CC BY
184
УДК 621.31
А.И. ОРЛОВ, И И. ПОПОВ, И.П. ЗЕЛДИ, С.М. ОБУХОВ
ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ ДЕМОНТИРОВАННЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДНЫХ ТРУБ ОТ ОТЛОЖЕНИЙ ПАРАФИНА
Ключевые слова: индукционный нагрев, зональное плавление, очистка трубопроводов, парафин. Исследован метод очистки демонтированных нефтегазопроводных труб от отложений парафина, основанный на зональном плавлении слоя асфальто-смолистых и парафиновых отложений вследствие индукционного нагрева. В основу исследования положены методы математического моделирования теплофизических процессов, происходящих в слое отложений при индукционном нагреве материала трубопровода. Предложен критерий безопасности метода и критерий оптимизации по энергетической эффективности.
A.I. ORLOV, I.I. POPOV, I.P. ZELDI, S.M. OBUHOV ELECTROINDUCTION METHOD OF CLEARING OF UNMOUNTED OIL-GAS PIPES FROM PARAFFIN ACCUMULATION Key words: induction heating, zone fusion, cleaning of pipelines, paraffin.
Work is devoted to research of an method of cleaning of unmounted oil-gas pipes from the paraffin accumulation, based on zone fusion of a layer of asfalto-resinous and paraffin accumulation owing to induction heating. Methods of mathematical modeling of thermalphysic processes occurring in a layer of deposition at induction heating of a material of the pipeline are put in a research basis. The criterion of safety of a method and criterion of optimization by power efficiency is offered.
Введение. Большие затруднения и потери в процессе эксплуатации трубопроводов происходят из-за образования на поверхности стальных труб твердых асфальто-смолистых и парафиновых отложений (АСПО). Они состоят из смеси аморфных твердых углеродов плотностью 777-900 кг/м3 с формулой от С18Н38 до С35Н72, собственно парафинов, из церезитов (от С37Н76 до С35Н108), асфальтосмолистых веществ, минеральных примесей (мелкий песок, глина, соли и др.) и воды. Переход компонентов парафина из растворенного в коллоидное состояние и осаждение на внутренней поверхности нефтегазопроводных труб происходит непрерывно, особенно при низких температурах в районах вечной мерзлоты. Толщина отложений АСПО может достигать половины диаметра трубы (полная закупорка) [2]. Демонтированные для очистки участки труб магистральных трубопроводов имеют длину 10-20 м, диаметр 325-1220 мм, толщину стенки до 45 мм (СП 34-101-98). Их очистка является непростой задачей, однако повторное использование таких труб после тщательной очистки поверхности и нанесения изоляционного покрытия является экономически выгодным.
В настоящее время проблема очистки демонтированных участков магистральных трубопроводов от АСПО решается механическими и химическими методами. Для механического дробления используют очистные скребки, поршни. Применяются абразивоструйный способ, обработка перегретым паром с последующей механической зачисткой. Механические способы очистки требуют больших трудозатрат и времени. Химические методы удаления АС-ПО со стенок трубопроводов предполагают использование специальных растворителей, обладающих разрыхляющим и диспергирующим действием (олефины, гексан, нефрас и т.д.). Трудность очистки труб химическими веще-
ствами связана с тем, что АСПО инертны к большинству химических реагентов, окислительные реакции с ним требуют высокой температуры. Существующие химические реагенты высокотоксичны для персонала и опасны для экологии: относятся 1- и 2-му классам опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83).
Описание предлагаемого метода. Предлагается принципиально новый метод, основанный на зональном (пристеночном), посекционном плавлении слоя парафина без необходимости сплавления всей парафиновой пробки. Нагрев производится индуктором последовательно вдоль всей длины трубы по участкам (рис. 1). Для разогрева каждого участка трубы предусмотрена отдельная секция индукционного нагревателя. Труба располагается под углом 10-15° к горизонтальной поверхности. В начальный момент времени включается первая секция нагревателя с нижнего конца наклонённой трубы: оплавляется и свободно стекает прилегающий слой парафина, оставляя воздушную прослойку или парафин в жидкой фазе. Затем включается секция нагревателя для соседнего участка трубы: оплавляется и частично стекает следующий слой и т.д. При включении новой секции нагревателя предыдущие остаются включенными в режиме слабого подогрева, чтобы предотвратить застывание парафина. После включения последней секции нагревателя вся парафиновая пробка свободно или с небольшим усилием выскальзывает из трубы. Во время всего процесса необходимо контролировать температуру нагреваемой трубы, не допуская её превышения 350 °С (парообразование парафина).
Принципиальная возможность реализации метода основана на различии теплофизических свойств материала трубопровода и отложений: коэффициент температуропроводности АСПО, апар = 135,972 • 10-9 м2/с , значительно ниже коэффициента температуропроводности материала трубопровода, аСт = 14,695 -10-6 м7с [2].
Критерий безопасности метода. Равномерное нагревание вдоль всей длины трубы ведёт к разогреву прилегающих слоёв АСПО, вызывающему увеличение давления. Отсутствие путей выхода избытков вещества может привести к разрыву трубы или к иным повреждениям.
Максимальная длина участка трубы, 1б, при которой возможен безопасный нагрев, определяется свойствами АСПО и динамикой нагрева:
К ± 1б, (1)
где 1С - длина одной секции.
Пример расчёта нагревательной установки. В качестве примера рассмотрим индукционную нагревательную установку и найдём температурное поле в трубе и (г, t) в цилиндрических координатах с внутренним диаметром Бтр = 1020 мм, толщиной стенки АОтр = 20 мм . Внешний диаметр трубы Арвн = Dтр +ЛОтр = 1060 мм . Труба закупорена парафиновой пробкой с толщиной АО = 100 мм. Сечение показано на рис. 1. Длина отрезка трубы I = 10 м . Расчётное время очистки tо = 1 ч. Примем максимальную длину секции 1б = 2 м . Количество секций пс = 5 . Длина секции 1с = !тр1 пс = 2 м.
Время на обработку одной секции ^ = t0|пс = 720 с . Индукционный нагрев осуществляется от источника с промышленной частотой / = 50 Гц .
Рис. 1. Сечение закупоренной трубы.
Схема установки для очистки нефтяных труб от парафина
При индукционном нагреве стальных изделий глубина проникновения тока (в которой выделяется 86,5% мощности) составляет при температурах ^-50...150°С:
Д =
2Р с.
с.Ст
= 1,623 мм,
(2)
где р сСт = 1,37 -10- Ом • м - удельное электрическое сопротивление стали; ю = 2п/ = 314,159 рад/с - угловая частота электромагнитного поля; ц0 - магнитная проницаемость вакуума; цСт=250 - относительная магнитная проницаемость стали [4, 5]. Так как глубина проникновения тока очень мала по сравнению с толщиной стенки трубы, будем считать заданным поверхностный тепловой поток источника (ГУ-2) при г0 = —= 530 мм :
2
ди
дг
(3)
где #тепл - функция плотности теплового потока от времени через цилиндриче-
скую поверхность. В общем случае ятепл =
-^ист , где & • -А —
2
■ = Рш
- тепловой
поток от источника, Вт; А = п—трвн 1с = 6,66 м - площадь поверхности участка трубы. Зададим постоянную мощность источника от времени рист = 70 кВт.
Согласно дифференциальному уравнению теплопроводности без внутренних источников теплоты для АСПО и материала трубопровода (стали) соответственно:
ди =
~ді ~а пар
ґ д2 и + 1 ди ^ ди
дг2 г дг
у
дг
= а1
Ст
д2 и + 1 ди дг2 г дг
(4)
Допустим, что температура в начальный момент распределена равномерно в обеих средах
и (г ,0) = 00 С. (5)
Температура окружающей среды постоянна и равна 0°С. При
—т
г2 = —2^^-А—пар = 410мм зададим свободный теплообмен парафина с окружающей средой (ГУ-3):
-X
пар
^ =а п_в (и|г2 - и окр ),
(6)
где ап_в = 5Вт/(м2 • К) - коэффициент теплоотдачи между парафином и окружающей средой (воздухом); и окр = 0 ° С - температура окружающей среды. На границе сред «сталь-парафин» зададим равные тепловые потоки
(ГУ-4):
(7)
В результате совместного решения уравнений теплопроводности (4) с начальными условиями (5) и граничными условиями (3), (5) и (7) получим распределение температуры по толщине трубы во времени, показанное на рис. 2 [1, 3, 6].
и, °С
г, м
Рис. 2. Распределение температуры трубы в различные моменты времени
Полная энергия, кВт-ч, затрачиваемая на нагрев, определяется по формуле (8):
1 г°
бсекц = 3600 -103 { Рист^. (8)
При включении следующей секции мощность, подводимую к предыдущей, следует уменьшить до уровня потерь теплоты, чтобы не допустить застывания АСПО.
Критерий энергетической эффективности метода. Анализ температурных полей и (г, ^) показал, что глубина прогрева АСПО до температуры плавления 65 °С, 5пл, м, при заданной удельной энергии индукционного нагревателя, ес, Дж/м2, прикладываемой к каждой секции поочерёдно, нелинейно зависит от времени работы секции, ^, с, как показано на рис. 3. Здесь кривые 1.1, 1.2, 1.3 показывают глубину прогрева до температуры плавления, 5Ш, м, кривые 2.1, 2.2, 2.3 - удельные мощности источника, рист, Вт/м , при значениях удельной энергии 10,5; 9,5 и 8,4 кДж/м2 соответственно. Функция 5Ш = / ) для заданной удельной энергии, ес, Дж/м2, имеет максимум при
определённом значении времени работы секции, ^с0, с.
точника, рист, Вт/м2, в зависимости от времени нагрева участка трубы, гс, с, при различной удельной энергии: 1.1 и 2.1 - 10,5 кДж/м2; 1.2 и 2.2 - 9,5 кДж/м2; 1.3 и 2.3 - 8,4 кДж/м2.
Критерий энергетической эффективности метода состоит в том, что выбор числа секций нагревателя пс и времени обработки трубы так, чтобы время работы секции равнялось ^ 0, позволит наиболее эффективно использовать доступную энергию нагревателя.
В рассматриваемом примере невозможно оптимизировать индукционный нагреватель по критерию эффективности использования энергии (рис. 3), поскольку величина ^с 0 многократно превышает расчётное время работы секции, ^с, и обработки всей трубы, ^. Это привело бы к увеличению длины обрабатываемого участка трубы, сокращению количества секций до пс = 1 в ре-
зультате недопустимого возрастания времени обработки трубы to. Поэтому минимальное количество секций определяется по критерию безопасности (1).
Выводы. Предложен электротехнологический метод очистки демонтированных нефтегазопроводных труб, основанный на зональном плавлении слоя асфальто-смолистых и парафиновых отложений вследствие индукционного нагрева демонтированного участка трубопровода. Сформулированы критерий безопасности данного метода и критерий оптимизации по энергетической эффективности. Предложенный метод экологически безопасен, позволяет минимизировать энерго- и трудозатраты, сократить количество обслуживающего персонала. Его реализация упростит автоматическое регулирование и контроль процесса очистки.
Литература
1. Годунов С.К. Разностные схемы / С.К. Горбунов, В.С. Рябеньский. М.: Наука, 1977. 439 с.
2. Григорьев Б.А. Теплофизические свойства нефти, нефтепродуктов, газовых конденсатов и их фракций / Б.А. Григорьев, Г.Ф. Богатов, А.А. Герасимов; под ред. Б.А. Григорьева. М.: Изд-во МЭИ, 1999. 372 с.
3. Коновалов В.И. Методы решения задач тепломассопереноса. Теплопроводность и диффузия в неподвижной среде / В.И. Коновалов, А.Н. Пахомов, Н.Ц. Гатапова, А.Н. Колиух. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 80 с.
4. Слухоцкий А.Е. Индукторы /А.Е. Слухоцский. Л.: Машиностроение, 1989. 69 с.
5. Слухоцский А.Е. Установки индукционного нагрева / А.Е. Слухоцский, В.С. Ненков, Н.А. Павлов, А.В. Бамунер; под ред. А.Е. Слухоцкого. Л.: Энергоиздат, 1981. 328 с.
6. Тихонов А.Н. Уравнения математической физики / А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. М.: Наука, 1999. 799 с.
7. Фомин Н.И. Электрические печи и установки индукционного нагрева / Н.И. Фомин, Л.М. Затуловский. М. : Металлургия, 1989. 247 с.
ОРЛОВ АЛЕКСАНДР ИГОРЕВИЧ - аспирант и преподаватель кафедры электромеханики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (karlorlov@gmail.com).
ORLOV ALEXANDR IGOREVICH - post-graduate student and tutor of Electromecan-ics Chair, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
ПОПОВ ИВАН ИВАНОВИЧ - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой электромеханики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (popov@marsu.ru).
POPOV IVAN IVANOVICH - doctor of physical and mathematical sciences, professor, head of Electromecanics Chair, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
ЗЕЛДИ ИВАН ПЕТРОВИЧ - кандидат биологических наук, доцент кафедры биохимии и физиологии, Марийский государственный универсистет, Россия, Йошкар-Ола (popov@marsu.ru).
ZELDI IVAN PETROVICH - candidate of biological science, assistant professor of Biochemistry and Physiology Chair, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
ОБУХОВ СЕРГЕЙ МИХАИЛОВИЧ - заместитель директора, инновационное предприятие ООО «Орол», Россия, Йошкар-Ола (popov@marsu.ru).
OBUHOV SERGEY MIHAILOVICH - deputy director, innovative business Open Company «Orol», Russia, Yoshkar-Ola.
