超聲波除碳酸鈣垢的實(shí)驗(yàn)研究

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摘 要：目前，超聲波是一種在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，可以用于油田管道的污垢清理。為了更加深入研究超聲波除碳酸鈣垢的效果，有必要探究超聲波的參數(shù)對(duì)除垢率的影響。在實(shí)驗(yàn)室條件下，組裝了一套超聲波除垢設(shè)備，通過(guò)改變超聲波的頻率、輻照時(shí)間和輻照溫度，分別處理Q235鋼制掛片上的碳酸鈣垢，采用處理前和處理后掛片質(zhì)量差的方法來(lái)評(píng)價(jià)除垢效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在頻率為28 kHz、輻照時(shí)間為10 min和輻照溫度為40 ℃的條件下，超聲波除碳酸鈣垢能力強(qiáng)、效果好。因此，優(yōu)選出超聲波不同參數(shù)之間的組合對(duì)提高除碳酸鈣垢率至關(guān)重要。

關(guān) 鍵 詞：超聲波；頻率；輻照時(shí)間；溫度；碳酸鈣垢

中圖分類號(hào)：TQ 028 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2017）07-1318-04

Study on Calcium Carbonate Scale Removal

With Ultrasonic Wave in Laboratory

LU Xi-xi， GUO Yue， LIN Xue-song， GONG Tong

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China）

Abstract： At present， the ultrasound wave technology is widely used in industrial fields， for example scale removal of oil pipeline. To further study the effect of ultrasonic wave to remove calcium carbonate scale， it is necessary to explore the influence of ultrasonic parameters on cleaning calcium carbonate scale. A set of ultrasonic descaling equipment was assembled and a series of laboratory experiments were conducted. By changing the ultrasonic frequency， duration and temperature， the calcium carbonate scale on the Q235 steel material was respectively treated， the scaling removal effect of ultrasonic wave was evaluated by the method of loss weight. The results show that， when the frequency is at 28 kHz， the duration is 10 min and the temperature is at 40 ℃， cleaning effect of ultrasonic wave is perfect. Therefore， it is significant to select the suitable combination of different ultrasonic parameters for improving calcium carbonate scale removal rate.

Key words： Ultrasonic wave； Frequency； Duration； Temperature； Calcium carbonate scale

在油氣田后期開采過(guò)程中，隨著產(chǎn)油量的減少，注水量加大，油田生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)垢問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備低效運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用增加[2]，不利于油田安全高效生產(chǎn)，碳酸鈣垢是最常見的污垢之一。目前最常見的除垢方法是化學(xué)除垢法，但是化學(xué)藥劑成本高、花費(fèi)大，且每次在線連續(xù)注入化學(xué)藥劑用量難以把握，難以生物降解，嚴(yán)重污染環(huán)境[3，4]。近年來(lái)，超聲波除垢技術(shù)由于操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行費(fèi)用低、在線連續(xù)工作、工作性能可靠、效率高、無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)[5]，在油田生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波除垢的影響因素主要分為三類：超聲波參數(shù)、流體參數(shù)和材質(zhì)。目前，超聲波除垢中流體參數(shù)研究較多，而超聲波參數(shù)研究需要進(jìn)一步完善[6]，因此開展超聲波參數(shù)除碳酸鈣垢的實(shí)驗(yàn)研究是十分必要的。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合超聲波除垢機(jī)理和碳酸鈣垢的成因兩方面，評(píng)價(jià)超聲波在不同頻率、不同輻照時(shí)間和不同溫度下去除Q235鋼制掛片上碳酸鈣垢的效果，得到了除垢效果最佳時(shí)，超聲波的頻率、輻照時(shí)間和溫度三者的最優(yōu)組合。

1 除垢機(jī)理

超聲波除垢裝置主要由超聲波發(fā)生器和超聲波換能器兩大部分組成，超聲波除垢技術(shù)主要依靠頻率高于20 kHz聲波的空化效應(yīng)、剪切效應(yīng)、活化效應(yīng)去除管壁污垢[6]。

（1）空化效應(yīng)

超聲波產(chǎn)生的脈沖震蕩波在管道中傳播，會(huì)在管道與流體分界面位置處產(chǎn)生大量細(xì)小的空穴和氣泡，流體中的水起到空化核作用，在極限壓力作用下氣泡破潰，與此同時(shí)流體中的細(xì)小顆粒連續(xù)不斷沖刷管道內(nèi)壁，從而進(jìn)一步加劇空化作用強(qiáng)度。氣泡獲得能量后，在聲場(chǎng)的作用下不斷振動(dòng)，在界面處形成的壓強(qiáng)逐漸增大[7]。當(dāng)氣泡迅速膨脹，相互擠壓，突然潰破時(shí)，一方面氣泡界面處產(chǎn)生瞬間高溫[8]，導(dǎo)致液體粘度和表面張力減小，空化閾值降低，促進(jìn)空化氣泡的形成，更加有利于空化效應(yīng)的發(fā)生；另一方面會(huì)對(duì)垢層表面產(chǎn)生一定范圍的局部沖擊力，使結(jié)垢層疏松，產(chǎn)生疲勞和裂縫，形成較多分散的小顆粒，在流體的沖刷下，導(dǎo)致垢質(zhì)脫落[9]。

（2）剪切效應(yīng)

由于結(jié)垢層和管道對(duì)超聲波吸收和反射的能力不同，導(dǎo)致超聲波在兩者之間的傳播存在速度差，從而在兩者界面處產(chǎn)生相對(duì)剪切力，使得垢層與管道內(nèi)壁之間形成的粘合力減弱，污垢附著力減小，垢層易剝落[9，10]。另一方面，當(dāng)超聲波振蕩器的頻率與管道內(nèi)壁上附著的垢層固有頻率相同時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，垢層疲勞松散，垢質(zhì)粉碎，垢物逐漸從管壁上脫落[9，10]。此外，在超聲波的作用下，流體會(huì)形成細(xì)小漩渦，產(chǎn)生旋流效應(yīng)，垢層疏松，同時(shí)也可以避免形成的結(jié)垢晶體在管道內(nèi)壁淤積[11，12]。

（3）活化效應(yīng)

在液體介質(zhì)中，超聲波可以使水分子裂解為活性H自由基和HO自由基，甚至是H+和HO-[11]?；钚訦自由基性質(zhì)活潑，具有氧化性，容易與垢質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，可以把生成的積垢剝落下來(lái)；而HO與成垢物質(zhì)離子可以形成CaOH+、MgOH+等配合物[12，13]，增加水溶解污垢的能力，附著在管道內(nèi)壁的垢量減少。

2 實(shí)驗(yàn)試劑和裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑

在本次試驗(yàn)中，所選擇藥品的等級(jí)和用量均按照SY/T0600-2009《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》的規(guī)定，如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

超聲波發(fā)生器的主要作用是給超聲波除垢裝置提供電能，超聲波換能器是本次實(shí)驗(yàn)的核心部件，其主要作用是從超聲波發(fā)生器獲得的電能，然后轉(zhuǎn)換成超聲波。實(shí)物如圖1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，選擇3種型號(hào)的超聲波發(fā)生器和4種類型的超聲波換能器，實(shí)驗(yàn)儀器的主要參數(shù)見表2。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)SYT 5673-93《油田用防垢劑性能評(píng)價(jià)方法》，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）將除銹、打磨、沖洗、烘干、稱量后的Q235鋼制掛片放入到標(biāo)準(zhǔn)碳酸鈣溶液中，恒溫水浴鍋溫度設(shè)定為60 ℃，24 h后取出掛片，經(jīng)恒溫干燥箱風(fēng)干后，稱量并計(jì)算掛片的結(jié)垢量m0；

（2）將結(jié)垢掛片放入原標(biāo)準(zhǔn)碳酸鈣溶液中，超聲波在不同頻率、不同溫度和輻照時(shí)間下分別對(duì)掛片進(jìn)行處理，稱量并計(jì)算超聲波作用后掛片的質(zhì)量m1；

（3）除垢效果采用質(zhì)量差法，即除垢率計(jì)算公式為：

其中： m0 —超聲波作用前掛片的質(zhì)量，g；

m1 —超聲波作用后掛片的質(zhì)量，g；

E —除垢率，%

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 頻率

在超聲波發(fā)生器功率為1 500 W，超聲波換能器除垢頻率分別為20、28、60和120 kHz，實(shí)驗(yàn)溫度分別為40和60 ℃，輻照時(shí)間分別為5和10 min，作用已結(jié)垢的掛片，計(jì)算處理前和處理后掛片的質(zhì)量差，計(jì)算除垢率，從而得出超聲波除碳酸鈣垢的最佳頻率。未處理前掛片實(shí)物如圖2所示，在頻率為28 kHz，輻照溫度40 ℃，輻照時(shí)間10 min的條件下，超聲波對(duì)結(jié)垢掛片處理后實(shí)物如圖3所示，該實(shí)驗(yàn)合計(jì)16組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。

由圖可知，在實(shí)驗(yàn)溫度和輻照時(shí)間相同的情況下，每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明除垢率隨著超聲波頻率的增加先升高后降低，在頻率為28 kHz時(shí)，除碳酸鈣垢率最大，除垢效果好。

從理論上分析，頻率增加，單位時(shí)間內(nèi)超聲波的交變次數(shù)越多，液體體系中的剪切效應(yīng)增強(qiáng)[14]；另一方面也有利于液體獲得超聲波中的能量，增強(qiáng)超聲波的熱效應(yīng)，瞬間產(chǎn)生的高溫降低空化閾值，利于空化氣泡的形成，加劇空化效應(yīng)的強(qiáng)度。但是頻率過(guò)高，超聲波的能量在傳播過(guò)程中衰減快，熱效應(yīng)減弱，聲波壓縮相時(shí)間縮短，空化氣泡來(lái)不及破滅，有效除垢效果減弱。

3.2 輻照時(shí)間

在超聲波發(fā)生器功率為1500 W，超聲波換能器頻率為28 kHz，實(shí)驗(yàn)溫度為40和60 ℃，輻照時(shí)間分別為5和10 min，處理碳酸鈣垢掛片，稱量處理后掛片的質(zhì)量，計(jì)算除垢率，從而得出超聲波除碳酸鈣垢率與輻照時(shí)間的關(guān)系，如圖5。

由圖中可知，隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲波除垢效果更加明顯，輻照時(shí)間為10 min，除垢率最高可達(dá)72.68%。

理論分析，輻照時(shí)間增加，液體從超聲波獲得的能量越多，空化氣泡和空穴的數(shù)量增加，加速空化效應(yīng)的發(fā)生，另一方面，活化效應(yīng)增強(qiáng)，水分子中裂解的活性H自由基增多，具有氧化性的活性H自由基更容易把積垢剝離，減少碳酸鈣垢在掛片上的沉積。

3.3 輻照溫度

超聲波發(fā)生器功率為1 500 W，超聲波換能器頻率為28 kHz，輻照時(shí)間分別為5和10 min，超聲波在不同的溫度下處理已結(jié)垢的的掛片，稱量處理后掛片的質(zhì)量，計(jì)算除垢率，得到超聲波除碳酸鈣垢率與溫度的關(guān)系見圖6，進(jìn)一步分析得出最佳輻照溫度。

由圖可知，在超聲波除垢頻率為28 kHz，輻照時(shí)間為10 min時(shí)，最佳輻射溫度為40 ℃。溫度從40 ℃升高到60 ℃，除垢率由72.68%降低到43.61%，下降幅度為40.00%。

理論上分析，溫度升高，促使碳酸鈣在水中的結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生，懸浮于溶液中的碳酸鈣顆粒增多；同時(shí)碳酸鈣在水中的溶解度減小，綜合這兩方面可知，溫度升高，加快結(jié)垢過(guò)程的發(fā)生，掛片結(jié)垢量增加，除垢率降低。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)比較超聲波在4種不同頻率下的除垢實(shí)驗(yàn)，采用超聲波處理掛片前后的質(zhì)量差法來(lái)評(píng)價(jià)除垢效果，得到超聲波最佳除垢頻率為28 kHz。

（2）在最佳除垢頻率為28 kHz的情況下，控制超聲波對(duì)掛片的處理時(shí)間，分析得出超聲波輻照時(shí)間為10 min，除垢效果好。

（3）基于最佳除垢頻率和最佳輻照時(shí)間，超聲波在不同的輻照溫度下處理結(jié)垢的掛片，確定超聲波最佳除垢溫度為40 ℃，超聲波除垢能力強(qiáng)。

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