磁化處理對(duì)原油管道防蠟沉積的影響規(guī)律研究

許楚榮，蔣文軍，陸燦陽，林土明，鐘光龍

（1. 中國石化茂名石化分公司，廣東 茂名 525011；2. 廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525011）

原油組分中含蠟一般較高，在管輸中受環(huán)境低溫影響，極易形成蠟晶沉積阻塞管道，而采用加熱輸送工藝需要投入巨額成本，且會(huì)造成能源浪費(fèi)和環(huán)境問題。近年來，磁處理技術(shù)在原油煉化和輸送中防蠟降黏的效果不斷顯現(xiàn)，因此逐漸得到推廣普及[1]。

目前，國內(nèi)外對(duì)磁場作用后的含蠟原油進(jìn)行了一系列研究論證，在原油防蠟減阻方面產(chǎn)生重大意義[2]。李師瑤[3]利用冷指實(shí)驗(yàn)裝置開展了蠟沉積研究，結(jié)果表明磁場在抑制蠟晶和瀝青質(zhì)析出的同時(shí)，也會(huì)促進(jìn)蠟晶瀝青質(zhì)顆粒聚集。劉艷[4]將強(qiáng)磁防蠟器應(yīng)用于油井中，數(shù)據(jù)顯示該強(qiáng)磁防蠟器能夠清防蠟并延長洗井周期。Shi 等[5]則在有、無磁場條件下通過對(duì)裝置蠟沉積量進(jìn)行研究，結(jié)果表明弱磁處理也能抑制蠟沉積，同時(shí)發(fā)現(xiàn)黏附在冷手指上的蠟經(jīng)過磁處理后更為緊密。

本研究針對(duì)原油模擬油，采用控制變量法進(jìn)行環(huán)道蠟沉積實(shí)驗(yàn)，在宏微觀上同時(shí)觀測以判斷出最佳磁處理?xiàng)l件，進(jìn)而探究磁化作用對(duì)原油蠟沉積機(jī)制的影響，為含蠟原油輸送技術(shù)在我國石油工業(yè)上的應(yīng)用提出依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

從實(shí)驗(yàn)安全和效率的角度考慮，所采用的油樣為煤油與固態(tài)蠟按質(zhì)量比5∶ 2 配制的模擬油。

實(shí)驗(yàn)所用到的主要設(shè)備部件如表1 所示。磁處理環(huán)道裝置利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件搭建而成，其具體構(gòu)建步驟如下：

（1）根據(jù)齒輪泵位置、水浴箱高度、取樣管與磁處理管段高差等參數(shù)搭建長90 cm、寬60 cm、高65 cm 的支撐架，并切割8 個(gè)長20 cm 且能夠穩(wěn)固四腳的支承部件；

（2）安裝過程中生料帶沿外螺紋方向纏緊、多纏；安裝球閥時(shí)要注意方向；

（3）箱里注滿水，打開管路各處閥門后再接通電源，啟動(dòng)齒輪泵對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行通水試驗(yàn)，出現(xiàn)漏點(diǎn)后迅速使用馬克筆標(biāo)記位置，待試水完成再重新安裝漏點(diǎn)處確保環(huán)道密封性；

（4）磁處理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，在取樣管兩側(cè)長1 m平直管道上以8 cm 等間距安裝8 對(duì)永磁鐵（如圖1所示）。完成搭建的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。

圖1 磁鐵等距安裝實(shí)物圖Fig.1 Physical drawing of equidistant installation of magnet

圖2 磁化實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig.2 Schematic diagram of magnetization experiment setup

2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

2.1 原料油配置

本研究原料油的具體配置步驟如下：

（1）在先稱11 L 煤油質(zhì)量為9 400 g，按質(zhì)量比5∶2 稱取3 700 g 固態(tài)蠟；

（2）將固態(tài)蠟搗碎倒進(jìn)10 L 不銹鋼油桶，加煤油至液面低于油桶邊沿10 cm 處，把油桶放進(jìn)溫度設(shè)定為80 ℃的恒溫水浴鍋加熱，當(dāng)水浴溫度升至70 ℃時(shí)油桶內(nèi)的蠟已經(jīng)完全熔化；

（3）將剩余未加熱但已測定質(zhì)量的煤油全部使用玻璃漏斗導(dǎo)進(jìn)塑料油桶，含蠟油也導(dǎo)入塑料桶；

（4）在塑料桶內(nèi)充分混合模擬油，并在油品凝固前將模擬油導(dǎo)入備用油箱。

實(shí)驗(yàn)過程中由于蒸發(fā)及轉(zhuǎn)移油品會(huì)造成部分損耗，配制的模擬油剩存16 L，油品密度為736 kg/ m3。模擬油蠟晶在室溫下處于析出凝結(jié)狀態(tài)，呈現(xiàn)為細(xì)散的微粒，當(dāng)加熱至30 ℃時(shí)蠟晶開始熔解，加熱至40 ℃時(shí)蠟晶完全熔解且油品透明清亮。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先，把實(shí)驗(yàn)油箱放進(jìn)電熱恒溫干燥箱加熱至70 ℃后取出，連接進(jìn)出口軟管整理管路，打開全部閥門并逐一檢查。接通泵機(jī)電源通熱油持續(xù)循環(huán)1 min，對(duì)實(shí)驗(yàn)管道進(jìn)行清洗。清洗完成后關(guān)閉取樣管兩端球閥，卸下取樣管段并回收管中熱油，待取樣管清潔干燥后再接回管道系統(tǒng)中，并使兩端球閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

然后，將恒溫水浴鍋溫度設(shè)定為43 ℃或52 ℃，把冰塊分別放入儲(chǔ)物箱及水桶進(jìn)行16 ℃恒溫控制。此時(shí)儲(chǔ)物箱液面應(yīng)低于取樣管，而當(dāng)加入水桶中冰水混合物后液面應(yīng)高于取樣管2cm 以上。待油箱溫度降至44 ℃或53 ℃時(shí)，將油箱迅速放進(jìn)恒溫水浴鍋，連接進(jìn)出軟管并快速依次打開各處閥門，檢查管道連接準(zhǔn)確性。待油箱溫度降到43 ℃或52 ℃時(shí)，將水桶中冰水混合物迅速加入儲(chǔ)物箱，連接齒輪泵電源通油持續(xù)循環(huán)2 min 后關(guān)閉電源，斷開電源前需記錄油箱溫度。重復(fù)步驟1 清洗管道，保證實(shí)驗(yàn)前取樣管的清潔干燥。

最后，在實(shí)驗(yàn)裝置平直管段以8 cm 為間距安裝磁鐵，并保證磁場與油流方向的合向量大小相等且方向相同。探究磁處理對(duì)蠟沉積的影響，重復(fù)進(jìn)行上述步驟。本研究中將經(jīng)過磁場作用的油樣定義為實(shí)驗(yàn)組；將經(jīng)相同溫度但不進(jìn)行磁處理的油樣定義為對(duì)照 組。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

取樣管的蠟沉積現(xiàn)象明顯。由于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取樣管中仍留存高溫?zé)嵊?，在進(jìn)行拆卸時(shí)受重力作用流出的熱油溶解部分沉積蠟，造成管內(nèi)蠟沉積層厚度分布不均勻，因此以測量沉積層最大厚度為準(zhǔn)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Table 2 Experimental data record sheet

3.2 溫度對(duì)蠟沉積的影響

由表2 可以看出，在水浴溫度恒為16 ℃的條件下，隨著出站溫度的升高，對(duì)照樣品獲取的沉積蠟質(zhì)量由33.48 g 降至26.51 g，蠟沉積層最大厚度從6.1 mm 減至5.6 mm；實(shí)驗(yàn)樣品獲取的沉積蠟質(zhì)量由29.60 g 降至22.41 g，蠟沉積層最大厚度從4.8 mm減至4.4 mm。其原因是油溫升高會(huì)促進(jìn)蠟核形成，致使晶核數(shù)目不斷增多。

在給定的溫度條件下，溶液中的析蠟量保持不變，所以蠟核的增多必然會(huì)降低蠟晶的顆粒尺寸，并提高晶粒的分散度，形成小而彌散的蠟晶[6]。細(xì)微的晶粒不易形成空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)結(jié)附在管壁上，所以提高油流溫度能有效降低管道蠟沉積。因此，在外界溫度一定時(shí)，管道內(nèi)油溫升高會(huì)引起管內(nèi)外溫差增大，從而導(dǎo)致蠟沉積減少。但在冷卻液溫度相同的條件下，隨著油溫升高，蠟沉積中高碳數(shù)組分會(huì)增多，而高碳數(shù)組分的含量決定了蠟沉積的軟硬度，因此在實(shí)際管輸中，油溫并非越高越好[7]。

3.3 磁場對(duì)蠟沉積的影響

由表2 同樣可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，出口溫度為43 ℃的對(duì)照樣品與實(shí)驗(yàn)樣品相比，所獲取的沉積蠟質(zhì)量由33.48 g 降至29.60 g，蠟沉積層最大厚度從6.1 mm 減至4.8 mm；出溫度為52 ℃的對(duì)照y與實(shí)驗(yàn)相比，所獲取的沉積蠟質(zhì)量由26.51 g 降至22.41 g，蠟沉積層最大厚度從5.6 mm 減至4.4 mm。

上述結(jié)果產(chǎn)生的原因是磁場也會(huì)促進(jìn)蠟核的生長，從而形成更多數(shù)量的蠟晶[8]。這進(jìn)一步增大了蠟晶微粒的分散度，致使模擬油中晶粒的分布更趨于均勻穩(wěn)定。磁場作用使得蠟晶不會(huì)在某一溫度區(qū)間內(nèi)大量析出，且析出的細(xì)小蠟晶易被油流沖走，不會(huì)在管壁迅速形成蠟晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到防止蠟沉積堵塞管道的效果。因此，在其他條件相同時(shí)，磁化輸送也能減少管道內(nèi)出現(xiàn)的蠟沉積現(xiàn)象。但磁處理效果并不是與磁場強(qiáng)度成簡單的線性關(guān)系，也不是磁場強(qiáng)度越大，處理效果越好。

4 結(jié)論

通過上述研究可以得到結(jié)論：增大溫差與磁處理都能提高蠟晶的形核速率，致使蠟晶顆粒在油流中進(jìn)一步擴(kuò)散，導(dǎo)致微晶粒在管壁上難以形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而減小了管道內(nèi)壁發(fā)生蠟沉積的可能。但兩組變量存在最優(yōu)極值，過度改變溫度及磁化強(qiáng)度將不利于管道輸送效率，需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行優(yōu)化處理。

研究配制的模擬油各項(xiàng)理化性質(zhì)與原油差異較大，僅驗(yàn)證了磁處理有益于含蠟原油輸送技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)變量梯度大，且變量較少，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能代表變量條件下蠟沉積的整體變化趨勢。