第28卷第1期 油　气　储　运实验研究成品油管道应用减阻剂研究戴福俊3(中国石化销售有限公司华南分公司) 鲍旭晨　张志恒　李春漫　刘　兵　徐海红(中国石油管道研究中心)戴福俊　鲍旭晨等:成品油管道应用减阻剂研究,油气储运,2009,28(1)19～23。

摘　要　依据减阻剂减阻机理、室内试验及现场应用情况,确定了减阻剂应用效果、管道流态和减阻剂结构必须具备的三个条件,给出了提高减阻率或增输率的方法。

分析了减阻剂对成品油品质的影响,提出了实现减阻增输和水力越站时应注意的事项。

主题词　成品油 管道 减阻剂 减阻 效果 分析 应用一、前　言 近年来,我国的成品油管道建设取得了飞速发展,已建成的长距离成品油管道约7000km ,计有兰成渝管道(长为1247km )、乌兰管道(长为1842km )、珠三角(总长为2890km )以及西南管道等。

“十一五”期间,我国预计新建成品油管道约10000km ,新增输油能力约8400×104t/a ,将逐渐形成成品油管道运输网络。

因此,保障成品油管道安全、高效运行非常重要。

减阻剂是一种超高分子量(>106)的单长链聚合物,在湍流液体管道中只需注入微量减阻剂,便可获得明显的减阻增输效果,经济效益可观。

减阻剂减阻技术具有简便、安全、灵活和成本低的特点。

油品管道应用减阻剂已有近30年的历史。

1979年美国CONOCO 公司首次成功地在横贯阿拉斯加的原油管道上应用了减阻剂。

1986年我国第一次在铁大线上进行了减阻剂应用现场试验,此后在多条管道上应用,减阻增输效果明显。

但是,减阻剂在成品油管道上应用较少,至今仅在西南和兰成渝等管道上进行了现场试验。

二、减阻剂应用效果分析 (1)降低新建管道的固定投资。

由于减阻剂可在保持输量不变的条件下明显降低沿程摩擦阻力,因此在保证设计输量的前提下可以降低输油泵规模,减小管径或壁厚。

(2)提高在役管道的输油量。

在管段两端压差不变的情况下,注入减阻剂可以提高输量。

对于单泵站输油管道,只需在出站口注入减阻剂;对于多泵站输油管道,由于各站段的最大可行输量不同(由各站段的最高出站压力和最低进站压力所决定),因此存在最大可行输量最低的站段,称为“瓶颈段”,“瓶颈段”的最大可行输量就是全线的最大可行输量。

若在“瓶颈段”注入减阻剂提高输量,则全线最大可行输量也将得到提高。

但此时又存在新的“瓶颈段”,若想继续提高输量,则应在新的“瓶颈段”处注入减阻剂。

(3)确保已腐蚀管道的安全运行。

埋地管道受周围土壤和管内油品中腐蚀性物质的影响,管壁内外表面都会受到腐蚀,使管壁变薄,耐压能力下降。

注入减阻剂后,既可以维持原输量,又可使出站压力明显降低,从而保障管道运行安全。

(4)避免在自然条件恶劣地区建泵站。

长输管道沿途会经过沙漠、沼泽、高山、严寒等自然条件恶劣的地区。

从交通、生产、安全和生活等方面考虑,在这些地区应尽量不建或少建输油泵站。

应用减阻剂可以明显降低沿程摩阻,因而在输量和出站压力不变的情况下能够延长站间距,并合理调整管道参数,可以达到在某一区域不建或少建泵站的目的。

(5)满足油泵轮换维修和连续输油的需要。

一个输油站通常为多台油泵同时运行,应用减阻剂可以减少运行泵的数量,增加备用泵数量,避免出现因泵故障而停输的危险。

　3511455,广东省广州市南沙区黄阁镇小虎大道小虎油库;电话:(020)39916188。

・91・三、减阻剂应用条件 虽然油品管道注入减阻剂可以获得明显的减阻增输效果,但是若减阻剂结构和管流状态不满足要求,将会降低减阻效果,甚至产生增阻现象。

因此,需要依据减阻机理和实用情况,找出应用减阻剂时必须具备的条件。

目前对减阻剂减阻现象有多种解释,文献[1]提出的减阻机理可以解释至今所有的试验现象,其基本要点如下。

当壁面切应力足够大时,摩擦切应力会拉长流体边界层中减阻剂分子长链,使其转动、定向在管轴方向,并具有一定的弹性。

若线度远小于分子长链的流体漩涡或径向脉动流体微团与分子长链相碰,则分子长链会发生弹性形变,抑制流体径向脉动速度,并将流体脉动能转化为分子长链弹性势能,而后随着弹性形变恢复,弹性势能又转变成流体动能,减少了能耗。

流体径向脉动速度的减小导致流体边界层中时均速度梯度增加,并引起管道中每一点的时均速度增大,使管道流体平均速度或输量增加。

由此可知,若要使减阻剂在流体管道中具有减阻增输作用,则管道流态和减阻剂结构必须具备以下三个条件。

(1)减阻剂分子是单长链结构,其长度远大于流体漩涡或脉动流体微团的尺寸,否则两者相撞时分子长链不会发生弹性形变,而只会平动,不能减小流体脉动速度。

文献[2]通过测量不同摩尔质量(摩尔质量与分子链长度成比例)减阻剂的减阻效果后指出,减阻剂的摩尔质量必须大于106才有减阻作用。

(2)管道流体中必须存在流体漩涡或流体脉动,即管道流体必须处于湍流状态。

(3)流体边界层中存在合适的摩擦切应力,摩擦切应力太小不足以拉长和定向减阻剂分子长链,太大又可能会“拉断”减阻剂分子长链,多次拉断后会使其摩尔质量小于106。

上述三个条件必须同时满足,只要一个条件不满足,则减阻剂在流体管道中就没有减阻作用。

四、提高减阻剂减阻作用的方法 在减阻剂摩尔质量大于106和管道流体处于湍流的情况下,减阻剂是否有减阻效果和减阻率大小主要取决于流体边界层中摩擦切应力的大小和分布情况。

由于管道流体中任一点的摩擦切应力都是与壁面切应力成正比,而且随着该点距管轴距离的增加而增大〔1〕,因此壁面切应力是流体边界层中最大的摩擦切应力,壁面切应力的变化规律可以反映流体边界层中摩擦切应力的变化规律。

由流体力学基本知识可知〔3〕,对于任何流体管道,由于τo=u23ρ,u≈20u3和Re=uDv,因此得到:τo≈Re2vμ400D2(1)式中　τo———壁面切应力,流体边界层中或管道截面上最大的摩擦切应力,Pa; v———流体运动粘度,m2/s; μ———流体动力粘度,Pa・s; D———管子内径,m; Re———雷诺数; u———管道流体平均速度,m/s; u3———切应力速度,m/s; ρ———流体密度,kg/m3。

式(1)表明,τo是个多变量函数,随着Re2、v和μ的增加而增大,又随着D2的增加而减小,因此研究τo随某一参量变化的规律时,必须保持其它参量不变。

设壁面切应力的合理范围为τo min<τo<τo max,当τo<τo min时,摩擦切应力太小,不足以定向减阻剂分子长链,无减阻作用;当τo>τo max时,高速剪切开始使减阻剂分子降解,逐渐失去减阻作用。

若某一条管道中流体的物性不变,则存在与τo min、τo max相应的最低临界雷诺数Re min和最高临界雷诺数Re max。

在Re min<Re<Re max范围内,减阻率随Re的增加而增大;当Re>Re max时,减阻剂分子被高速剪切而降解,减阻率出现拐点并逐渐下降。

由于稳定湍流的起始雷诺数为4000,因此当Re min <Re<4000时,虽然流体边界层中摩擦切应力可把减阻剂分子长链定向在管轴方向,但是由于流体脉动或漩涡不一定存在,因此不一定产生减阻作用,最低临界雷诺数应是4000而不是Re min。

如果Re min >4000,则能够产生减阻作用的最低临界雷诺数就是Re min。

因此,当管输流体物性不变时,提高减阻率的方法就是增加输量即增大雷诺数,一旦减阻率不再提高,表明雷诺数已达到最高临界雷诺数Re max。

减阻率随雷诺数增大而提高的现象,已在室内试验和油品管道减阻增输试验中得到验证。

当然,增加减阻剂注入量或换用摩尔质量更大的抗剪・2・油　气　储　运 2009年　切性能更好的减阻剂,同样是提高减阻效果的有效方法〔4、5〕。

若管输油品物性发生变化,则临界雷诺数Re min和Re max 也发生变化。

例如用原油管道改输成品油时,如果成品油粘度是原油粘度的1/N ,则临界雷诺数Re min 和Re max 将增大N 倍。

在新的临界雷诺数范围内,增加输量才会提高减阻率。

当利用小管径室内环道模拟大管径工业管道时,若管径相差N 倍且油品物性相同,则室内环道测试的减阻率相当于雷诺数放大N 倍后工业管道的减阻率。

由于式(1)是近似的,因此得出的结论也是近似值。

五、减阻剂对成品油品质的影响 目前采用的减阻剂产品都是水基、醇基或油基减阻剂,是在经过超低温粉碎的本体聚合物中添加固体分散剂、增稠剂、表面活性剂等化学物质后再经过高速搅拌得到的浆状悬浮液。

由于原油成分非常复杂,除碳、氢外还含有少量氧、硫、氮等其它元素,既含有液态低烃类物质,又含有胶质、沥青质和石蜡等重烃类物质,因此加入少量减阻剂对原油品质没有明显影响。

但是,成品油是由低分子量的轻烃组成,且干净无杂质,而减阻剂是超高分子量烃类,并含有其它化学成分,因此,注入减阻剂可能对成品油品质产生影响,在应用前应对其影响作出评估。

首先检测不同加剂浓度的成品油的品质。

任何成品油的品质参量都存在合格范围,且在出厂时都有一定的富余量。

由于减阻剂注入量极小,因此加剂油品的质量虽然会降低,但当加剂量小于某一临界值时可能仍然满足要求使用,只要管道油品中加剂量小于该临界值即可应用。

减阻剂分子长链中仅含碳、氢两种元素,与成品油为同族烃类物质,应用前将含剂油品经过一定时间的泵剪切使其降解,对成品油质量的影响会明显降低。

在减阻剂产品的后处理过程中,需要添加固体分散剂、增稠剂和表面活性剂等化学物质。

在用于成品油管道的减阻剂产品中,应避免添加对成品油性质有影响的化学成分。

中国石油管道研究中心已研制出成品油减阻剂,并在兰成渝、西南和抚鲅等成品油管道上进行了现场试验和应用。

六、减阻剂注入及其效能分析 1、　减阻剂注入系统原油或成品油管道其减阻剂注入系统是相似的。

图1是中国石油管道研究中心研制的减阻剂注入系统的工艺流程图。

利用倒料泵将减阻剂从包装容器送进搅拌储罐中,通过搅拌使其保持流动性和均匀性。

打开出料阀使减阻剂进入喂料泵,为注入主泵提高足够的吸入压力。

利用流量计记录和确定减阻剂的实际注入速率和累计注入量。

图1　成品油减阻剂注入工艺流程图 2、　减阻剂注入点减阻机理指出,减阻剂分子长链必须远大于脉动流体微团的尺寸才具有减阻作用;试验数据表明,减阻剂分子摩尔质量大于106才具有减阻效果,且摩尔质量越大,减阻率越高。

因此,保证减阻剂在应用过程中不降解是保持减阻效果的关键,高速剪切・12・第28卷第1期 戴福俊等:成品油管道应用减阻剂研究 是减阻剂分子降解的主要原因。

由于流体边界层(固体表面附近)是剪切速率(速度梯度)最大的区域,因此在输油管道系统中,最强烈的剪切发生在离心泵的叶片表面和过滤器的栅网附近;其次是管壁发生局部形变的地方,例如阀门、弯头、变径管等;再次是直管段的壁面附近。