基于超聲波技術(shù)優(yōu)選最佳油田管道除垢參數(shù)

楊 光，王小峰，呂林林

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318；2.海洋采油廠集輸大隊(duì)，山東東營257237；3.中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司管道輸油處，青海格爾木816000）

基于超聲波技術(shù)優(yōu)選最佳油田管道除垢參數(shù)

楊 光1，王小峰2，呂林林3

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318；2.海洋采油廠集輸大隊(duì)，山東東營257237；3.中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司管道輸油處，青海格爾木816000）

目前，我國仍有八成以上的原油需要管道來輸送，而管道長期運(yùn)行過程中難免會有蠟晶析出，蠟晶析出后如不及時清理就會變成污垢附著在管道內(nèi)壁。油田管道的結(jié)垢問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到輸油工作的正常進(jìn)行，超聲波除垢技術(shù)作為一種新型的綠色環(huán)保技術(shù)越來越受到青睞。為了優(yōu)選對比出超聲波對油田管道除垢效果達(dá)到最佳的頻率，設(shè)計(jì)了一套模擬超聲波對輸油管道的除垢裝置，模擬不同頻率以及不同時間下的超聲波除垢效果實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)超聲波頻率在48kHz，作用時間為5min時除垢效果最佳。

輸油管道；超聲波；除垢；優(yōu)選對比；參數(shù)

目前，我國油田管道輸送美國的大部分原油都是含蠟原油。含蠟原油具有“兩高一差”的顯著特征，即凝點(diǎn)和黏度高、流動性差?！皟筛咭徊睢笔怯绊懝艿垒斔湍芰托实淖锟?zhǔn)?。相關(guān)研究普遍認(rèn)為：隨著溫度的降低，就會有蠟晶隨著溫度降低而不斷析出。隨著析蠟量的累加，蠟晶逐漸由高度分散的近似小球狀晶體變?yōu)槿S網(wǎng)狀的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。一旦蠟晶形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，就容易形成垢，如“附骨之蛆”一樣牢牢地粘在管道內(nèi)壁上，因此，管道需要定期除垢[1-5]。隨著綠色環(huán)保理念逐漸深入人心，超聲波除垢技術(shù)作為后起之秀逐漸贏得人們的青睞。但由于超聲波降解技術(shù)能耗過大且容易產(chǎn)生不必要的中間物質(zhì)，其降解效率較低的問題有待進(jìn)一步的解決。超聲波除垢的原理是利用超聲波所產(chǎn)生高溫高壓來分解蠟晶生成的垢，同時超聲波的空化作用可以將大顆粒的固體污垢震碎成小的分散顆粒，便于除去[6,7]。本文分別對28、48、68、88 kHz 4種頻率下的超聲波進(jìn)行除垢效果評估實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出超聲波的最佳除垢頻率和除垢時間。通過實(shí)驗(yàn)不僅可以使超聲波除垢技術(shù)達(dá)到“理論指導(dǎo)與實(shí)踐相結(jié)合”的效果，而且可以為各大油田的輸油管道除垢技術(shù)提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

KMD-12012超聲波發(fā)生器（功率1200W德國西門子公司）；S30/A25程控水?。刂凭?.01℃德國哈克公司）；超聲波換能器（28、48、68、88 kHz日本松下公司）；GHG-9240N烘箱（溫度范圍50～300℃杭州卓馳儀器公司）；Ⅱ型電子天平（控制精度0.001g德國西門子德國西門子公司）。

本次實(shí)驗(yàn)利用超聲波發(fā)生器和超聲波換能器來發(fā)射超聲波，在程控水浴底部采用超聲波換能器來控制超聲波頻率。用一小段不銹鋼來模擬油田輸油管道。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

（1）從現(xiàn)場取來輸油管道蠟晶油垢，經(jīng)電子天平稱重后將其分為質(zhì)量相等的4份，分別標(biāo)記為1、2、3、4號樣本。

（2）將選好的油垢樣本粘附在洗凈的不銹鋼鋼管內(nèi)壁中，將鋼管裝入燒杯后放入程控水浴中，設(shè)置程控水浴溫度為42℃，同時開啟超聲波發(fā)生器，利用超聲波產(chǎn)生的高溫高壓和空化作用進(jìn)行除垢。

（3）利用超聲波換能器控制作用于1～4號樣本的超聲波頻率分別為28、48、68、88 kHz，經(jīng)過20min的超聲波除垢之后，從程控水浴中取出鋼管。用鋼絲將仍舊粘附在試管內(nèi)壁的油垢取下，烘干后放入電子天平中稱重。優(yōu)選出超聲波除垢的最佳頻率。

（4）在最佳超聲波除垢頻率下再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)開始時利用紅外光度計(jì)測量不同超聲波作用時間下燒杯中油水混合物中油的濃度，將數(shù)據(jù)記錄，優(yōu)選出超聲波除垢的最佳作用時間。

（5）記錄、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且繪制成圖來進(jìn)一步觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波除垢的最佳頻率

將不同頻率下超聲波的除垢效果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，見圖1。

通過分析圖1中曲線變化趨勢以及峰值，我們不難得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

圖1 不同超聲波頻率下的油垢質(zhì)量Fig.1 Quality of oil stains at different ultrasonic frequencies

由圖1可知，隨著超聲波頻率的增加，油垢質(zhì)量呈快速下降趨勢。當(dāng)超聲波頻率達(dá)到48kHz時，油垢質(zhì)量達(dá)到最小值，表明該頻率下超聲波對油垢的去除效果最為理想。之后隨著超聲波頻率的增加，油垢質(zhì)量基本不再發(fā)生變化。考慮到節(jié)能降耗，優(yōu)選48kHz為超聲波最佳除垢頻率。

實(shí)驗(yàn)效果與理論分析存在一定的差距。從理論上分析，當(dāng)超聲波的原始能量相同時，不同頻率下的超聲波在水中的空化作用不同，頻率越高，空化作用越強(qiáng)。隨著超聲波振動次數(shù)減少，超聲波單束能量就會隨之增強(qiáng)，從而獲得較好的除垢效果[8,9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析存在出入，可能存在以下幾點(diǎn)原因：低頻率的超聲波發(fā)生器調(diào)試效果不如高頻率超聲波發(fā)生器；實(shí)驗(yàn)人員測定油垢質(zhì)量時出現(xiàn)誤差。

2.2 超聲波除垢的最佳作用時間

將不同頻率下超聲波的除垢效果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，見圖2。

圖2 不同超聲波作用時間下的燒杯中油的濃度Fig.2 Concentration of oil in the beaker under different ultrasonic time

由圖2可知，超聲波的作用時間在0～1min這一時間段內(nèi)，燒杯中油水混合物中油的濃度急劇增加；在1～5min這一時間段內(nèi)，燒杯中油水混合物中油的濃度快速增加，但是增幅較第一階段有所減慢；而在5～15min這一時間段內(nèi)，燒杯中油水混合物中油的濃度增長趨于平緩，基本不在變化，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由此可以得出，超聲波最佳作用時間為5min。

對于上述燒杯中油水混合物中油的濃度的變化情況，可用以下理論進(jìn)行解釋，從超聲波的作用時間來看，在0～1min這一時間段內(nèi)，超聲波對油垢中的蠟晶有較為顯著的抑制作用，在超聲波的作用下，油以游離態(tài)存在于燒杯中的油水混合物中；在1～5min這一時間段內(nèi)，超聲波依然存在較強(qiáng)的抑制作用，處于游離狀態(tài)的油的濃度不斷增加，油垢中的蠟晶數(shù)量繼續(xù)減少；超聲波作用5min后，燒杯中的油水混合物中油的濃度增加趨勢變的緩和，基本不再發(fā)生變化，蠟晶結(jié)構(gòu)的范德華力也不再增強(qiáng)，形成固體污垢的能力變?nèi)酢９艿纼?nèi)成垢周期變長，管道內(nèi)除垢效果顯著[10-14]。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納整理，并結(jié)合理論進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過對比28、48、68、88 kHz 4種頻率下超聲波除垢后剩余油垢的質(zhì)量，從而確定頻率為48kHz時的超聲波除垢效果最佳。

（2）選取48kHz的最佳頻率，分別對比不同超聲波作用時間后燒杯中的油水混合物中油的濃度，得出超聲作用最佳時間為5min，此時間下超聲波具有較好的除垢效果和經(jīng)濟(jì)效益?？梢赃_(dá)到除垢要求而又不額外消耗能量。

（3）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)與理論上的分析還存在差距，一方面理論并非“無懈可擊”，可能存在需要多種理論進(jìn)行彌補(bǔ)的“短板”；另一方面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在誤差，有些較大的誤差導(dǎo)致與理論值存在較大出入。今后實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)應(yīng)該放在如何最大限度的消除誤差以及豐富理論知識。

［1］王亞鵬.加熱爐應(yīng)用超聲波除垢防垢技術(shù)效果分析［J］.石油石化節(jié)能，2014，4（1）：23-25．

［2］李澍，田繼軍.青海躍進(jìn)油田集輸管道結(jié)垢的綜合治理［J］.油氣田地面工程，2014，33（11）：97-98．

［3］馬志梅.超聲波阻垢與除垢技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中外能源，2008，13（4）：92-93．

［4］王丹，鄭曉濤，陳景峰．管道超聲波防除垢技術(shù)［J］．清洗世界，2014，30（12）：27-30．

［5］陳先慶．超聲波防垢技術(shù)在油田中的應(yīng)用研究［J］．鉆采工藝，2000，23（3）：60-63．

［6］呂漢迎．超聲波防垢儀在濁水冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007，22（3）：53-54．

［7］李英，趙德志，袁秋菊．超聲波在石油化工中的應(yīng)用及研究進(jìn)展［J］．石油化工，2005，34（2）：176-177．

［8］侯光祥．輸油管道中防除垢技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2008，34（21）：15-16．

［9］霍文蘭，溫俊峰．超聲波輔助法在輸油管道除垢、防垢中的應(yīng)用［J］．應(yīng)用化工，2009，38（6）：916-918．

［10］Middis J，Paul S T．Reduction of Heat Transfer Fouling by the Addition of Wood Pulp Fibers［J］．Heat Transfer Engi-neering，1998，19（2）：36-37．

［11］Becker J R.Corrosion and Scale Handbook［M］.Tulsa：Penn Well PublishingCompany，1998．

［12］薛娟琴，吳川眉．超聲波對溶液性質(zhì)的影響［J］．金屬世界，2008，（1）：25-28．

［13］皇磊落，張明鐸，牛勇，等.超聲波參數(shù)對除垢效果的影響［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，39（1）：38-40．

［14］傅俊萍，李錄平，劉澤利，等．超聲波除垢與強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究［J］.熱能動力工程，2006，21（4）：355-357.

Optimization of oil field pipe descaling parameters based on ultrasonic technology

YANG Guang1,WANG Xiao-feng2,LV Lin-lin3
（1.Northeastern University of Petroleum,Daqing 163318,China; 2.Marine Production Plant Gathering and Transportation Brigade，Dongying 257237，China; 3.Pipeline Oil Transportation Department,Qinghai Oilfield Company,PetroChina，Golmud 816000，China）

At present,there are still more than 80%of China's crude oil pipeline needs to be transported,and the pipeline will inevitably be a long process of wax crystallization,wax crystals precipitate if not cleaned up will become dirt attached to the pipe wall.The scaling problem of oilfield pipeline has seriously affected the normal work of oil transportation.Ultrasonic descaling technology is becoming more and more popular as a new type of green environmental protection technology.In order to optimize and compare the frequency of the oilfield pipelines descending with ultrasonic,a set of simulated ultrasonic cleaning equipment is designed to simulate the descaling effect of ultrasonic waves at 28,48,68 and 88 kHz.Through the comparative analysis of the experimental data, found that the ultrasonic frequency in the best effect of descaling at 48Hz.

oil pipeline;ultrasonic wave;descaling;optimal contrast;frequency

TE832

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170382

2016-12-23

楊光（1991-），男，黑龍江省哈爾濱市人，在讀碩士研究生，主要從事復(fù)雜流體力學(xué)理論研究。