冷指實驗研究碳酸鋇結垢規律

（中國石油大學（北京）， 北京 102249）

冷指實驗研究碳酸鋇結垢規律

劉 振，王麗玲

（中國石油大學（北京）， 北京 102249）

污垢中的主要成分是碳酸鈣，還有碳酸鋇、硫酸鋇、鎂鹽、硫酸鍶等。國內外學者對碳酸鈣結垢規律的研究很多，對碳酸鋇的研究相對較少一些。通過冷指實驗，控制離子濃度、反應溫度、pH值、反應時間和攪拌速度以及溶液的過飽和度，以研究這些參數對碳酸鋇結垢的影響。結果表明，碳酸鋇垢的生長速率隨著溫度的增加而增加，隨著流速的增加而減小，pH為9時最小，濃度對其生長速率的影響不甚明顯。利用冷指實驗研究碳酸鋇結垢規律是一種較新的方法，其研究成果為油田除垢防垢提供一定的理論依據。

冷指；碳酸鋇；結垢；規律

污垢是指在與不潔凈流體相接觸的固體表面上逐漸積聚而形成的一層固態物質。污垢現象是一種極為普遍的現象，它廣泛存在于化工、動力、制冷等工程技術領域的各種換熱設備中。[1]據國外調查，90%以上的換熱設備都存在著不同程度的結垢問題。污垢給世界各國造成了巨大的經濟損失。包括由于超余設計等導致的投資增加、能量消耗和能量損失加大、設備維護清洗費用增加和停車清洗造成的生產損失等。全世界因污垢而引起的損失占國民生產總值的0.25%以上。2009年北京市的國民生產總值為11 865億元，按此估算，因污垢造成的損失多達30億元。鑒于我國目前的經濟發展水平，實際損失要遠大于此，而因此對生態環境產生的污染和破壞則難以估計。我國北方地區的水質硬度偏高，換熱設備結垢成為普遍的現象，影響極其嚴重。每年因結垢導致大量的水管網及換熱設備報廢，經濟損失巨大，極大制約了我國的總體經濟發展。所以加快研究開發各種先進的抗垢強化傳熱技術，用于節能降耗、保護環境，對我國國民經濟的可持續發展具有重要意義[2]。

污垢中的主要成分是碳酸鈣，還有碳酸鋇、硫酸鋇、鎂鹽、硫酸鍶等。國內外學者對碳酸鈣結垢規律的研究很多，對碳酸鋇的研究相對較少一些，國內某些油田和海上油氣田地層水含鋇量比含鈣量多，因此研究碳酸鋇結垢規律及影響因素具有一定意義。利用冷指實驗研究碳酸鋇結垢規律是一種較新的方法，其研究成果為油田除垢防垢提供一定的理論依據。

2 冷指實驗裝置

用于研究碳酸鋇結構的冷指實驗示意圖如圖1，其實驗流程圖見圖2。

在水箱的外壁進行水浴恒溫，冷指伸入介質中，其內部通過另一水浴系統使其保持特定溫度，該裝置多用來進行原油蠟沉積和垢沉積的研究。當內部不設置螺旋槳時可用來探究靜態蠟沉積和垢沉積規律，當設置旋轉槳時可用來模擬動態蠟沉積和垢沉積。

圖1 冷指實驗研究碳酸鋇結垢規律示意圖Fig.1 The experimental study on cold barium carbonate scaling law of the

圖2 冷指實驗研究碳酸鋇結垢規律流程圖Fig.2 The experimental study on cold barium carbonate scaling law of flow chart

在該裝置上可通過控制水浴溫度和攪拌槳的旋轉速率來模擬不同溫差、不同溫度區間、不同剪切率對原油結蠟和結垢的影響。當冷指壁面溫度低于油溫時，原油中溶解的蠟將析出并沉積在冷指壁面上；當冷指壁面溫度高于介質溫度時，介質中溶解的垢將析出并沉積在冷指壁面上。螺旋槳的轉速可控制冷指表面的剪切應力，此外，由于介質流速的增大，其對流傳熱也隨之增強，從而對蠟沉積和垢沉積速率產生影響[3]。

3 確定冷指實驗步驟

3.1 實驗前期

實驗前20 min將兩臺水浴開關打開，打開之前檢查水浴槽內水位是否高于規定水位，如果水位過低，應先將水浴加滿；

長按啟動鍵大約2 s，將水浴啟動，按動溫度調節鍵將溫度調到預設溫度，如果所調溫度低于室溫，水浴需要制冷，按制冷鍵大約2 s，制冷打開；

提前15 min，取4 L純水，放在低溫恒溫槽內恒溫，低溫恒溫槽的溫度和控制水罐溫度的水浴溫度一致；

將三腳架放平穩，把泡沫墊放在三腳架上，水罐放在三腳架的泡沫墊上，用純水把水罐沖洗干凈；

用純水把螺旋槳和冷指清洗干凈；

將冷指穿過水罐的蓋子，把螺旋槳穿過冷指，而后把穿有冷指和螺旋槳的蓋子一起蓋在水罐上面，通過蓋子和水罐的螺栓連接對心，將蓋子固定在水罐上；

移動IKA，并將螺旋槳固定在IKA上，螺旋槳底部和罐的底部距離保持在20mm，將IKA的轉速調節到100 r/min左右，移動水罐使螺旋槳和冷指對心，無摩擦，并保持冷指平穩，調節好以后關閉待用；

配置氯化鈣和碳酸氫鈉溶液：

（1）分別稱量一定量的氯化鈣和碳酸氫鈉，稱量時直接在燒杯中進行；

（2）將低溫恒溫槽內達到預定溫度的純水取出，加入到裝有氯化鈣的燒杯中，用玻璃棒攪拌進行溶解；

（3）向水罐中加入1 L純水，將溶解好的氯化鈣倒入水罐中，沖洗燒杯兩次，并將沖洗燒杯的水倒入水罐中，讓氯化鈣在水罐中充分分散，停留5 min；

（4）將低溫恒溫槽內達到預定溫度的純水取出，加入到裝有碳酸氫鈉的燒杯中，用玻璃棒攪拌進行溶解；

（5）將溶解好的碳酸氫鈉倒入水罐中，沖洗燒杯兩次，并將沖洗燒杯的水倒入水罐中；

（6）兩種溶液充分混合均勻，繼續加入從低溫恒溫槽內取出的純水到指定水位。

溶液pH值的調節：

（1）用pH儀測定溶液的pH值；

（2）取出200 mL溶液，用濃度5%的鹽酸或氫氧化鈉進行滴定調節，直到溶液的pH值達到實驗表格規定的pH值，記下滴加的鹽酸或者氫氧化鈉的量；

（3）向水罐中滴加8倍的上述所需鹽酸或者氫氧化鈉的量，滴加到水罐中。

打開IKA，轉速按照要求調節，并蓋上水罐缺口處的泡沫以保溫，記錄實驗開始時間；

取4 L純水，放入恒溫箱內，備用。

3.2 實驗換水

隨著實驗的進行，離子溶液的濃度會由于自然沉降沉到水箱底部，所以每隔2 h，對水罐里面的水溶液進行一次置換，換水時一定要小心加入溶液和純水，不要沖刷到冷指，防止沖刷掉上面所結的垢，影響實驗結果。

打開水罐下面的開關進行放水，待水放完畢以后，沿水罐內壁加入純水，將水罐底部沖洗兩次，關閉水罐下面的開關；

配置氯化鈣和碳酸氫鈉溶液：

（1）按照要求稱量氯化鈣和碳酸氫鈉，稱量時直接在燒杯中進行；

（2）將低溫恒溫槽內達到預定溫度的純水取出，加入到裝有氯化鈣的燒杯中，用玻璃棒攪拌進行溶解；

（3）向水罐中加入1 L純水，將溶解好的氯化鈣倒入水罐中，沖洗燒杯兩次，并將沖洗燒杯的水倒入水罐中，讓氯化鈣在水罐中充分分散，停留5 min；

（4）將低溫恒溫槽內達到預定溫度的純水取出，加入到裝有碳酸氫鈉的燒杯中，用玻璃棒攪拌進行溶解；

（5）將溶解好的碳酸氫鈉倒入水罐中，沖洗燒杯兩次，并將沖洗燒杯的水倒入水罐中；

（6）兩種溶液充分混合均勻，繼續加入從低溫恒溫槽內取出的純水到指定水位。

調節溶液的pH值：

（1）用pH儀測定溶液的pH值；

（2）取出200 mL溶液，用濃度5%的鹽酸或氫氧化鈉進行滴定調節，直到溶液的pH值達到實驗規定的pH值，記下滴加的鹽酸或者氫氧化鈉的量；

（3）向水罐中滴加20倍上述所需鹽酸或者氫氧化鈉的量，滴加到水罐中。

蓋上水罐缺口處的泡沫以保溫；

取4 L純水，放入低溫恒溫槽內，備用。

3.3 冷指實驗稱量

(1)實驗時長達到規定時長，關閉水浴，將螺旋槳從IKA上面卸下，記錄實驗結束時間；

(2)將冷指連同蓋子從水罐中取出，放在指定位置進行干燥；

(3)戴上一次性手套，取稱量紙放在電子天平上，清零；

(4)待冷指完全干燥以后，將冷指上面的垢刮下，將垢刮在稱量紙上，刮的過程中要防止垢飛濺到稱量紙外面；

(5)將垢和稱量紙在電子天平上稱量，保留小數點后3位，記錄重量。

(6) 實驗結束后，放干水罐中的水溶液，將水罐、冷指、螺旋槳進行徹底的清洗，擦凈試驗臺。

4 實驗結果分析

4.1 溫度對碳酸鋇結垢過程的影響

溫度對碳酸鋇結構的影響如圖3所示。

控制銅管內壁的剪切應力為0.3 Pa，pH為8.0，實驗介質硬度為600，罐壁溫度為25 ℃，冷指溫度分別為60、70、80、90 ℃，冷指單位面積垢質量和時間的關系如圖3。由圖3可知，在0～20 h內，60～80 ℃內碳酸鋇結垢率隨著溫度的升高而增加，溫度為80 ℃時，硫酸鋇的生長速率最大；在20～50 h內碳酸鋇生長速率隨著溫度的增加而增加，90 ℃時硫酸鋇的結垢速率最快。高溫促進碳酸鋇結垢，這是溫度升高時，難溶鹽在水中的溶解度降低，導致溶液的過飽和而發生結垢；另一方面，溫度升高，使處于介穩狀態的過飽和體系遭到破壞，從而產生沉淀[2]。通過曲線斜率計算得到各溫度下碳酸鋇的垢層增長速率表明，80 ℃下，碳酸鋇的垢層增長速率最大，達到15.99 nm/min，此時結垢趨勢最大，這與溫度對碳酸鋇結垢的影響一致。

圖3 溫度對碳酸鋇結垢的影響Fig.3 Effect of temperature on barium carbonate scaling

4.2 轉速對碳酸鋇結垢過程的影響

轉速對碳酸鋇結構過程的影響如圖4所示。

圖4 流速對碳酸鋇結垢的影響Fig.4 The effect of flow velocity on barium carbonate scaling

控制環道內的實驗介質pH為8.0，實驗介質硬度為600，罐外壁溫度為25 ℃，冷指表面溫度為75 ℃，在轉速分別為90、75、60 r/min的條件下進行實驗。隨著轉速的增大，流態由層流轉向湍流，碳酸鋇生長速率逐步減小，在相同時間段里，流速越小，碳酸鋇晶核生成數目也越多，這是由于流速越小，能夠提供成核的空間越大[4]。由層流過渡到湍流時，碳酸鋇污垢生長速率隨時間的增長曲線明顯與低流速時不同，T. Kim等[5]研究發現注入水溫度和流體流速極大程度地影響垢晶的生長過程，湍流狀態下注入水與管壁相互作用較之層流狀態下更大，提供垢晶更大的成核空間[6]。說明高溫高流速且流動狀態為湍流的環境下最容易生成碳酸鋇沉淀。

4.3 pH對碳酸鋇結垢過程的影響

pH值對碳酸鋇結構過程的影響如圖5所示。

圖5 pH對碳酸鋇結垢的影響Fig.5 Effect of pH on barium carbonate scaling

控制環道內的實驗介質硬度為600，冷指內壁的剪切應力為0.3 Pa，罐外壁溫度為25 ℃，冷指表面溫度為75 ℃，pH分別為8、9、10的條件下進行實驗。由圖5可知，碳酸鋇垢的生長速率隨著pH值的升高是先下降后上升的，在pH為9時達到最小。

4.4 濃度對碳酸鋇結垢過程的影響

濃度對碳酸鋇結垢過程的影響如圖6所示。

濃度對BaCO3結垢的影響不甚明顯, 當水中Cl-含量在415～50 000 mg/L范圍內時結垢量相近[7]。

5 結束語

通過環道實驗，控制離子濃度、反應溫度、pH值、反應時間和攪拌速度以及溶液的過飽和度，以研究這些參數對碳酸鋇結垢的影響。結果表明，碳酸鋇垢的生長速率隨著溫度的增加而增加，隨著流速的增加而減小，pH為9時最小，濃度對其生長速率的影響不甚明顯。利用冷指實驗研究碳酸鋇結垢規律是一種較新的方法，其研究成果為油田除垢防垢提供一定的理論依據。

圖6 濃度對碳酸鋇結垢的影響Fig.6 Effect of concentration on barium carbonate scaling

［1］孫海虹，王蓉莎，盧燕.油氣田結垢預測技術與應用研究[J].斷塊油氣田，1999,6(4):64-66.

［2］高英杰.油田管道成垢影響因素及治理措施研究[D].大慶：大慶石油學院，2010.

［3］李沁，伊向藝，盧淵,等.鎮涇油田結垢原因分析及趨勢預測[J].石油地質與工程，2009，23(4): 128-130.

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［6］羅明良，蒲春生，董經武,等.無機結垢趨勢預測技術在油田開采中的應用[J].油田化學，2000,17 (3):208～212.

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Research on Rule of Barium Carbonate Scaling by Cold Finger Experiment

LIU Zhen，WANG Li-ling
（China University of Petroleum(Beijing), Beijing102249, China）

The main component of scale is calcium carbonate, the rest of which includes barium carbonate, barium sulfate, magnesium salt, strontium sulfate and so on. Many researchers at home and abroad have studied the rules of calcium carbonate scaling, less on barium carbonate scaling. In this paper, through controlling ion concentration, reaction temperature, pH value, reaction time, stirring rate and supersaturation of solution,effects of these parameters on barium carbonate scaling were investigated by cold finger experiment. The results show that the growth rate of barium carbonate scaling increases with the increasing of temperature, decreases with the increasing of flow rate, and is the slowest when the pH value is 9. However, ion concentration has little influence on the growth rate of barium carbonate scaling. The cold finger experiment to study the rules of barium carbonate scaling is a relative new method, the research results can provide theory basis for decaling and scale prevention of oil field.

Cold finger; Barium carbonate; Scaling; rules

TQ 132.3

A

1671-0460（2014）02-0194-04

2013-11-19

劉振（1987-），男，山東菏澤人，在讀碩士研究生，2011年就讀于中國石油大學（北京）石油與天然氣工程專業，研究方向為油氣長距離管輸技術、多相管流及油氣田集輸技術；E-mail: liuzhen09@126.com。