高分子湍流減阻及其應(yīng)用進展

張 昕 代曉東 劉 飛 李 雷 辛艷萍 劉 坤 杜以華 于 睿

1. 山東石油化工學(xué)院油氣工程學(xué)院, 山東 東營 257061;2. 東營市俊源石油技術(shù)開發(fā)有限公司, 山東 東營 257000

0 前言

隨著國家“雙碳”目標(biāo)的提出,石油行業(yè)面臨著巨大的碳排放壓力,迫切希望找到一種能夠減少碳排放的方法。所謂減少碳排放,本質(zhì)上就是降低能耗,而石油行業(yè)中降低能耗的重要方法之一就是在油氣輸送過程中使用高分子湍流減阻。高分子湍流減阻能夠顯著降低被輸送流體與管道內(nèi)壁面的摩擦,起到降低碳排放的作用。因此,有必要對高分子湍流減阻這一研究領(lǐng)域進行系統(tǒng)梳理與總結(jié)。

1 高分子湍流減阻的發(fā)展歷史

研究聚甲基丙烯酸甲酯在有機溶劑中的流動降解問題時,Toms B A[1]發(fā)現(xiàn)了高分子湍流減阻現(xiàn)象，即在湍流且流量相同的前提下,有機溶劑中加入聚丙烯酸甲酯時的流動阻力低于純有機溶劑的流動阻力。1948年，Toms B A曾在第一屆國際流變學(xué)會議上發(fā)表了他的研究結(jié)果,并首次提出高分子改變了壁面處的湍流結(jié)構(gòu)，但這篇對原油工業(yè)有著重要意義的論文在當(dāng)時并未受到關(guān)注。分析歷年來的研究論文可知:在原油危機之前,高分子湍流減阻方面的研究成果較少;但在原油危機之后,各大原油公司迫切希望找到降低原油輸送成本的方法以保障原油供應(yīng),因高分子湍流減阻可降低輸送能耗,故而成為研究熱點。

在高分子湍流減阻現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)至今的七十余年中,已積累了眾多研究成果,其中具有里程碑意義的主要有三個[2]。

1)Virk最大減阻線。此成果是Virk P S等人[3]于1970年在美國機械師工程協(xié)會應(yīng)用力學(xué)期刊上發(fā)表提出。1975年,Virk P S[4]將此成果加以拓展,并將更詳細的論述發(fā)表在美國化學(xué)工程師協(xié)會期刊上,該論文也被認為是高分子湍流減阻研究方向最重要的學(xué)術(shù)論文,被引用超過1 400次。

2)高分子湍流減阻在原油管道中的應(yīng)用。20世紀70年代末,研究人員將高分子湍流減阻應(yīng)用在美國橫跨阿拉斯加的管道(長度1 287 km、內(nèi)徑122 cm)系統(tǒng)中,其高分子減阻率達到12%,這是高分子湍流減阻研究最成功的應(yīng)用[5]。

3)高分子湍流減阻的彈性說機理。De Gennes P G[6]在諾貝爾頒獎典禮上發(fā)表了關(guān)于高分子湍流減阻的演講,提出了用軟材料觀點解釋高分子湍流減阻機理,即高分子湍流減阻的彈性說機理。

2 高分子湍流減阻理論研究進展

按照高分子湍流減阻的基礎(chǔ)研究成果分類,主要可分為減阻和降解兩類。

2.1 減阻方面的研究進展

前人研究表明高分子減阻率存在上下限,見圖1。

圖1 高分子減阻率的上下限示意圖Fig.1 The upper and lower limit of drag reduction by polymers

高分子湍流減阻研究數(shù)據(jù)點出現(xiàn)在布勞修斯方程和Virk最大減阻線之間。摩擦因子f的定義可采用式(1)描述。

(1)

式中:f為摩擦因子;d為管道直徑,m;Δp為壓降,Pa;l為管長,m;ρ為密度,kg/m3;u為流速,m/s。

當(dāng)雷諾數(shù)(定義為duρ/μ)Re>4 000時,摩擦因子如圖1實心數(shù)據(jù)點所示,高于Virk最大減阻線對應(yīng)的摩擦因子,見式(2);低于布勞修斯方程對應(yīng)的摩擦因子,見式(3)。

f=0.59Re-0.58

(2)

f=0.079Re-0.25

(3)

高分子的減阻能力是有局限性的,并不能完全將流體的摩擦阻力消除。當(dāng)達到最佳高分子濃度或最佳流速時,摩擦因子不再繼續(xù)減小,即高分子減阻率不再升高。

但最新研究成果表明,對于分子量非常高或者管徑很小的情況,摩擦因子可能突破Virk最大減阻線,如圖1中空心數(shù)據(jù)點所示,即摩擦因子小于Virk最大減阻線對應(yīng)的摩擦因子,進而達到與層流延長線對應(yīng)的摩擦因子[7],見式(4)。不過這些最新研究成果并不能抹殺Virk最大減阻線的重要意義,直到現(xiàn)在,Virk最大減阻線都是研究人員在定性分析數(shù)據(jù)時的重要參照。

(4)

利用式(2)～(4)可以更加準確地確定高分子湍流減阻的上下限,這雖然給高分子湍流減阻的預(yù)測提供了一定的依據(jù),但由于范圍廣,預(yù)測結(jié)果并不精確,給實際預(yù)測帶來了很大困難。為解決這一問題,研究人員從理論計算和實驗兩方面進行高分子湍流減阻的預(yù)測。

理論計算方面,研究人員早期使用被修改過的湍流模型來模擬高分子湍流減阻,也對邊界層理論進行了修飾,希望以此了解添加高分子前后溶劑速度分布的區(qū)別[8]。這些研究中,有些理論研究結(jié)果已經(jīng)被實驗證實。

近年來,在高分子湍流減阻的模擬中,之前提到的模型大多已不再被使用,取而代之的是非線性可伸縮彈性(Finitely Extensible Nonlinear Elastic-Peterlin,FENE-P)模型[9]。在FENE-P模型中,奈維—斯托克斯(Navier-Stokes)方程中的應(yīng)力項被分成兩部分,一部分代表黏性項而另一部分代表由高分子引進的彈性項。FENE-P模型的模擬結(jié)果為流場內(nèi)的速度分布,因此很多研究人員利用例子示蹤技術(shù)來獲得流場內(nèi)的速度分布,進而驗證FENE-P模型的模擬結(jié)果[10-12]。

數(shù)值模擬不能解決所有問題,實驗方面研究者又利用實驗得到摩擦因子或減阻率與高分子的關(guān)系。管道實驗是最常用的研究方法,實驗過程中通過改變管道直徑、流量、高分子濃度、高分子種類以及溫度來研究高分子的減阻能力[13]。而管道實驗又可以分為均相實驗和異相實驗,均相實驗指的是高分子預(yù)先混合在溶液中,通過泵將溶液輸送到管道內(nèi),然后測量壓差[14-15];異相實驗指的是高分子溶液并不預(yù)先混合,而是通過非剪切泵(例如隔膜泵)來將高分子的濃溶液注射到管道中,與純?nèi)軇┫嗷旌?進而測量壓差[16-17]。兩種實驗各有特點。均相實驗使用設(shè)備相對少,但是有一個重要缺陷,即大多數(shù)管道實驗使用的泵均為離心泵。離心泵的工作原理是葉片高速旋轉(zhuǎn),在出口處形成壓力小的區(qū)域,使液體從泵中排出，這導(dǎo)致了高分子很有可能被葉片剪切,進而造成降解。降解后的高分子分子量降低,減阻能力也隨之下降。而異相實驗恰好彌補了這個缺陷，因為注射泵大多為非剪切泵,依靠體積的變化將液體送入管道,高分子沒有經(jīng)過剪切,也就不會被降解,減阻能力也得以保證。除管道實驗外,另一類高分子湍流減阻的實驗設(shè)備是旋轉(zhuǎn)圓盤設(shè)備，這類設(shè)備可用于對高分子湍流減阻做定性分析,但是由于缺乏和管道實驗的直接聯(lián)系,因此使用較少[18-20]。

雖然研究人員有減阻實驗數(shù)據(jù),并以此作為長距離大口徑實際工業(yè)油氣管道的減阻設(shè)計依據(jù),但是實驗室研究和工業(yè)實際應(yīng)用還有較大差距,其中之一就是管徑效應(yīng)。所謂管徑效應(yīng),指的是在其它實驗條件相同的前提下,摩擦因子在不同管徑下并不相同。這給實驗結(jié)果的放大帶來了很大困難。實驗室研究的管徑大多在 20 mm 內(nèi),而工業(yè)實際應(yīng)用的管徑約在50 cm以上,甚至1 m。如此大的差距讓實驗室研究數(shù)據(jù)很難被直接用于工業(yè)實際。為解決該問題,研究人員做出了很多探索性的工作[21-23]。

Hoyt J W等人[24-25]提出了一個用于預(yù)測管徑效應(yīng)的公式,見式(5)。

(5)

式中:Const為常數(shù),其適用條件是高分子分子量和濃度相同。

通過式(5)可以看出,在不同管徑下,只要雷諾數(shù)Re與管道直徑d的比值相同,所得到的摩擦因子f也相同。對式(5)進行展開,可以得到式(6)。

(6)

式中:下標(biāo)1代表小管徑,下標(biāo)2代表大管徑。

通常情況下,實驗室研究的管徑小而工業(yè)實際應(yīng)用的管徑大,因此需要用小管徑數(shù)據(jù)預(yù)測大管徑數(shù)據(jù)。進一步對式(6)進行整理,可得式(7)。

(7)

通過式(7)預(yù)測管徑效應(yīng),需要知道在同一高分子分子量和濃度下小管徑的阻力系數(shù)。大小管徑以及對應(yīng)的雷諾數(shù)Re均為已知,因此,大管徑下的摩擦因子也可以求出。這一方法已經(jīng)被一些數(shù)據(jù)所證實,但并不能預(yù)測所有數(shù)據(jù)。

Virk P S和Baher H[26]從高分子在溶液中構(gòu)象的角度提出了另一個相似的管徑效應(yīng)預(yù)測公式。將回旋半徑用于描述高分子在溶液當(dāng)中呈現(xiàn)的卷曲態(tài)[8],見式(8)。

(8)

式中:rg為回旋半徑,m;υ為動力學(xué)黏度,m2/s;uτ為磨擦速度,m/s。

uτ可由式(9)計算得出。

(9)

式中:τw為壁面處剪切應(yīng)力,Pa。

結(jié)合式(3)、(8)和(9),可以得到式(10)。

(10)

從式(10)可以看出,在已知小管徑的情況下,可以通過實驗得到有高分子添加劑時的壓差;然后把大管徑中對應(yīng)的數(shù)據(jù)帶入式(10),就可以得到大管徑情況下有高分子添加劑時的壓差。但這樣的經(jīng)驗公式并沒有被大多數(shù)實驗結(jié)果驗證。

2.2 降解方面的研究進展

在高分子湍流減阻研究中,另一個不容忽視的問題就是降解。所謂降解,指的是高分子減阻率隨著時間增加而降低的現(xiàn)象[27]。例如在管道中,隨著管道距離的增加,減阻率逐漸降低。導(dǎo)致高分子湍流減阻能力下降的原因是高分子本身的降解。湍流中,剪切速率十分高,而高的剪切速率會將高分子的分子鏈打斷,原本具有較高分子量的高分子消失,取而代之的是具有低分子量的高分子。眾所周知,具有低分子量的高分子減阻能力有限,因此隨著時間的增加,高分子減阻能力逐漸下降。

研究人員試圖找到高分子降解的規(guī)律。因為湍流減阻在管道的應(yīng)用最廣泛,所以研究人員開始在管道內(nèi)進行實驗，但這些實驗并未能達到預(yù)期。在降解實驗中,因為要測定減阻率與時間的關(guān)系,所以不可避免地要進行連續(xù)的實驗。而在連續(xù)的實驗中,就必須要使用泵將高分子溶液吸入排除。實驗中使用的泵大多是離心泵,葉片也會導(dǎo)致高分子降解,這樣就難以區(qū)分高分子是在管道內(nèi)發(fā)生了降解還是泵內(nèi)發(fā)生了降解。因此,管道內(nèi)的降解實驗并沒有起到研究高分子降解的作用[28-30]。

因此,研究人員開始利用旋轉(zhuǎn)圓盤研究高分子湍流減阻在旋轉(zhuǎn)流內(nèi)的降解。旋轉(zhuǎn)流與管道流之間的關(guān)系難以找到,所以旋轉(zhuǎn)流的降解實驗主要目的是對高分子抗剪切性能進行定性評價,比較某種減阻高分子在特定濃度下的抗剪切性能[31-33]。綜上,在研究高分子降解方面,研究人員大多依靠旋轉(zhuǎn)圓盤而非管道。

3 高分子湍流減阻在油氣行業(yè)的應(yīng)用

隨著油氣行業(yè)的快速發(fā)展,長距離輸油管道的建設(shè)規(guī)模日益擴大。但是由于季節(jié)更替、管道腐蝕結(jié)垢等客觀原因,原油輸送的摩阻增加,進而導(dǎo)致原油輸油量減少,造成了能耗浪費和經(jīng)濟損失。為解決該問題,生產(chǎn)中通常采用提高泵功率、增加泵數(shù)量、增建泵站、新建輸油復(fù)線、熱爐升溫降黏等方法,但均存在成本高、工期長、難維持輸油系統(tǒng)的高效運行等缺點[34]。高分子湍流減阻技術(shù)為輸油系統(tǒng)減阻增輸以及減少換熱與腐蝕提供了新機遇。下面對高分子湍流減阻在油氣行業(yè)中的具體作用體現(xiàn)進行敘述。

3.1 減阻增輸

高分子湍流減阻對降低能耗有著十分重要的意義，具體表現(xiàn)可用減阻率DR%或增輸率FI%來表示,見式(11)～(12)。

(11)

(12)

式中:Δps為未加高分子減阻劑前管道的沿程摩阻(管道壓差),Pa;Δpp為添加高分子減阻劑后管道的沿程摩阻(管道壓差),Pa。

3.1.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況分析

表1匯總了國內(nèi)外典型管道添加高分子減阻劑的減阻增輸情況[35-39]。

表1 典型管道添加高分子減阻劑應(yīng)用表

由表1可知,不同類型的輸油管道,添加高分子減阻劑后的增輸量可達到11.6%～71.42%。以臨滄線為例,加劑前管道輸量為661 m3/h,添加高分子減阻劑后管道輸量為813 m3/h,增輸量為152 m3/h，年增輸量可到103×104t。臨滄線管道系統(tǒng)可節(jié)約燃料油約480 t/a,累計節(jié)約運行成本384萬元,效益極為可觀。

3.1.2 高分子減阻劑作用效果的影響因素分析

3.1.2.1 高分子分子質(zhì)量及分子結(jié)構(gòu)

高分子減阻劑自身為高分子聚合物,其分子質(zhì)量至少在106以上,有些高效減阻劑的分子量可以達到107或更大數(shù)量級。經(jīng)過實驗分析可知,高分子減阻劑相對分子質(zhì)量是影響高分子減阻劑作用效果的重要因素。分子量越大,減阻效果越明顯。高分子減阻劑分子長鏈結(jié)構(gòu)中支鏈越少,其減阻效果越好[38]。

3.1.2.2 高分子減阻劑濃度

EP系列高分子減阻劑加劑濃度與減阻率關(guān)系見圖2。由圖2可知，當(dāng)加入一定濃度高分子減阻劑后,高分子減阻劑在管道中迅速發(fā)揮作用,隨著高分子減阻劑添加量的增加,減阻率也隨之迅速攀升。當(dāng)高分子減阻劑濃度增加到一定數(shù)值時,隨著高分子減阻劑濃度的增加,減阻率的提高幅度不斷減小,最終趨于不變。因此在實際管道中添加高分子減阻劑時,需要綜合考慮管道運營成本和減阻劑成本,從而得出管道運行的最優(yōu)高分子減阻劑加劑濃度。

圖2 EP系列高分子減阻劑加劑濃度與減阻率關(guān)系圖Fig.2 Drag reduction versus concentration of EP-seriesdrag-reducing agent

3.1.2.3 雷諾數(shù)Re

圖3是某實驗過程中減阻率隨雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系曲線。由圖3可知,初始階段,隨著雷諾數(shù)Re的增大,高分子減阻劑的減阻效果逐步提高；但達到一定數(shù)值后,減阻效果反而隨著雷諾數(shù)Re的增大而降低。在油品輸送過程中,高分子減阻劑存在著最優(yōu)運行工況,在合適的運行狀況下高分子減阻劑才能真正發(fā)揮其最佳效果。

圖3 減阻率隨雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship between drag reduction and Reynolds number

當(dāng)管徑不同時,高分子減阻劑在管道中最優(yōu)運行狀況也不相同,管徑較大時,高分子減阻劑處于最優(yōu)運行狀況時所需的雷諾數(shù)Re相對較大;反之,管徑較小時,高分子減阻劑處于最優(yōu)運行狀況時所需的雷諾數(shù)Re相對較小。對于實際生產(chǎn)管線中高分子減阻劑的投產(chǎn)應(yīng)用還需要大量的現(xiàn)場實驗進行分析,以確定最優(yōu)加劑濃度、出站壓力、流量以及溫度等參數(shù)。

3.1.2.4 高分子減阻劑剪切次數(shù)

抗剪切性能是衡量高分子減阻劑優(yōu)劣的一個重要指標(biāo),在實際工程應(yīng)用中,有些高分子減阻劑在管道中流動較長距離后減阻效果仍然保持較好;而有些高分子減阻劑在管道中僅經(jīng)過短暫運動后,其長鏈分子大部分斷裂,就會失去其減阻作用,造成生產(chǎn)中的安全隱患。表2為某實驗過程中高分子減阻劑濃度分別為10×10-6和20×10-6抗剪切性能。由表2可見,高分子減阻劑在經(jīng)三次剪切后,減阻率仍保持在原先水平的一半左右。但經(jīng)過長時間剪切后,減阻率下降幅度較大,因此在實際應(yīng)用中還需盡量避免對減阻劑的高強度剪切。

表2 高分子減阻劑濃度為10×10-6和20×10-6時剪切次數(shù)對減阻率的影響表

3.1.2.5 管道類型

有關(guān)研究表明,管道類型與高分子減阻劑作用效果有著直接關(guān)系,而且在直管段中運行的影響因素與在彎管中運行的影響因素截然不同。研究發(fā)現(xiàn),在直管段中高分子減阻劑的減阻效果只與管道粗糙度和流體雷諾數(shù)Re相關(guān);而在彎管中,高分子減阻劑的減阻效果不僅與管道粗糙度和流體雷諾數(shù)Re有關(guān),還受到管道彎曲程度的影響。

3.1.2.6 注入位置

相關(guān)實驗表明,高分子減阻劑起作用的區(qū)域主要體現(xiàn)在過渡緩沖區(qū),將高分子減阻劑注入至過渡緩沖區(qū)的減阻效果要明顯優(yōu)于將高分子減阻劑注入至管道其他位置的減阻效果,因此在向管道中注入高分子減阻劑時,應(yīng)考慮注入位置的選擇。

3.1.2.7 管道粗糙度

經(jīng)相關(guān)研究表明,流動狀況相同時,管道管壁粗糙度越大,高分子減阻劑的減阻效果越好;同時當(dāng)管道管壁粗糙度相同時,管道直徑越小,高分子減阻劑減阻效果越好。

3.1.2.8 其他原因

除上述影響因素外,高分子減阻劑的合成方式以及其本身的后處理方法等也會對高分子減阻劑的減阻效果產(chǎn)生一定影響。另外實驗表明,原油含水量越低,高分子減阻劑的減阻效果越明顯。

3.2 減少換熱和腐蝕

高分子減阻劑的添加不僅能降低管道內(nèi)流體的流動阻力,還能減少其流動過程中的換熱和腐蝕[40-44]。這里的換熱是指從流體到環(huán)境的換熱,而腐蝕是指流體于管道內(nèi)壁面的腐蝕。這兩個高分子湍流減阻的“副作用”對于石油管道同樣有著積極意義。眾所周知,原油大多黏度高,常溫下難以輸送,因此在輸送過程中需要加熱來降低黏度。但外界環(huán)境溫度在大多數(shù)情況下低于原油輸送溫度,因此會發(fā)生從原油(高溫)到環(huán)境(低溫)的傳熱過程。此過程對輸送過程不利,因為換熱的進行,原油溫度隨著輸送距離的增加而降低,進而黏度增大，有時需要額外的能量來使得輸送正常進行。高分子減阻劑的添加恰恰可以解決這一問題。從管道到環(huán)境的換熱量下降,原油溫度變化幅度小,同時減少額外能源的補充。這個優(yōu)勢可以進一步提高原油輸送效率。

高分子湍流減阻另外一個“副作用”是減少原油對管道內(nèi)壁的腐蝕。原油大多具有腐蝕性,因為原油含有硫或磷等元素,這些元素容易和管道的主要成分鐵形成絡(luò)合物，絡(luò)合物造成管道內(nèi)壁變薄,進而降低管耐壓能力,在壓力較高時容易造成管道泄漏。高分子減阻劑添加后,可降低管道腐蝕速率,管道的更換頻率也相應(yīng)下降,減少了設(shè)備維護更新成本。

4 高分子湍流減阻研究方向展望

雖然高分子湍流減阻研究已開展了多年,但還有很多問題有待解決,建議在以下方面繼續(xù)進行相關(guān)的研究探討工作[2]。

1)抗剪切高分子減阻劑的制備。根據(jù)目前研究現(xiàn)狀,柔順的高分子,例如氧化聚乙烯和聚丙烯酰胺,有著很好的減阻能力,但是不能抵抗剪切。此類高分子在高剪切的作用下會很快失去減阻能力。相對而言,剛性高分子有著很好的抗剪切性能,但是減阻作用不明顯,在多數(shù)情況下,需要較高濃度才起到減阻作用。因此,最佳策略是合成一種既有很強的抗剪切能力,又能在低濃度條件下產(chǎn)生明顯減阻效果的高分子減阻劑。

2)多相流湍流減阻。據(jù)統(tǒng)計,現(xiàn)有高分子湍流減阻研究大多集中于單相流,這對于實際工業(yè)應(yīng)用的指導(dǎo)意義十分有限。實際工業(yè)應(yīng)用中的流動為多相流動,即氣液或液液兩相甚至氣液固三相,使目前的研究對實際工業(yè)應(yīng)用的指導(dǎo)受到一定限制,故后續(xù)應(yīng)加大對多相流高分子湍流減阻的研究力度。

3)高分子減阻與表面減阻的耦合。表面減阻指的是在固體表面設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)減少流體流動阻力。很多研究人員也在從事表面減阻的相關(guān)研究工作,并取得了很好的進展。但是,目前還很少有研究人員將這兩種減阻的研究很好地結(jié)合在一起。關(guān)于高分子減阻對表面減阻的影響規(guī)律的見解目前未達成一致。這些問題還有待深入研究[45-48]。

5 結(jié)論

1)通過梳理高分子湍流減阻的發(fā)展歷史可知,高分子湍流減阻自1948年被發(fā)現(xiàn)以來,主要有Virk最大減阻線、在原油管道中的應(yīng)用和彈性說機理這三大具有里程碑意義的研究成果。

2)在研究進展方面,歸納了Virk最大減阻線、數(shù)學(xué)模型和管徑效應(yīng)等若干公認結(jié)論,以及減阻與降解的關(guān)系。

3)敘述了高分子湍流減阻在油氣行業(yè)的應(yīng)用,通過具體應(yīng)用實踐展示出高分子湍流減阻對油氣行業(yè)減阻增輸、降本增效的實際意義。

4)提出了抗剪切高分子減阻劑的制備、多相流湍流減阻,以及高分子減阻與表面減阻的耦合等若干在本項研究中有價值的研究方向。