流速對Cu-Zn-X合金防垢效果影響研究

趙德喜 徐振東

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

Cu-Zn-X合金是一種具有多種特殊功能的合金，其防垢功能已成功應用于循環冷卻水的處理。防垢機理表明：當合金與水接觸時，由于其整體電負性比水的小，合金可向水中釋放電子，由于電子的遷移運動使合金周圍形成電場，在電場作用下使水產生極化效應，改變水的靜電動勢，使水中各種物質分子之間結合力場發生改變，水中的固相顆粒受其作用的影響始終處于懸浮和溶解狀態，有效抑制水垢的形成及分散和溶解沉積的水垢，達到防垢的目的。

但Cu-Zn-X合金的防垢效果不僅與其自身的物理化學性能有關，還受使用條件的影響，當使用條件發生變化時，其防垢效果會存在不穩定的現象。本文在室內實驗條件下，采用循環水模擬裝置研究了流體流速對Cu-Zn-X合金防垢效果的影響，為其實際應用提供技術支持。

1 試驗

1.1 裝置

圖2 防垢器裝配模型圖

圖3 溶液中Ca2+濃度變化曲線

為了在動態下研究Cu-Zn-X合金防垢，設計了循環水Cu-Zn-X合金防垢實驗臺，如圖1所示。水箱內安裝有電熱絲加熱，溫度可實現20～80℃之間控制，系統中流體流量可調，實驗管件可拆卸，熱電偶1和2用來監測實驗管的入口和出口溫度，主管道直徑為φ20mm。

防垢器裝配模型如圖2所示，總片數為6片，片間距28mm。防垢片外徑φ125mm，內徑φ70mm，防垢片上的孔沿著周向均勻分布30列，孔徑φ8mm。

1.2 試驗方法

參照標準SYT0600-1997《油田水結垢趨勢預測》和SYT0600-1997《油田水結垢趨勢預測》配置總硬度（以CaCO3計）為3.4mmol/L的實驗用水。應用MP523型離子濃度測量儀測量測定水中鈣離子濃度，其最大量程1mol/L，精度為0.1mmol/L。采用METTLERTOLEDO—AL204電子天平測量掛片質量，其最大稱量210g，精度為0.1mg。

實驗參照石油天然氣行業標準SY/T5673-93《抑制硫酸鈣垢形成標準的方法》，采用掛片法在循環水箱中進行。防垢率的計算公式為：g。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

2.1.1 Ca2+濃度

分別選擇流速為30m/h、60m/h、90m/h、120m/h和 150m/h，在室溫 20℃和加熱至70℃條件下進行防垢循環試驗，試驗進行時間250min，每隔30min測量溶液中Ca2+濃度，不同流速下溶液中Ca2+濃度隨時間的變化如圖3。

2.1.2 防垢率

試驗后前后測量掛片的質量，根據式（1）計算不同流速下的防垢率，結果如圖4。

從圖3可以看出，不同流速下溶液中Ca2+濃度均表現出一致的變化趨勢，即溶液中Ca2+濃度隨時間的增加逐漸下降，當試驗進行到120min時開始趨于穩定。但不同流速下Ca2+濃度隨時間的增加下降的幅度存在一定區別，當流速為30m/h時，曲線位于最下方，Ca2+濃度

式中：E—為防垢率，%；

Δm1—為未經合金處理的結垢質量，g；

Δm2—為經合金處理后的結垢質量，下降幅度最大，其次是60m/h、90m/h、120m/h，當流速為150m/h時，Ca2+濃度下降幅度最小。可見，隨著流速的增加，試驗后殘余在溶液中的Ca2+濃度亦增加。溶液中殘余的Ca2+濃度越大，結垢越少，Cu-Zn-X合金防垢越好，因此流速的增加改善了。

圖4 不同流速下防垢率

圖5 防垢裝置內流場局部流速分布圖

Cu-Zn-X合金防垢效果。同時，從圖3還可以看出，當流速增加到90m/h以上時，曲線比較靠近，即溶液中殘余的Ca2+濃度接近，表明當流速增加到90m/h以上時，流速對Cu-Zn-X合金的防垢影響減弱。

對比圖3（a）和（b），還可以看出，當試驗溫度為70℃時，試驗后各流速下溶液中殘余的Ca2+濃度均低于室溫20℃的，表明溫度升高會促進Ca2+和CO32-的結合，加速水結的形成。但不同流速下Ca2+濃度的隨時間的變化規律與20℃時相似，即隨著流速的增加，試驗后殘余在溶液中的Ca2+濃度亦增加，流速的增加可改善Cu-Zn-X合金防垢效果。

從圖4可以看出，隨流速的增加，Cu-Zn-X合金防垢率明顯增大，當流速達到90m/h時，曲線變

得平緩，防垢率保持穩定。試驗溫度70℃與20℃相比，曲線在下方，防垢率降低。防垢率試驗結果與Ca2+濃度試驗結果吻合。

2.2 分析與討論

由試驗結果可知，流速的增加可改善Cu-Zn-X合金的防垢效果，其原因與Cu-Zn-X合金的防垢機理密切相關。Cu-Zn-X合金的防垢機理是通過電化學方式使流體產生極化效應，改變流體的靜電動勢，使流體中各種物質分子之間結合力場發生改變，流體中的固相顆粒受其作用的影響始終處于懸浮和溶解狀態，有效抑制水垢的形成及分散和溶解沉積的水垢。因此，要發揮Cu-Zn-X合金的防垢作用，必須使流體與Cu-Zn-X合金充分接觸，而流體與Cu-Zn-X合金是否充分接觸與防垢裝置內液流流動狀態密切相關。當防垢裝置內的液流紊亂程度越高時，流體與Cu-Zn-X合金接觸越充分，反之接觸不充分。

為研究不同流速時防垢裝置內液流流動狀，應用FLUENT軟件對防垢裝置內液體流場進行了分析，結果表明：當液體流速小于90m/h時，液體從防垢片的孔中貫穿通過，液流的方向變化幅度很小，流體分層流動，互不混合，為層流狀態，如圖5（a）。在層流狀態下，防垢裝置內液流難以與防垢片的壁面充分接觸，防垢效果差。當液體流速大于90m/h時，液體穿過防垢片后，液流的方向發生劇烈變化，出現強制轉向，流體的流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦出現，防垢裝置內流體出現紊流狀態，如如圖5（b）。在紊流狀態下，防垢裝置內液流可充分與防垢片的壁面接觸，Cu-Zn-X合金的防垢效果提高。

3 結論

（1）溫度影響Cu-Zn-X合金的防垢效果，當試驗液體溫度升高時，可加速Ca2+和CO32-的結合，溶液中Ca2+濃度降低，防垢率亦下降。

（2）在相同試驗條件下，液體的流速影響Cu-Zn-X合金的防垢效果，隨著流速的增大，流場的紊亂程度增加，流體與防垢片接觸的幾率增大，使得Cu-Zn-X合金的防垢功能充分發揮，防垢率上升，防垢效果好。

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