輸油管道減阻率影響因素及預(yù)測模型概述

陳飛 王坤

摘 要：減阻劑對輸油管道減阻增輸具有重要意義。概述了現(xiàn)有的油品減阻機(jī)理假說，從減阻聚合物的物性、油流規(guī)律、管線的幾何尺寸以及操作運(yùn)行狀態(tài)等方面詳細(xì)介紹了對輸油管道減阻率的影響。總結(jié)了三種常見的減阻率預(yù)測模型，并說明了各自的適用性，對在輸油管道上應(yīng)用減阻劑具有參考價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：輸油管道；減阻率；影響因素；預(yù)測模型

中圖分類號：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1946-04

Abstract： It is very significant to use DRA（drag reducing agent） to reduce friction or increase throughput in the oil pipeline. In this paper， existing mechanisms and hypotheses of oil pipeline drag reduction were introduced. Influences of physical properties of DRA， oil flow regularity， pipeline geometric size and operation conditions on drag reduction rate were analyzed. Three common models for forecasting the rate of drag reducing were summarized and their applicability was explained.

Key words： oil pipeline； drag reducing rate； influence factors； prediction models

輸油管道中加入減阻劑主要有兩個(gè)目的：第一，在維持管道輸量恒定下，有效減少油流與管壁之間的沿程摩阻從而節(jié)約能耗；第二，在維持站間壓降不變的情況下，增加輸量。減阻劑的減阻效果常采用室內(nèi)環(huán)道進(jìn)行評價(jià)，即在相同流量條件下，通過測定加入減阻劑前后測試管段的摩阻壓降來計(jì)算減阻率，減阻率（DR%）的定義式見式（1）：

實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中使用減阻劑對節(jié)能降耗，降低運(yùn)行成本起到關(guān)鍵作用。減阻率的大小是衡量減阻效果的重要指標(biāo)，所以有必要分析影響減阻率的各個(gè)因素，歸納減阻率的預(yù)測模型。

1 減阻機(jī)理

微觀上，油品減阻劑是一種長鏈、高分子聚合物。目前國內(nèi)外原油和成品油管道應(yīng)用最多的減阻劑是聚α-烯烴類高聚物，其相對分子質(zhì)量為106～107。

Toms[1]通過實(shí)驗(yàn)研究了管道中加入減阻劑對摩阻系數(shù)和壓降的影響，并最早提出了減阻機(jī)理假說，即偽塑說。Toms認(rèn)為聚合物溶液具有偽塑性，剪切速率越大，表觀粘度越小，流動(dòng)阻力就越小，膨腫性流體的流變特性與偽塑性流體剛好相反，但具有很強(qiáng)的減阻作用，故偽塑說被否定。后來又陸續(xù)發(fā)展出了湍流脈動(dòng)抑制說、粘彈說、有效滑移說等，盡管在該領(lǐng)域的研究很多，但并沒能完全定論。

近幾年中石油管道科技中心也提出了一種油品減阻機(jī)理假說[2]，即“近壁層徑向脈動(dòng)抑制說”。該假說認(rèn)為管內(nèi)流體徑向速度梯度越大，距管壁相等距離處的流體速度越高，流體的平均速度（沿管道截面）或輸量越大。高分子聚合物與流體在湍流狀態(tài)下相互作用，其效果并不是抑制湍流脈動(dòng)而是改變原來的湍流脈動(dòng)結(jié)構(gòu)。從能量學(xué)的觀點(diǎn)看，減阻就是減少能耗。若流體微團(tuán)在沿徑向脈動(dòng)的過程中與柔性單長鏈高分子相撞，則高分子鏈發(fā)生彎曲形變，產(chǎn)生的彈性力阻礙流體脈動(dòng)，但不是把脈動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，而是轉(zhuǎn)變成分子鏈的彈性勢能儲存起來。在分子鏈恢復(fù)形變的過程中，彈性力做功，把彈性能又轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w動(dòng)能，即流體中加入柔性單長鏈高分子后，流體微團(tuán)的徑向脈動(dòng)能只有一部分被耗散，使能耗減少了。

2 減阻率影響因素

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

減阻劑的作用是提高流體的流動(dòng)效率，為了提高減阻效果，在選擇減阻劑時(shí)應(yīng)考慮減阻劑本身的物性：高分子量（摩爾質(zhì)量大于1 000000 g/mL）；抗剪切性；快速溶解性；抗高溫、強(qiáng)光、化學(xué)試劑降解性。管輸稠油時(shí)更適合使用高分子量的減阻劑，并且高分子量的聚合物分子鏈越長，抗剪切性能越好。

減阻劑的作用效果主要取決于減阻劑分子的溶解性、分子鏈的大小以及減阻劑抵抗機(jī)械和熱力降解的能力。減阻效果受如下因素影響：聚合物分子的尺寸和結(jié)構(gòu)、聚合物分子和油分子之間的混合程度、原油或油品物性、管內(nèi)干線流速、溫度、減阻劑濃度、湍流強(qiáng)度和管材性質(zhì)等。

①在其他因素確定的條件下，流體流速越大，減阻劑減阻效果越好。Karami[3]通過雷諾數(shù)反應(yīng)流速的大小，流速越大，雷諾數(shù)越大，湍流的強(qiáng)度越劇烈，減阻劑分子鏈更容易伸展，鏈條長度越長，減阻劑分子的溶解性越好，減阻效果越好。

②減阻劑的濃度是影響減阻效果的一個(gè)重要因素。一般認(rèn)為濃度越大，減阻劑分子的溶解性越強(qiáng)，減阻效果越好，但是當(dāng)減阻劑濃度達(dá)到一定值后，隨著濃度的增加，最佳減阻效果趨于一個(gè)臨界值，不同的減阻劑和不同的流體對應(yīng)的臨界值不同。

③溫度影響聚合物的溶解性、聚合物降解性和流體的表觀粘度。在研究溫度對減阻率的影響時(shí)需要同時(shí)考慮這三個(gè)方面。減阻劑在油流中的溶解性隨溫度的升高而增加。溫度升高，油品的表觀粘度減小，雷諾數(shù)增大，減阻效果明顯。但是溫度過高時(shí)，減阻劑分子鏈會被破壞，減阻劑降解失效；溫度過低時(shí)，聚合物分子容易凝聚成塊，減阻劑溶解能力下降，減阻效率降低[4]。因此，減阻效果依賴于實(shí)驗(yàn)溫度范圍和油品的粘溫關(guān)系。此外，減阻劑的溶解性還與油品中雜質(zhì)物性相關(guān)，當(dāng)油品中含水量和含蠟量超過一定值時(shí)，會降低聚合物的溶解性，使減阻效果下降[5]。水是油溶性聚合物的沉淀劑，它能使聚合物大分子卷縮，從油溶液中沉析，從而失去減阻作用，特別是在低雷諾數(shù)下更加明顯。

④管壁相對粗糙度越大，減阻率越大。管壁粗糙層加強(qiáng)了近壁層聚合物分子和油分子的混合程度，促進(jìn)了聚合物分子伸展，有利于減阻，但管內(nèi)壁的粗糙不平會加速聚合物分子的降解。管壁相對粗糙度由管徑和管壁絕對粗糙度共同決定，對于同樣材質(zhì)的管道，管徑越大，流體更容易形成大量的漩渦，相對粗糙度越小，減阻劑的減阻能力越差。管道內(nèi)加入減阻劑，減阻劑分子改變了湍流的脈動(dòng)結(jié)構(gòu)，管壁粘性底層的厚度增加，當(dāng)粘性底層的厚度接近水力光滑層時(shí)，粗糙管的摩阻系數(shù)減小。

1985年Interthal 和Wilski [6]通過實(shí)驗(yàn)得出了管徑影響減阻率的結(jié)果，在他們的實(shí)驗(yàn)中，管內(nèi)徑從3 mm增加為14 mm時(shí)，減阻率從66%增加到最大值80%，當(dāng)管內(nèi)徑繼續(xù)變大到30 mm時(shí)，減阻率反而下降到76%。這一結(jié)果表明隨著管內(nèi)徑的增大，減阻率不斷增加，當(dāng)達(dá)到最佳減阻率時(shí)，如若繼續(xù)增大管內(nèi)徑，反而會使減阻率略有下降。

⑤管道的幾何形狀同樣對減阻率有很大的影響，大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直管段中的減阻效果比盤繞管中好[7]。2003年Shah和Zhou [8]研究了4種不同直徑盤繞管的減阻效果，結(jié)果表明彎曲程度越小減阻效果越好，隨著彎管管徑的增大，減阻率主要受雷諾數(shù)影響，受彎曲形狀的影響變小。管道的曲率半徑越大，減阻效果越差。2006年Zhou等人[9]研究了不同曲率半徑下減阻劑的減阻效果，研究表明管道的彎曲延遲了減阻劑的減阻作用，這解釋了管道彎曲時(shí)能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓降和二次流現(xiàn)象。同樣減阻效果的最佳值隨著管道曲率的增加而下降。

⑥減阻劑的種類同樣影響著減阻率。主要體現(xiàn)在：減阻劑的組成和減阻劑的沸點(diǎn)對減阻效果的影響。不同種類聚合物分子鏈的彈性不同，彈性越好的聚合物分子鏈減阻性能越好[10]。減阻劑中含有鋁粒子作為外層能夠減緩低溫下聚結(jié)的程度，減阻劑的分子量越大，沸點(diǎn)越高，在油流中的溶解性越好，減阻效果越好。

⑦Interthal和Wilski的實(shí)驗(yàn)[6]中還發(fā)現(xiàn)需要減阻的流動(dòng)介質(zhì)的pH值對減阻率也有一定的影響，相同的實(shí)驗(yàn)條件下，酸性溶液中的羧基不易分解，故聚合物分子在油分子中的溶解效果變差，堿性溶液下的減阻效果比酸性溶液更好。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場應(yīng)用減阻劑時(shí)應(yīng)結(jié)合管道實(shí)際情況，預(yù)測減阻率時(shí)還需要考慮其他的因素，如：管線的結(jié)構(gòu)，減阻劑的注入方式，減阻劑的降解（包括過泵后失效），減阻劑分散時(shí)間等。

①Jennifer在參數(shù)分析法一文[11]中舉例分析了減阻效果隨兩種管線模型的影響。文中以總操作費(fèi)用為目標(biāo)，通過改變減阻劑的加入量，優(yōu)選最佳的減阻劑加入方式。模型A是一條有兩個(gè)中間泵站的長輸原油管道，改變兩泵站中減阻劑的加入量，分析總操作費(fèi)用隨減阻劑量的變化情況。研究得出第一個(gè)泵站使用70×10-6，第二個(gè)泵站使用45×10-6濃度的減阻劑后，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用最高達(dá)到14.6%。模型B是一條輸送四種油品的成品油管道，有四個(gè)中間站，多個(gè)注入/分輸點(diǎn)，同樣是改變各泵站中減阻劑的加入量，建立總能耗費(fèi)用與減阻劑濃度的關(guān)系圖，尋找總能耗費(fèi)用最少下的減阻劑加入方式。這篇文章提出的系統(tǒng)分析各泵站減阻劑濃度對總能耗費(fèi)用影響的方法可以參考，但不足之處是并沒有考慮上一站加入的減阻劑在下一站過泵后的失效情況，以及對該站加入減阻劑濃度的影響。

②減阻劑的注入方式有兩種：均勻注入和非均勻注入。均勻注入法是在泵輸油品之前幾個(gè)小時(shí)將聚合物直接溶解到油流中；非均勻注入法是指在泵后注入聚合物。Vlachogiannis和Baik等人[12]研究發(fā)現(xiàn)非均勻注入法提高了減阻率（甚至能達(dá)到均勻注入法的兩倍），所以在使用減阻劑時(shí)大部分都采用非均勻的注入方式。

③減阻劑在使用過程中不發(fā)生降解是保持減阻效果的關(guān)鍵，高速剪切是減阻劑分子降解的主要原因[13]。流動(dòng)邊界層是剪切速率最大的區(qū)域，在輸油管道系統(tǒng)中剪切最強(qiáng)烈的區(qū)域在離心泵葉片表面以及管壁發(fā)生局部變形的地方，例如閥門、彎頭、變徑管等，直管段的壁面湍流區(qū)附近也會發(fā)生剪切。剪切時(shí)長分子鏈發(fā)生永久性斷裂，使分子鏈的減阻效果下降甚至完全消失。因而高分子減阻劑的抗剪切能力在一定程度上標(biāo)志著減阻劑性能的優(yōu)劣。

④減阻劑不能在全管段起作用，僅在已分散好的管段起作用，減阻劑的作用效果與分散時(shí)間密切相關(guān)，分散時(shí)間又與油品物性和輸送溫度直接相關(guān)[14]。實(shí)際應(yīng)用減阻劑時(shí)，需要充分考慮分散時(shí)間的影響，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，在減阻劑分散期間，減阻劑基本不起作用。分散介質(zhì)的粘度降低，分散時(shí)間縮短，減阻效果增強(qiáng)，這對于短距離輸油管道尤為重要。

3 減阻率預(yù)測模型

上述三種模型是在各自實(shí)驗(yàn)前提下提出的，各有側(cè)重點(diǎn)。只考慮濃度的模型公式是應(yīng)用最廣且應(yīng)用最方便的，但是隨著精度要求的提高，其適用性越來越差。Frank建立的模型考慮了對減阻效果有主要影響的因素，且精度高，實(shí)用性強(qiáng)，故對準(zhǔn)確預(yù)測減阻率起到了重要作用。而最后一個(gè)考慮了非牛頓流的廣義減阻率模型，雖然其考慮得更全面，精度更高，但不易確定其中的參數(shù)，阻礙了該公式的推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本文從理論實(shí)驗(yàn)和實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用兩方面深入分析了輸油管道減阻率的各種影響因素，總結(jié)了減阻率隨各因素的變化規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)分析各影響因素時(shí)，主要采取控制變量法，定性分析影響規(guī)律，但并不能定量確定各因素的影響程度。通過實(shí)驗(yàn)概述出的三種減阻率預(yù)測模型，都存在自身的局限性，往往只適用于相應(yīng)的條件下，但這種分析規(guī)律的方法值得學(xué)習(xí)，為進(jìn)一步研究油品減阻效果提供了參考。分析得出同時(shí)考慮雷諾數(shù)和減阻劑濃度的模型更適合現(xiàn)場實(shí)際使用。

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