安全的因素很多，不必对每个影响因素的不确定都进行研究，而应有针对性地研究重要影响因素的不确定性特点，掌握其变化规律。
4、含蜡原油管道停输再启动安全评价方法研究
现行的安全评价方法，仅根据再启动压力是否大于管道最大允许操作压力来评价管道再启动的安全性。而管道停输再启动的安全性不仅与此有关，还与停输再启动后管道流量能否在有限时间内达到稳定有关。因为管道停输再启动的危险情况既有可能出现在管道启动初始阶段，也有可能出现在启动后到稳定运行的过程中，这在某些热油管道停输再启动故障中都有体现[25,26]。现有评价方法的评价结果并不一定能够完全反映客观安全性，需要继续研究停输再启动安全评价方法。
5、凝管损失计算模型研究
风险是事故发生的可能性与管道事故造成的后果的严重程度的综合度量。目前含蜡原油管道流动安全评价的研究成果仅就凝管概率进行了定量化研究，而未对凝管损失进行研究。实际上，对于不同管道或者同一管道不同地区的管段，发生凝管事故的损失并不相同。因此，应该研究凝管损失计算模型，以便更好地实现含蜡原油管道流动安全评价。
五、结束语
我国所产原油大多为含蜡原油。近十年来，国外含蜡原油的开采量逐渐增大，特别是深海石油的开发，使含蜡原油管道的安全经济输送问题成为国际上研究的热点，同时也凸显含蜡原油管道流动安全评价的重要意义。我国在含蜡原油管道流动安全评价方法研究中取得了一些进展，但仍存在等级划分标准缺乏依据、评价结果不稳定和使用范围有限等问题。因此，需要加强安全等级划分标准、停输再启动安全评价方法和含蜡原油流变性研究等的研究，以便更加准确、合理地开展含蜡原油管道流动安全评价，更好地实现含蜡原油的安全经济输送。
参考文献（略）
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