劉 振，王麗玲

（中國石油大學(xué)（北京）， 北京102249）

對勝利油田冬辛采油廠的廣利油田、現(xiàn)河采油廠的王家崗油田調(diào)研發(fā)現(xiàn)，硫酸鋇結(jié)垢腐蝕主要發(fā)生在集輸管線和計(jì)量站上。調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，從油井到計(jì)量站的管線上結(jié)垢不如在集輸管線上結(jié)垢嚴(yán)重，原因是不配伍的兩種地層水混合會使集輸管線大量結(jié)垢。我國目前大多數(shù)油田處于開采后期，具有液量大，含水高的特點(diǎn)。含有Ba2+、Ca2+、Mg2+、、的兩種產(chǎn)出液混合后，其結(jié)垢量大，結(jié)垢速度快，導(dǎo)致計(jì)量站堵死集輸管線穿孔，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，并嚴(yán)重影響原油安全生產(chǎn)。如東辛采油廠廣利油田，廣6輸油站混輸管線，生成硫酸鋇、硫酸鍶結(jié)垢產(chǎn)物，對管線堵塞嚴(yán)重，在2001年6月份換新管線，到9月份混輸管線回壓已升至1.3 MPa，不得不再次更換新管線。

1 超聲波除垢研究現(xiàn)狀

1.1 國外超聲波技術(shù)應(yīng)用情況[1]

國外對超聲波技術(shù)研究起步較早，在油田防垢和除垢方面，美國和前蘇聯(lián)最早運(yùn)用超聲波技術(shù)并取得較好的效果。美國曾在德克薩斯州，對240 km2范圍內(nèi)的 21口油井進(jìn)行了超聲波輻照防垢除垢實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果，輻照后油井原油產(chǎn)量也得到了提升，是未使用超聲波輻照產(chǎn)量的7.75倍。

前蘇聯(lián)達(dá)格斯坦蘇阿姆斯庫地區(qū)油田水硬度為595 mg/L，地面鹽垢的沉積速度達(dá)1 mm/d，使直徑為102 mm的管線經(jīng)常在2～3個月內(nèi)就會被堵死。1977年，前蘇聯(lián)在該地區(qū)進(jìn)行超聲波防垢試驗(yàn)后，輸送管線運(yùn)行情況得到改善。前蘇聯(lián)下瓦爾托夫油氣聯(lián)合局也進(jìn)行過機(jī)械式超聲輻射防垢除垢實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前泵周期64 d，使用后周期延長到170～250 d。

俄羅斯蘇哈庫姆區(qū)的多井計(jì)量裝置，由于當(dāng)?shù)氐貙铀V化度大，水的硬度高，結(jié)垢速度可達(dá) 1 mm/d，2～3個月后就能使管子完全堵死。使用超聲波除防垢技術(shù)后，無須將堵死管道換新，也不會影響油田生產(chǎn)，從而每年節(jié)約3.8萬盧布，且該技術(shù)非常安全可靠。

俄羅斯 Bochkarev等就用于大型熱交換設(shè)備的超聲波防垢產(chǎn)品進(jìn)行介紹。2000年，波蘭科學(xué)家Listewnik.J等人曾提出，俄羅斯生產(chǎn)的超聲波除防垢產(chǎn)品也可運(yùn)用于波蘭。德國Schmucke等人提出，脈沖超聲波在鍋爐上可以有效防垢。

1.2 國內(nèi)超聲波除垢技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國就超聲波除垢與防垢技術(shù)的科研價值及應(yīng)用前景進(jìn)行不少的研究。

陳先慶將 UPP超聲波介質(zhì)處理器應(yīng)用于四川石油局川西南礦43號站的污水回注管線，進(jìn)行除垢與防垢實(shí)驗(yàn)。其回注水礦化度約為200 mg/L，通常會使直徑為φ105 mm的輸水管堵死。在使用超聲波除防垢設(shè)備的情況下，泵壓明顯降低，經(jīng)過超聲波處理后，管線在輸送污水過程中管內(nèi)無塊狀垢形成，其原有的積垢也逐漸消失。

在孤島油田墾利聯(lián)合站長距離輸液管線中的流體，礦化度高，達(dá)6 000 mg/L，結(jié)垢明顯。張錫波等利用超聲波技術(shù)對長距離輸液管線進(jìn)行了為期一個月的超聲波防垢作業(yè)，壓力可降至2.36 MPa，管道內(nèi)壁、濾板、泵等設(shè)施結(jié)垢量下降。

中國石化金陵分公司的孫曉霞等將超聲波除垢技術(shù)應(yīng)用于重油催化裂化裝置油漿循環(huán)系統(tǒng)換熱設(shè)備，并進(jìn)行試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)應(yīng)用超聲波技術(shù)能夠滿足在線運(yùn)行的工況要求，除垢與防垢效果非常好。

超聲波技術(shù)作為一種極具潛力的技術(shù)，具有作用時間短、投入少、見效快、對環(huán)境和管線無污染等特點(diǎn)已展現(xiàn)了良好的前景，只要對其作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，并在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)及工藝具體參數(shù)的選擇，超聲波油田防垢處理技術(shù)必將取得較好的效果。

2 超聲波除垢機(jī)理[2,3]

2.1 空化效應(yīng)

向管道內(nèi)流體發(fā)射超聲波時，由于空穴效應(yīng)，流體內(nèi)部將產(chǎn)生大量的空穴和氣泡，這些空穴和氣泡在外聲場的作用下發(fā)生振蕩、生長、收縮及坍塌，從而當(dāng)它們破裂時，液體內(nèi)部會產(chǎn)生強(qiáng)大的局部壓力和瞬間高溫。在這種效應(yīng)下，局部壓力可以達(dá)到數(shù)百至上千大氣壓，空化泡破裂時，以氣泡為中心向周圍發(fā)射沖擊波，產(chǎn)生很大的沖擊力，從而將垢層擊碎，并形成大量孤立分散的小顆粒，管壁上的垢便被清除下來并懸浮于液體介質(zhì)中，還能使不同介質(zhì)的分子之間相互滲透，不易聚集、沉淀。

2.2 活化效應(yīng)

超聲波在液體介質(zhì)中的空化作用可以產(chǎn)生一定的效應(yīng)，使液體狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、組分和功能發(fā)生一定的變化，例如可以使水分子分解為H+和OH-離子。其中，OH-能和諸如Ca2+、Mg-等成垢離子反應(yīng)形成配合物 CaOH+、MgOH+，增加水的溶解能力，其溶垢能力便相對提高。超聲場作用下的溶液能夠產(chǎn)生大量自由基，自由基與垢的晶核發(fā)生作用下，不能生成沉淀離子，晶格也停止生長，從而阻止了垢的形成。另外，超聲波能提高液體和成垢物質(zhì)的活性，活化效應(yīng)能提高流體和成垢物質(zhì)的活性，提高垢的溶解能力，從而破壞垢的生成條件和管壁上積垢的條件，因此成垢物質(zhì)在液體中形成分散沉積體而不至于在管壁上形成垢[4]。

2.3 機(jī)械剪切效應(yīng)

由于超聲波輻射在液體介質(zhì)、垢層、管壁的吸收和傳播速度不同，速度便產(chǎn)生一定的差值，于是垢層和管道內(nèi)壁的界面處便形成相對剪切力，使兩者間的結(jié)合力減弱，因而垢物不易在管道內(nèi)壁上沉積、積塊。超聲波在介質(zhì)中傳播時，周圍介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)也隨之振動，當(dāng)超聲波振蕩器發(fā)生的振蕩信號使管內(nèi)壁上的垢層發(fā)生共振時，可使垢物逐漸從管壁上脫落。另外，超聲波的高頻振動以及輻射壓力可以在流體中形成攪動與流動，從而降低液體表面張力和摩擦力，垢晶體便無法在管道壁上沉積[5]。

2.4 抑制效應(yīng)

在超聲波聲場的作用下，液體物理化學(xué)性質(zhì)能夠便改變。并縮短垢的晶核成核誘導(dǎo)期，刺激微生成小晶核。其微小晶核表面積大、質(zhì)量輕、體積小，懸浮在流體中，其界面比管道內(nèi)壁面積大很多，從而具有爭奪流體中離子的能力，并抑制成垢離子在管道內(nèi)壁上成核與長大，粘附于界面上成垢離子的數(shù)量也相應(yīng)減少，減小垢的沉積速率[6-7]。

3 確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)格尺寸

3.1 CCD

CCD英文全稱是Charge-coupled Device，中文全稱是電荷耦合元件?？梢苑Q為CCD圖像傳感器，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD廣泛應(yīng)用在數(shù)位攝影、天文學(xué)，尤其是光學(xué)遙測技術(shù)、光學(xué)與頻譜望遠(yuǎn)鏡，和高速攝影技術(shù)。CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和掃描儀中應(yīng)用廣泛，只不過攝像機(jī)中使用的是點(diǎn)陣 CCD，即包括 x、y兩個方向用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用的是線性CCD，它只有x一個方向，y方向掃描由掃描儀的機(jī)械裝置來完成（圖1、2）。

圖1 動態(tài)實(shí)驗(yàn)研究超聲波對碳酸鈣結(jié)垢影響規(guī)律流程圖Fig.1 Dynamic experimental study on ultrasonic scaling effect of the flow chart of the calcium carbonate

圖2 超聲波波場作用槽內(nèi)試驗(yàn)段剖面圖Fig.2 Ultrasonic wave field test section profile groove

3.2 換熱器流道的選擇

進(jìn)行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道：①不潔凈和易結(jié)垢流體宜走管程，因管內(nèi)清洗較方便；②腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時受腐蝕；③壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力；④飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無關(guān)，且冷凝液容易排出；⑤若兩流體溫度差較大，選用固定管板式換熱器時，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼程，以減小熱應(yīng)力。

3.3 泵的選擇

離心泵選取時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和操作條件，確定適宜的類型；

（2）根據(jù)管路系統(tǒng)在最大流量下的流量Qe和壓頭He確定泵的型號。要使所選泵所能提供的流量Q和壓頭H比管路要求值可稍大一點(diǎn)，最后應(yīng)列出泵的有關(guān)性能參數(shù)和轉(zhuǎn)速；

（3）當(dāng)單臺泵不能滿足管路要求時，要考慮泵的并聯(lián)和串聯(lián)；

（4）核算泵的軸功率 若輸送液體的密度大于水的密度，則要核算泵的軸功率。另外，要會利用泵的系列特性曲線；

威樂泵是應(yīng)用于普通的供水、供水增壓及農(nóng)業(yè)用水、灌溉用水、冷卻水的循環(huán)設(shè)備。其結(jié)構(gòu)是普通非自吸型的臥式多級離心泵，為吸入和排出口垂直的塊型結(jié)構(gòu)。輸送液體相接觸的所有部件均采用STS304制作，適用于飲用水、供水設(shè)備，取得德國KTW 及 WRC的認(rèn)可，泵和電機(jī)的軸為整體式MONO－SHAFT，設(shè)置了不受旋轉(zhuǎn)方向影響的通用機(jī)械密封，并裝有用于投入和排出引液的管嘴。應(yīng)用最新機(jī)構(gòu)技術(shù)，降低了噪音。電機(jī)形式是T.E.F.C籠型、封閉型，冷卻方式是風(fēng)冷式，保護(hù)等級是IP54，絕緣等級是F級，電源規(guī)格是三相230 V and 400 VY/50 Hz，單相230 V/50 Hz，允許電壓差為額定電壓的-10%～ +10%。

3.4 渦輪流量計(jì)的選型

渦輪在被測流體沖擊下旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，流量大，渦輪的轉(zhuǎn)速也大。渦輪的轉(zhuǎn)速經(jīng)過磁電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，通過前置放大器放大后，進(jìn)入顯示儀表進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，獲取單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計(jì)脈沖數(shù)，求出瞬時流量和累積流量。

渦輪變送器的工作原理是當(dāng)流體沿著管道的軸線方向流動并沖擊渦輪葉片時，作用在葉片上的力與流量、流速和流體密度乘積成比例，推動渦輪旋轉(zhuǎn)。葉片在渦輪旋轉(zhuǎn)時，周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生磁力線并改變線圈的磁通量。由電磁感應(yīng)原理可知，線圈內(nèi)將產(chǎn)生脈動的電勢信號，此信號的頻率與流量成正比。將渦輪變送器輸出的脈沖信號經(jīng)前置放大器放大后送入顯示儀表，從而實(shí)現(xiàn)流量的測量。

渦輪流量計(jì)的選型：

（1）流量計(jì)本體選取具有防腐的316不銹鋼材料，防爆區(qū)還必須具有防爆功能；

（2）軸承規(guī)格一般有炭化鎢，聚四氟乙烯，碳石墨等三種。碳化鎢的精度最高，可作工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)件。聚四氟乙烯，碳石墨具有防腐功能，化工場所一般優(yōu)先考慮。軸承壽命與流體流速的平方成正反比，故流速最好在最大流速的1/3最佳。

（3）感應(yīng)探頭：檢測轉(zhuǎn)動體的運(yùn)動并將其轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)字電信號，如果電壓輸出值接近正弦曲線，則脈沖信號的頻率范圍將隨測量流體的流量呈線性趨勢，規(guī)格有10:1，25:1 和100:1等3種。電磁線圈的電阻一般小于2 000 Ω，超過該值將損壞。

3.5 換熱管尺寸的選擇

換熱管常用的外徑壁厚主要為Φ19 mm×2 mm、Φ25 mm×2.5 mm和Φ38 mm×2.5 mm的無縫鋼管以及Φ25 mm×2 mm和Φ38mm×2.5 mm的不銹鋼管。標(biāo)準(zhǔn)管長有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0 m等。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高。據(jù)計(jì)算，將同直徑換熱器的換熱管由Φ25 mm改為Φ19 mm，其傳熱面積可增加40%左右，節(jié)約金屬20%以上。但小管徑流體阻力大，不宜清洗，易結(jié)構(gòu)堵塞。一般大直徑管子用于粘性大或污濁的流體，小直徑管子用于較清潔的流體。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 超聲波功率對碳酸鋇結(jié)垢的影響

實(shí)驗(yàn)段1和實(shí)驗(yàn)段2先采用銅管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后再換成不銹鋼管材。實(shí)驗(yàn)過程為：將超聲波功率分別設(shè)置在100 、200 W處，調(diào)節(jié)系統(tǒng)管內(nèi)剪切力達(dá)0.3 Pa。用天平稱出實(shí)驗(yàn)段1和實(shí)驗(yàn)段2在無超聲波作用和有聲波作用時實(shí)驗(yàn)前的重量，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后，取下實(shí)驗(yàn)段1和實(shí)驗(yàn)段2，待兩管自然風(fēng)干后稱其重量，并用下式計(jì)算超聲波的抑垢率（表1、2）。

表1 100 W超聲波抑制不銹鋼管結(jié)垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 100 W ultrasonic inhibition of stainless steel tube fouling experiments

表2 100 W和200 W超聲波抑制銅管結(jié)垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 100 W and 200 W ultrasonic inhibition of copper scale experimental results

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，不銹鋼管在無超聲波作用時，積垢率比銅管小，而施加超聲波后，抑垢率比銅管低，這可能是由于不銹鋼管管壁光滑，垢粒不易附著，由于不銹鋼管積垢率低，因此，超聲波對其抑垢的效果不是很明顯。施加20 kHz、100 W的超聲波可使Ba2+和SO32-的結(jié)合過程變得緩慢，阻垢率達(dá)到85%以上，超聲的阻垢效能是其空化效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)垢誘導(dǎo)期延長的緣故，實(shí)驗(yàn)說明超聲處理具有一定的抗垢效果，且其效果隨超聲強(qiáng)度和處理次數(shù)的增加而顯著增強(qiáng)。在有超聲作用下，碳酸鋇結(jié)晶的阻滯率為62%～93%。

5.2 超聲波頻率對碳酸鋇結(jié)垢的影響

實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)段管內(nèi)溫度為60 ℃，實(shí)驗(yàn)段管外溫度為25 ℃，管內(nèi)流速為1.0 m/s，管內(nèi)壁的剪切應(yīng)力為0.26 Pa，溶液硬度為1 000，溶液pH為8.0，超聲波功率為100 W，材質(zhì)為銅管，改變超聲波頻率分別為85、53 kHz。

通過研究不同頻率的超聲波對硫酸鋇結(jié)晶形貌的影響發(fā)現(xiàn)，53 kHz超聲波處理的溶液中，析出的BaSO3晶體大部分為小球狀結(jié)晶，晶粒比較均勻，顆粒數(shù)目多且細(xì)小，并伴有部分文石型結(jié)晶。經(jīng)85 kHz超聲波處理的溶液中，析出 BaSO3晶體多為文石型結(jié)晶，小球狀結(jié)晶所占比較小，反映不同的頻率超聲波阻垢機(jī)理不同（圖3）。

6 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波在很大程度上抑制了鋇離子向微晶轉(zhuǎn)化和微晶增長為沉淀的趨勢，延長了結(jié)垢誘導(dǎo)期，結(jié)垢速度非常緩慢。超聲作用下，鋇離子基本不隨溫升而產(chǎn)生沉淀以致結(jié)垢。超聲波的空化效應(yīng)、活化效應(yīng)、剪切效應(yīng)可以有效的除垢防垢。文章通過稱重法和電鏡粒度分析法研究超聲波對硫酸鋇結(jié)垢影響規(guī)律，為油氣田有效的除去硫酸鋇污垢提供一定的理論基礎(chǔ)。

圖3 53、85 kHz超聲波處理溶液粒度分析圖Fig.3 53, 85 kHz ultrasonic treatment solution size analysis chart

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