減阻劑的應(yīng)用及其研究進(jìn)展

朱 燕，趙亞洲，李志洲

（陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

減阻劑在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用都十分廣泛。目前已應(yīng)用到許多系統(tǒng)中，例如管路循環(huán)玲卻系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)，而且還有研究表明減阻劑已應(yīng)用于造紙、選礦、農(nóng)業(yè)等系統(tǒng)中。

減阻劑能保障管道安全運(yùn)行，可在滿足輸量要求的條件下明顯降低管道壓力，在設(shè)計(jì)新管道時(shí)，使用減阻劑可以滿足耐壓要求，消除“卡脖子”段，當(dāng)減阻劑技術(shù)用于增大管道輸量時(shí)，不僅滿足了市場(chǎng)需求，而且也提高了管輸效益。因此，研究減阻劑在各方面的應(yīng)用對(duì)日常生活生產(chǎn)具有必要的價(jià)值及意義。

隨著減阻劑生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，減阻劑的性能會(huì)越來(lái)越好，其價(jià)格也會(huì)相對(duì)降低，減阻劑在輸油管道上具有非常廣闊應(yīng)用前景，不僅要滿足生產(chǎn)需要，而且要降低能耗，減少輸送時(shí)間，在最短的時(shí)間內(nèi)增加排量是最經(jīng)濟(jì)、最現(xiàn)實(shí)的，而通過(guò)添加減阻劑是實(shí)現(xiàn)這一目的的有效途徑之一。此外，減阻劑還可以降低管道系統(tǒng)的壓力，提高管道運(yùn)行的安全性和可靠性。

1 減阻劑的減阻機(jī)理

當(dāng)流體中含有某些特定物質(zhì)時(shí)，其在湍流狀態(tài)下的摩擦阻力會(huì)大大降低，這種現(xiàn)象稱為減阻。用于降低流體流動(dòng)阻力的化學(xué)藥劑稱為減阻劑（drag reducing agent），簡(jiǎn)稱 DRA［1］。 到目前為止，雖然有許多有關(guān)高聚物減阻的論著，但沒有一種理論可圓滿地解釋它的機(jī)理。具有代表性的論著有偽塑說(shuō)、湍流脈動(dòng)抑制說(shuō)、粘彈說(shuō)、表面隨機(jī)更新說(shuō)和應(yīng)力各向異性說(shuō)?？梢姡鉀Q減阻機(jī)理這一難題還有許多工作要做［2］。

2 減阻劑的應(yīng)用

2.1 在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

表面活性劑與高聚物相比，它最大的優(yōu)點(diǎn)就是具有降解可逆性，即在高剪切力或高溫作用下，其減阻能力被暫時(shí)破壞后，待剪切力或流體溫度降低到有效范圍內(nèi)時(shí)，它又可恢復(fù)減阻性能。鑒于表面活性劑溶液的該特性，表面活性劑湍流減阻主要應(yīng)用于有泵的循環(huán)系統(tǒng)，如集中供熱／供冷系統(tǒng)。

表面活性劑（或膠束）具有減阻可逆性并且能耐一定的高溫而不降解。焦利芳［3］通過(guò)考察減阻劑加入供熱系統(tǒng)后總流量的變化情況表明，在減阻劑持續(xù)加入該供熱系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的減阻增輸效果明顯，即系統(tǒng)總流量快速上升。但停止加入減阻劑，使系統(tǒng)中的CTAC（十六烷基三甲基氯化銨）水溶液保持在某一濃度時(shí)，該循環(huán)系統(tǒng)的減阻效應(yīng)維持時(shí)間較短，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，減阻效應(yīng)基本消失，即系統(tǒng)總流量降到接近未加入減阻劑時(shí)的水平。減阻劑在供熱工程中應(yīng)用可大幅降低流動(dòng)阻力，今后應(yīng)該深入開展這方面的研究工作，以獲得良好的節(jié)能和環(huán)保綜合效益。

2.2 減阻劑的減阻增輸作用

減阻劑是一種特殊的湍流現(xiàn)象，減阻劑效應(yīng)是減阻影響湍流場(chǎng)的宏觀表現(xiàn)。減阻劑加入到管道以后，靠本身的粘彈性，分子長(zhǎng)鏈順流向自然拉伸，其微元直接影響流體微元的運(yùn)動(dòng)。來(lái)自流體微元的徑向作用力作用在減阻劑微元上，使其發(fā)生扭曲，旋轉(zhuǎn)變形。減阻劑分子間引力抵抗上述作用力反作用于流體微元，改變了流體微元作用力的大小和方向，使一部分徑向力轉(zhuǎn)變?yōu)轫樍飨虻妮S向力，從而減少無(wú)用功的消耗，宏觀上起到減少摩阻損失的作用。

對(duì)流經(jīng)不同管徑的減阻劑的性能綜合測(cè)試表明，減阻率并不是隨雷諾數(shù)的增大而遞增或遞減，而是在某一雷諾數(shù)下減阻率有最大值，并且在相同的測(cè)試條件下，減阻劑濃度越大，單位流體中含有的高分子減阻劑數(shù)量越多，經(jīng)過(guò)相同的剪切作用，未被剪切的減阻劑分子越多，經(jīng)過(guò)相同的剪切次數(shù)時(shí)，減阻率相對(duì)也就越高。周蓉等人通過(guò)對(duì)油品減阻劑在長(zhǎng)輸管道中的性能研究表明［4］，往油品中添加減阻劑，可以改變紊流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大大減小紊流阻力，增加管道排量，降低能量消耗，縮減成本。另外還應(yīng)該改善流體運(yùn)動(dòng)的邊界條件，選擇適當(dāng)?shù)墓苈分睆剑档脱爻棠ψ韬蜏p少局部摩阻以更加有效地提高管路輸送效率。

李建生［5］通過(guò)在室溫（25℃）下控制壓縮空氣壓力，測(cè)定不同流量下的減阻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水溶液在低流速下減阻率并不高，只有當(dāng)流速達(dá)到2.55m·s-1以上，流體處于湍流狀態(tài)時(shí)，減阻效果才能充分體現(xiàn)，3.40m·s-1時(shí)，減阻率最高達(dá)到54.60%。

管道摩擦減阻劑能減少流體的沿程阻力，從而節(jié)約泵功，其節(jié)能的作用是得到肯定的。潘佳茜［6］通過(guò)實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在流量相同的情況下摩擦減阻劑可以節(jié)約水泵16%的電能。水泵在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，添加減阻劑后，水流量提高15%。

2.3 減阻劑在輸油管道中的應(yīng)用

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，原油在輸油管道中的輸量日益增加，利用化學(xué)添加劑降低管道系統(tǒng)的摩阻，對(duì)于安全輸送、提高輸送量、節(jié)約能源和投資、加速原油的開發(fā)利用具有重要意義。

戴?？〉热送ㄟ^(guò)對(duì)成品油管道應(yīng)用減阻劑的研究表明，提高在役管道的輸油量，在管段兩端壓差不變的情況下，注入減阻劑可以提高輸量［7］，確保已腐蝕管道的安全運(yùn)行。埋地管道受周圍土壤和管內(nèi)油品中腐蝕性物質(zhì)的影響，管壁內(nèi)外表面都會(huì)受到腐蝕，使管壁變薄，耐壓能力下降。注入減阻劑后，既可以維持原輸量，又可使出站壓力明顯降低，從而保障管道運(yùn)行安全。

王峰等人研究表明［8］，HG（單氟磷酸鈉標(biāo)準(zhǔn)）減阻劑在輸量不變的情況下，可以大幅降低管線的沿程摩阻損失，減少管線的阻力，大大降低管道運(yùn)行壓力，顯示了HG的減阻功能；管線運(yùn)行壓力不變的情況下，可以提高管線的輸量，即具有增輸功能。

姜海斌等人［9］經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，EP（乙丙橡膠）系列減阻劑具有良好的減阻和增輸效果。當(dāng)管道冬季運(yùn)行時(shí)，因沿線地溫較高，輸送摩阻較大，輸量較夏季會(huì)有一定程度低，而加劑則顯著增加輸量。

2.4 降低粘度的應(yīng)用

摻入減粘減阻劑后，減粘減阻劑的晶粒在高溫下首先發(fā)生分解熔化，隨后吸附瀝青中與其結(jié)構(gòu)相類似的飽和組分（這些飽和組分大多為蠟基或油基分子），進(jìn)而溶解于它們之中，形成穩(wěn)定的溶液而不離析。由于這種吸附融解作用，降低了瀝青的運(yùn)動(dòng)粘度，而且隨著溫度的變化，吸附融解作用也不同，進(jìn)而引起運(yùn)動(dòng)。李曉民［10］通過(guò)對(duì)降低改性瀝青施工粘度的應(yīng)用技術(shù)研究表明，摻入3%SLA-603型減粘減阻劑的改性瀝青135℃粘度降低50%，路面使用溫度下改性瀝青車轍因子G＊／sinδ可以提高3～6倍，從而可以提高改性瀝青的高溫穩(wěn)定性。

在50℃條件下，由于稠油降粘減阻劑分子中含有酰胺基團(tuán)，其形成氫鍵的能力較強(qiáng)，它可與瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子形成氫鍵。降粘減阻劑分子借助于強(qiáng)的形成氫鍵的能力和滲透、分散作用進(jìn)入膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的片狀分子之間，部分拆散平面重疊堆砌而成的聚集體，形成片狀分子無(wú)規(guī)則堆砌，結(jié)構(gòu)比較松散，有序程度降低，空間延伸度變小，從而使瀝青質(zhì)膠質(zhì)所形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞，使其包裹的石油輕質(zhì)組分釋放出來(lái)，降低了稠油的粘度及流動(dòng)阻力。

張金波［11］的降粘減阻劑的降粘實(shí)驗(yàn)證明，用減阻劑HVR的加量增大，降粘率不斷增大。1000×10-6的加量降粘率即可達(dá)到99%以上，降粘效果顯著。而且，加入降粘減阻劑HRV后，能形成均勻穩(wěn)定的水包油乳狀液。

2.5 減阻劑的藥理作用

近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)減阻劑對(duì)心血管疾病、失血性休克等局部或全身性缺血有潛在的治療價(jià)值，并有可能成為新型的利尿劑等，引起了國(guó)際醫(yī)藥界的重視，其藥用研究開發(fā)正在全球醫(yī)藥界興起［12］。

減阻劑可治療心血管疾病，能使動(dòng)物血流量明顯增加，外周血管阻力降低；血壓在給藥初期降低，舒張壓的下降更為明顯；心電圖表現(xiàn)出心率的緩慢下降。趙蓮等人［13］通過(guò)給大鼠注射聚丙烯酰胺、李糖-半乳糖-半乳糖醛酸形成的多糖（rhamnogalactogalacturonan，RGGu）和牛胸腺 DNA等進(jìn)行比較，結(jié)果表明，聚丙烯酰胺和RGGu能提高大鼠的心輸出量。聚丙烯酰胺、RGGu和聚乙二醇在給藥后最初1 h內(nèi)，均能引起主動(dòng)脈血流的增加和外周血管阻力的下降。它們?cè)隗w內(nèi)的代謝和藥理作用有所不同，其主要原因是3種化合物的化學(xué)組成不同，可見分子的空間結(jié)構(gòu)是減阻劑發(fā)揮減阻效應(yīng)的主要原因。

3 減阻劑的研究進(jìn)展.

減阻劑價(jià)格昂貴而且研制的減阻劑由于分子量較低，防剪切性能較差，因此經(jīng)濟(jì)效益不是很好，故目前減阻劑除了在原油和產(chǎn)品油的長(zhǎng)輸管道上應(yīng)用外，在工業(yè)上還不能廣泛應(yīng)用。為此，要降低成本，不但在減阻劑的研制方面要有所突破，還要研究復(fù)合高效的助劑，而且分子量要盡可能大，使其防剪切性能盡可能好，這是減阻劑發(fā)展的重要趨勢(shì)之一［14］。

國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)根據(jù)已經(jīng)提出的減阻機(jī)理及借鑒一些現(xiàn)有工業(yè)化學(xué)品如緩蝕劑、潤(rùn)滑劑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，且已有的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)顯示了減阻劑一定的應(yīng)用前景，因此，探索合適的減阻劑溶劑與減阻劑溶液加注工藝具有極大的開發(fā)價(jià)值［15］。

減阻劑在諸多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。減阻劑在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用起步較晚，進(jìn)展相對(duì)緩慢，主要原因是減阻劑屬于流體力學(xué)和工程學(xué)研究范疇，與醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)W科背景差異較大；另外，減阻劑的作用機(jī)制尚未完全揭示，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。但在學(xué)科交叉、融合空前活躍的今天，有理由相信減阻劑可能成為一類新型的藥物，在心血管疾病、失血性休克或腎臟疾病等的治療中發(fā)揮作用。因此，新型藥用減阻劑的獲得，藥用減阻劑的適應(yīng)癥、藥效學(xué)和作用機(jī)制的研究，高分子化合物的藥代動(dòng)力學(xué)研究有可能成為未來(lái)的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

［1］ 曹登巨，何建川.減阻劑在隴東油區(qū)的應(yīng)用分析［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008，27（1）：32-35.

［2］ 富雯婷.管民.油溶性減阻劑的研究進(jìn)展［J］.遼寧化工，2009，39（1）：51-55.

［3］ 焦利芳.表面活性劑減阻劑在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用試驗(yàn)研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2008， （3）：159-201.

［4］ 周蓉，等.油品減阻劑在長(zhǎng)輸管道中的性能研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（6）：142-144.

［5］ 李建生，魏清，等.工業(yè)水處理表面活性劑的減阻性能研究［J］.工業(yè)水處理，2010，（1）：19-21.

［6］ 潘佳茜.利用管道摩擦減阻劑進(jìn)行節(jié)能［J］.城市公用事業(yè)，2008，22（4）：53-55.

［7］ 戴?？?成品油管道應(yīng)用減阻劑研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（1）：19-23.

［8］ 王峰.HG減阻劑在輸油管道中的應(yīng)用［J］.安全、健康和環(huán)境，2006，6：20-22.

［9］ 姜海斌.EP系列減阻劑在庫(kù)鄯輸油管道的應(yīng)用［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（9）：30-32.

［10］ 李曉民.降低改性瀝青施工粘度的應(yīng)用技術(shù)研究［J］.公路交通科技，2006，8（8）：1-4.

［11］ 張金波.克淺十稠油降粘減阻劑HVR的降粘機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］.新疆石油天然氣，2006，6（2）：36-39.

［12］ 張倫.減阻劑藥用研究正興起 ［J］.中國(guó)創(chuàng)藥信息，2009，25（6）：7-8.

［13］ 趙蓮.減阻劑的藥用研究進(jìn)展［J］.國(guó)際藥學(xué)研究雜志，2008，35（1）：39-30.

［14］ 許東彬.高粘原油降摩阻機(jī)理的研究［D］.濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2007.

［15］ 葉天旭.天然氣管輸減阻劑的研究現(xiàn)狀［J］.應(yīng)用化工，2010，31（1）： 104-107.