減阻劑在輸油管道中的應(yīng)用

李逢蘭(國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司華南分公司廣西輸油一部，廣西 南寧 530022)

0 引言

液體在管道中流動時有兩種流動狀態(tài)，一種是層流，另一種是紊流，通常采用雷諾數(shù)(Re)來確定流動狀態(tài)。流體在管道中流動時受管道沿程阻力和局部阻力的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)能量消耗，降低管道輸送能力和輸送效率。減阻劑是一種長鏈、高分子量聚合物，可降低摩擦壓力損失，提高烴類產(chǎn)品在管道中的流量，是油品管道輸送系統(tǒng)中的重要組成部分，可降低輸油管道運行的總能耗費用，提高管道輸送效率。

1 減阻劑的組成及減阻機理

減阻劑是高分子碳氧化合物聚合物，呈粘稠狀，屬于非牛頓流體。其中，油溶性減阻劑的分子結(jié)構(gòu)呈線性長鏈，具有較強的柔彈性，常將油溶性減阻劑用于油品管道。

減阻劑按類型可分為水溶性和油溶性兩大類。水溶性減阻劑包括聚氧化乙烯、皂角籽、聚丙烯酰胺等，而油溶性減阻劑包括聚異丁烯、甲基丙烯酸酯、聚長鏈α-烯烴等。目前，油溶性減阻劑中應(yīng)用效果較好的是聚α-烯烴類，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 聚α-烯烴類減阻劑結(jié)構(gòu)示意圖

減阻的機理說法很多，目前尚無定論。常見的減阻假說有偽塑說、湍流脈動抑制說、粘彈說、有效滑移說、湍流抑制說等。

相關(guān)研究認為，減阻作用是—種特殊的湍流現(xiàn)象，減阻劑通過改變管道中流體的流動狀態(tài)來實現(xiàn)減阻作用[2]。減阻劑注入管道流體中后，呈連續(xù)相分散在流體中，依靠本身特有的粘彈性，分子長鏈沿流體流動方向自然拉伸，從而對流體微元的運動產(chǎn)生影響。減阻劑分子間的引力與流體微元產(chǎn)生的反作用力相互影響，減少了無用功的消耗，宏觀上得到了減少摩擦阻力損失的效果[3]。

另一種解釋是：在輸油管道中，由于受摩擦阻力的影響，流體流動表現(xiàn)為紊流狀態(tài)，造成管道輸量降低或能耗增加。在管道內(nèi)注入減阻劑后，靠近管壁的層流底層和緩沖區(qū)面積增加，管道直徑截面上流體的紊流區(qū)域面積減少，如圖2所示，從而降低整個管線中流體的摩擦阻力[4]。

圖2 流體在管道中的流動結(jié)構(gòu)變化示意圖

2 減阻劑的減阻作用

減阻劑注入油品后，能限制油品分子徑向運動，使其沿減阻劑長鏈分子方向運動(即沿管道方向運動)，有效減小油品的紊流程度。根據(jù)流體力學(xué)原理，層流趨勢越高，摩阻系數(shù)越小，減阻劑便是通過這種方式實現(xiàn)減阻、增輸?shù)哪康摹?/p>

管道流體流動阻力的降低，實際上是摩阻系數(shù)的降低，因此減阻率可以表示為式(1)：

式中：λ0為未加減阻劑工況下的摩擦系數(shù)；λR為注入減阻劑后管道內(nèi)油品流動的摩阻系數(shù)。

根據(jù)式(1)，通過計算注入減阻劑前后管道油品摩阻系數(shù)的變化，就能得到減阻率的數(shù)值。

潘子嶓等[5]針對減阻劑的減阻效果在撫鲅成品油管道進行了工業(yè)應(yīng)用研究，研究結(jié)果表明：減阻劑對不同油品均有減阻效果。在93#汽油中添加10 mg/L的減阻劑時其減阻率為14.9%，添加15 mg/L的減阻劑時其減阻率達到18.7%；在0#柴油添加10 mg/L減阻劑時減阻率為23.3%，添加15 mg/L減阻劑時其減阻率達到27.7%。王力等[6]以化王復(fù)線成品油管道進行現(xiàn)場試驗，結(jié)果顯示減阻劑對0#柴油具有較好的減阻、增輸效果?；鯊?fù)線在455.65 m3/h流量工況下，通過加注減阻劑B，減阻率最大可達54%。李海榮[4]則以海外某原油管道為研究對象，加入型號為A01的減阻劑濃度20 mg/L時，減阻率為23%；當(dāng)減阻劑濃度增加至30 mg/L時，減阻率提高到37%。

從以上應(yīng)用試驗可以看出，減阻劑在國內(nèi)外輸油管道中均有應(yīng)用，針對不同油品，加入減阻劑對輸油管道的減阻率均有一定的效果，但減阻效果存在明顯差異，其原因可能與減阻劑類型有關(guān)，后續(xù)應(yīng)針對不同類型減阻劑的最佳使用效果進行系統(tǒng)化研究。

3 減阻劑的增輸作用

在輸油管道系統(tǒng)中，注入減阻劑后可以提高油品輸送量，滿足長距離輸送管道的要求。儀長原油管線采用添加減阻劑的方式進行了比對試驗[7]，在進出站壓力和壓差基本相同的情況下，添加10 mg/L減阻劑后單位時間輸油量增加了507 m3，輸量增幅為15.8%；適量提高減阻劑的濃度對油品增輸具有有益效果，當(dāng)減阻劑濃度提高到15 mg/L時，單位時間輸油量增加了612 m3，輸量增幅達到19%左右。

4 減阻劑對成品油質(zhì)量的影響

減阻劑在輸油管道運行中的減阻作用是一種物理作用效果。輸油管道中注入減阻劑后不會影響油品的質(zhì)量，主要是因為減阻劑僅改變了管道中油品的流動狀態(tài)，并未與油品發(fā)生任何的化學(xué)反應(yīng)[8]。林景麗[9]以某成品油管道的減阻劑進行試驗?zāi)M，研究發(fā)現(xiàn)：減阻劑加注量過大且沒有被流體剪切的情況下才會影響油品質(zhì)量，正常使用減阻劑時將不影響油品質(zhì)量。戴?？〉萚10]指出由于原油成分非常復(fù)雜，不僅含有液態(tài)低烴類物質(zhì)，還含有石蠟、瀝青質(zhì)等重?zé)N類物質(zhì)，注入少量減阻劑對原油質(zhì)量不會產(chǎn)生影響。對于成品油，加入減阻劑劑量小于某一臨界值時則可以滿足要求使用。

5 減阻劑應(yīng)用過程中遇到的問題及解決措施

5.1 減阻劑超期儲存可能會導(dǎo)致減阻劑“分層”現(xiàn)象

當(dāng)桶內(nèi)減阻劑在長時間儲存后，在使用前必須對減阻劑循環(huán)攪拌，直至減阻劑無明顯分層后再注入輸油管線。儲存有減阻劑的桶應(yīng)置于陰涼和通風(fēng)良好的場所，避免長期曝露于陽光下或與熱源接觸。攪拌時的觀察口必須牢固關(guān)封，以防污水、碎屑和烴類物質(zhì)進入桶內(nèi)，同時也可減少藥劑暴露于空氣對流中引起產(chǎn)品蒸發(fā)損耗。

5.2 減阻劑系統(tǒng)在使用過程中經(jīng)常會有堵塞的現(xiàn)象

尤其是在天冷的時節(jié)，減阻劑堵塞的頻率更高。2018年某日，黎塘站監(jiān)控到減阻劑流量下降到0 L/h，現(xiàn)場查看減阻劑桶內(nèi)仍剩余大量減阻劑，初步判斷是減阻劑管路進氣打不上壓力，經(jīng)過排氣后，減阻劑還是不能注入，出口壓力為0 kPa，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)注入泵入口壓力偏高，檢查人員當(dāng)即判斷減阻劑管路堵塞，隨即停用減阻劑注入拆卸管路，發(fā)現(xiàn)管路內(nèi)存有結(jié)塊的減阻劑，然后立即對管路進行吹掃。

5.3 日常減少減阻劑堵塞解決方法

5.3.1 做好減阻劑注入前的各項工作

每次啟動減阻劑注入輸油管線之前，使用空壓機吹氣，對減阻劑進行充分攪拌30 min以上，目測減阻劑均勻分布后停止吹掃。打開減阻劑的過濾器，對減阻劑系統(tǒng)過濾器內(nèi)的雜質(zhì)和結(jié)塊的減阻劑清理干凈后再進行注入輸油管線內(nèi)。

5.3.2 使用保溫材料對減阻劑管路進行包裹

冬季寒冷時節(jié)，減阻劑系統(tǒng)的管路因為氣溫低會結(jié)塊在管線內(nèi)。冷天來臨前，使用保溫材料對減阻劑系統(tǒng)的管路進行包裹，減少低氣溫對減阻劑的影響，減低減阻劑結(jié)塊的幾率。

5.3.3 定期對減阻劑管路進行吹掃

減阻劑長期使用，管路內(nèi)也會殘留有少許結(jié)塊和雜質(zhì)，需要定期對減阻劑管路進行吹掃。吹掃前，暫停減阻劑使用，拆卸減阻劑管路，使用空壓機對管線進行吹掃；拆卸管路時應(yīng)注意管路的位置，避免回裝錯誤影響使用。

6 結(jié)語

隨著人們對石油需求量的日益增長，管道輸油工作量變得愈發(fā)繁重。減阻劑的應(yīng)用能增加管道的輸量，降低輸油能耗，提高管道輸送經(jīng)濟效益。在輸油管道上應(yīng)用減阻劑是大勢所趨，加大對減阻劑生產(chǎn)工藝及減阻機理的研究探索，降低減阻劑的生產(chǎn)成本，提高減阻劑的減阻率和增輸率，是輸油管道工業(yè)發(fā)展的必然選擇。