特種合金清防蠟和垢技術在輸油管道上的應用

王 猛,楊 飛，嚴 劍,周玉華，張海峰，張宏偉

(江蘇耐爾冶電集團有限公司,江蘇 靖江 214537)

特種合金清防蠟和垢技術在輸油管道上的應用

王 猛,楊 飛，嚴 劍,周玉華，張海峰，張宏偉

(江蘇耐爾冶電集團有限公司,江蘇 靖江 214537)

在原油輸送管道內，易出現殘留石蠟和垢的沉積，導致管道內的有效通流截面減小，造成輸油困難，降低了輸量，并存在安全隱患。針對石油開采及運輸中出現的結蠟與結垢的問題，研究合金組分、微觀結構和電化學催化作用以及清防蠟和垢效果之間的相互影響規律，設計并優化由多元合金所構成的清防蠟和垢技術結構和參數，豐富和發展清防蠟和垢的作用機理，開發出一種新型的、適用較廣的特種合金防蠟防垢裝置，改變了磁性材料、機械和化學清防蠟和垢的弊端，提高了石油開采與運輸的效益。

石蠟沉積；輸油管道；防垢；防蠟

目前，在我國的原油管道運輸中，最常見的問題是結蠟與結垢，即原油管道中出現的蠟與垢的沉積現象。國產原油大多為含蠟原油，原油在管道內流動的過程中，會析出石蠟、膠質和砂等混合物，并在管壁處沉積。若不及時清除這些混合物，則會影響管道的運輸能力，甚至堵塞管道，嚴重時會造成管道堵塞事故，這不僅會影響油品的正常輸送，還會造成巨大的經濟損失和資源浪費；因此，深入研究蠟、垢的沉積規律和清防技術對提高集輸效率、保障油田安全生產具有重要意義。

1 油田管道結蠟、結垢特點分析

1.1 管道結蠟特點分析

原油輸送管道的蠟沉積是一個復雜的過程，受原油組分、管材性質、雜質、流速、溫度和壓力等多種因素的影響，使輸送變得更加困難。原油中的蠟在低溫狀態下會以片狀晶體析出，易形成網狀結構。其硬度較大，使原油流速緩慢，降低了原油的低溫流動性。隨著管道的運行，結蠟層繼續變厚；當達到一定的結蠟厚度時，管道的有效通流截面變窄，原油流動變慢，進而造成管線結蠟堵塞，抽油機負荷大，電流偏高，泵效降低，并容易發生卡脫事故，同時地面管線縮徑，回壓上升，造成管線經常出現穿孔現象[1]。

結蠟受溫度影響較大，當溫度較低時，高含蠟原油流動性降低，蠟分子運動減慢，易結晶析出。另外，受原油溫度和管壁溫度之間的溫差影響，蠟會在管壁表面結晶，這也是導致管道蠟沉積的主要因素。

1.2 管道結垢特點分析

導致油田管道出現結垢現象的主要因素如下：1)由于地層中的水含有較高濃度且容易結垢的鹽離子，油井在進行采油時，會導致其所處位置地層的壓力、溫度和水成分發生變化，使得該地層原有的化學平衡被打破，從而產生污垢；2)由于2種或2種以上無法融合的水混合在了一起，其中的結垢離子會相互作用，從而產生污垢。

在原油開采中，為了盡可能地將原油開采出來，在很多情況下，需要采取向地下回灌水、注入熱水和注入含各類化學物質的水等手段。許多油田開采出來的石油中水含量>50%，甚至達到95%，因而應進行油水分離和水的循環使用。

一些離子結合后會形成在水中不溶、難溶和微溶的物質，這些物質都很容易成為積累的水垢，也就是鹽類垢。通常這類垢是由碳酸鹽和硫酸鹽組成，典型的是碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇和硫酸鍶等。這種垢的形成一般會經歷成核長大的過程，先是少數垢核心在管道表面形成、附著；然后更多的其他成垢化合物在這些核心周圍聚集，成為更大的垢團。隨著水流的沖刷，一部分垢被沖掉，但其他的垢又在生成，最終可能阻塞管道。

隨著環境水溫的升高，這些難溶或微溶鹽的溶解度下降，就有更多的物質從水中析出，成為水垢。在一些管道中，當溫度>60 ℃時才會出現明顯的結垢趨勢，且溫度越高，結垢的趨勢越嚴重。

水的流速也會明顯影響結垢的趨勢，水的流動越緩和，成垢核心生長的環境越穩定。隨著管道輸送介質流速的降低，水垢出現的概率逐漸提高，另外流速和流向的突然改變也會使結垢加劇[2]。

2 油田管道清防蠟和垢的主要技術

近年來，國內外研究者通過對石油管道輸送中蠟和垢的沉積過程和形成機理進行了大量的試驗和理論研究，從不同角度探討蠟和垢沉積的影響因素，研制和開發出了多種清防蠟和垢的技術及產品，使得石油開采過程中的結蠟和結垢問題得到了一定程度的緩解。目前，國內外清防蠟技術主要可以分為物理清防蠟技術和化學清防蠟技術兩大類，所采用的清防垢技術主要為化學法。

2.1 油田管道清防蠟的主要技術現狀

在油田集輸油系統中常用的清防蠟技術主要包括如下幾個方面。

1)改變管材的性質。可采用玻璃鋼管、塑料管道，以及將與蠟晶結合力較弱的涂料涂在金屬管道上等方法改變管材的性質。對于玻璃鋼管和塑料管道，其表面光滑，使石蠟在管壁的結晶核心有所減少，因此蠟晶顆粒不易在管壁沉積；涂料因為具有極性，涂在管道壁上可以形成極性的表面，因而不利于非極性的石蠟沉積。

2)增加石蠟在原油中的溶解度。其主要方法包括加熱、地面管線保溫以及向原油中摻入輕質組分或其他溶劑油等。

3)磁防蠟。磁防蠟技術是通過對原油進行磁處理，進而減少石蠟在管道表面的析出和結晶，并阻礙蠟晶聚結，從而起到防蠟的作用。

4)生物防蠟技術。微生物防蠟技術是結合含蠟原油的特點和原油蠟沉積的機理，通過試驗篩選出適合所選油樣的菌種，利用微生物本身及其代謝產物的作用，達到原油輸送過程中防蠟的目的。

5)化學防蠟技術。化學防蠟技術主要是通過加入化學藥劑來起到防蠟的作用。采用該方法操作方便，且不影響油井正常生產和其他作業，除具有防蠟效果外，還可以起到降凝、降粘和解堵的作用，因而是目前應用最廣泛的一種防蠟方法。

6)超聲波復合防蠟技術。超聲波復合防蠟技術是把向原油中添加防蠟劑防蠟與超聲波振蕩器防蠟結合起來的一種有效的新的防蠟技術。當原油通過超聲波振蕩器時，由振蕩器振蕩產生的聲化作用可以有效地破壞和延緩石錯結晶，也在一定程度上降低了原油的表面張力；同時它還可以使原油和防蠟劑得到更充分的混合，有助于提高防蠟效果。這種防蠟技術已經在油田的生產實際中得到了應用，取得了較好的防蠟效果[3]。

2.2 油田管道清防垢的主要技術現狀

目前，使用的除垢方法有化學除垢、高壓水噴射除垢、機械除垢、磁除垢及超聲波除垢等，其中化學除垢是最常用的方法。

2.2.1 化學除垢

化學除垢是以垢的類型及組成為依據，選用相應的化學藥劑使之與垢發生化學反應，從而使垢層溶解、疏松、脫落以達到除垢的目的。常見的化學除垢方法有：1)加酸或注入二氧化碳，改善流體的酸度，清除堿性垢；2)在流體中加入螯合金屬離子型或構晶陰離子溶解型除垢劑除垢；3)通過離子交換將流體中的成垢離子濃度顯著降低，從而使已經形成的垢 溶解疏松后，流體攜帶除垢。

化學除垢具有除垢徹底、設備損傷小和勞動強度低等優點，因而成為一種有效的除垢方法。

2.2.2 高壓射流除垢

高壓射流除垢是利用高壓水射流噴向垢層而達到除垢的目的，其具有清洗快速、徹底，成本低，以及不污染環境等優點，該技術已經在工業生產領域突顯了效率高、范圍廣和效果好的極大優勢；但也存在因清理不徹底和除垢后系統內壁粗糙不平，而造成后續生產中更容易引起再結垢的問題。

2.2.3 機械除垢

機械除垢采用移動式除垢機具和強力清管器等對結垢物進行清除。機械除垢因具有操作簡便、價格低廉、施工強度低、范圍廣和無污染等優點而優于

其他除垢方法；但由于機械除垢需采取多遍清理過程才能基本清除積垢，故存在使用不方便、費時費力和清管效率低等問題。

2.2.4 超聲波除垢

超聲波除垢是通過超聲波震蕩，使管道或熱交換器的金屬結垢及金屬器壁同時產生震蕩，在震蕩作用下，由于垢體結構與金屬器壁結構差異而使二者的界面震裂或松動，導致垢體脫落，被其中的流體攜帶而達到除垢的目的。超聲波除垢優于傳統方法之處在于不需使用任何藥劑，可實現節能，環保，提高工效，降低成本。

2.2.5 磁除垢

國內外研究表明，磁場對水溶液的物理化學性質及結晶過程有影響，認為磁場會降低鈣鹽的可溶解性，可降低溶液的電導率、表面張力，影響體系的電極電位。Coey等研究發現，磁場可以增加碳酸鹽溶液中文石(又稱霰石，屬于斜方晶系的碳酸鹽礦物)的含量，在體系湍流情況下，磁場會促進文石而不是方解石(屬于三方晶系的碳酸鹽礦物)的形成；但是，采用磁除垢方法，初期需投入大量資金，不利于推廣[4]。

通過上述對國內外的清防蠟和垢技術特點的分析可以看出，現有的化學防蠟劑、除垢劑污染環境，影響人體健康，而物理防蠟劑技術對于長輸管道成本高且效果不理想。從效果、成本、普適性、能源消耗和環境影響等方面綜合考慮，上述方法均存在一定的弊端；因此發展新型高效的清防蠟和垢技術具有一定的科學意義和實際應用價值。

3 特種合金防蠟防垢裝置

根據多組元特種合金的設計思想，并結合實際應用，綜合考慮合金元素的物理化學性質，開發出含有多種主要組元的合金CuNiZnPbFeSnCoAgM及其制備方法。研究發現，該合金材料具有使原油中的蠟或者膠體物質呈懸浮狀態，不易聚集或吸附于管壁上，具有較好的清防蠟和垢的作用。針對石油開采及運輸中結蠟與結垢的技術問題，研究了合金組分、微觀結構和電化學催化作用以及清防蠟和垢效果之間的相互影響規律，設計并優化了由多元合金所構成的清防蠟和垢技術結構和參數，豐富和發展了清防蠟和垢的作用機理，開發出了一種新型的、適用較廣的特種合金防蠟防垢裝置，改變了磁性材料、機械和化學清防蠟和垢的弊端，提高了石油開采與運輸的效益。

3.1 特種合金防蠟防垢裝置機理

特種合金的多主元帶來的高熵效應能夠有效地降低系統的自由能，抑制合金各組元在凝固過程中的擴散行為，增進主元間的相容性，從而在很大程度上阻止金屬間化合物的形成，獲得單相固溶體結構，是一類新型的特種合金材料。由于合金元素的固溶度遠遠高于平衡濃度，該合金材料在原子和納米尺度具有更為精細的結構，如納米胞狀組織、層片組織等，使合金具有新穎的物理化學性能，如特殊的電化學催化活性等。

管路式特種合金防蠟防垢工具是通過這種合金電化學作用改變液體的活性，利用合金與液體物質中組分的電負性差，使其在相關系統中具有某種靜電催化活性，能夠使從其表面流過的液體中組分的靜電位發生改變和產生極化效應，將產生沉淀或聚集的物質分散和處于懸浮狀態或溶解狀態，避免發生凝結或團聚，有效防止和延緩水垢和石蠟在管道壁上的凝結。

3.2 特種合金防蠟防垢裝置特點

特種合金防蠟防垢裝置具有如下特點。

1)可以實現一種產品同時達到防蠟與防垢的效果。其使用方便，無磁、無電，無需任何化學添加劑，不會污染所處理的液體，也無需額外能源供應。

2)與同類產品相比，性價比高。該裝置是通過靜電催化作用實現防蠟、防垢和防腐，合金本身不參與反應過程，沒有消耗，不需維護，可使用3年以上，且修復后可再使用，投入產出比>1∶20。

3)具有節能、環保、高效、低成本和長壽命的特點。除提高了原油生產效率外，還避免了因除垢和蠟而進行的化學清洗導致的環境污染。原采用化學方法配合機械方法進行垢和蠟的清洗，清洗周期為1次/月，采用特種合金防蠟防垢裝置后，清洗周期可延長至半年以上。

4 應用

特種合金防蠟防垢裝置最早在大慶二廠進行了試驗，結果表明，在水驅轉油站中采用合金粉末4個月后，改變了轉油站沉降水水質，水中的HCO3-離子含量有小幅的降低，變化幅度約為5%，Ca2+濃度提高約25%，Mg2+濃度提高約20%。水質變化說明，在合金作用下，Ca2+離子的溶解性有所提高，同時減緩了陰離子的成垢趨勢，合金對解決碳酸鹽性垢有明顯效果。特種合金防蠟防垢裝置現場安裝照片及使用報告如圖1和圖2所示。

圖1 現場安裝照片

圖2 用戶使用報告

2013年6月初，在吐哈油田吐魯番采油廠雁棲聯合站(三相分離器方向)除油罐來水管路中安裝了一套DN200的管路式特種合金防蠟防垢裝置。之前，由于除油罐來水高礦化度，腐蝕性強，每年需要對除油罐內壁進行約3次的防腐措施處理。在日常生產中，通過加藥口管道添加緩蝕劑和阻垢劑進入管道，以延緩除油罐的結垢和腐蝕。經過分析可知，除油罐以生成鈣鎂鹽垢和腐蝕為主，后期出現嚴重的垢下腐蝕。其工況條件為：三相分離器來水流量65～70 m3/h，壓力≤0.5 MPa；水質情況為礦化度高達8.5萬～9萬，其中Cl-約占一半，鈣鎂鹽垢存在。安裝特種合金防蠟防垢裝置后停止加藥，設備運行正常，于2015年底將管路打開檢查，管道內無垢沉積。安裝裝置前、后管道對比照片如圖3所示。

圖3 安裝裝置前、后照片對比

2015年9月初，在赤峰富邦銅業有限責任公司制氧車間冷卻水管路上安裝了2套DN50的管路式特種合金防蠟防垢裝置。至目前為止，運行正常，管路中未出現任何結垢現象，所有設備內部也未出現因結垢引起的運行異常和停機現象。用戶回饋質量跟蹤服務單如圖4所示。

圖4 赤峰富邦銅業產品質量跟蹤回饋單

5 結語

通過上述分析，得出如下結論。

1)特種合金的多主元帶來的高熵效應能夠有效地降低系統的自由能，抑制合金各組元在凝固過程中的擴散行為，增進了主元間的相容性，從而在很大程度上阻止了金屬間化合物的形成，獲得單相固溶體結構，是一類新型的特種合金材料。

2)管路式特種合金防蠟防垢裝置是通過這種合金電化學作用改變液體的活性，將產生沉淀或聚集的物質分散和處于懸浮狀態或溶解狀態，避免發生凝結或團聚，能有效防止和延緩水垢和石蠟在管道壁上的凝結。

3)特種合金防蠟防垢裝置具有節能、環保、高效、低成本和長壽命的特點，可廣泛應用于石油輸送、石油化工和油水分離等領域。

[1] 官琳悅,王為強. 輸油管道清防蠟技術研究綜述[J]. 當代化工, 2014,43(12):2694-2698.

[2] 王兵,李長俊,朱偉, 等. 結垢及除垢技術在管道中的應用研究術[J].石油化工腐蝕與防護, 2008,25(1)：28-36.

[3] 李俊.塔河油田原油集輸管道防蠟技術研究[D].南充：西南石油大學，2012.

[4] 孫紅鐿，姜艷威，呂端劍.空穴射流清洗技術應用及流場數值模擬研究[J].哈爾濱商業大學學報：自然科學版，2012(6)：735-738.

責任編輯 馬彤

Application of Special Alloy Anti-fouling and Anti-wax Technology in Oil Pipeline

WANG Meng, YANG Fei, YAN Jian, ZHOU Yuhua, ZHANG Haifeng, ZHANG Hongwei

(Jiangsu Nair Group Co., Ltd., Jingjiang 214537, China)

The paraffin and fouling in the crude oil deposited in pipelines can make the decrease of effective cross-section for liquid flowing, the difficulty of oil transportation, and the reduction of the transmission capacity of pipeline. Analyze the characters of paraffin and fouling deposition in the pipeline system, and summarize the currently traditional technologies for avoiding the deposition of paraffin and fouling. Furthermore, the characters and functions of special alloy device for preventing paraffin and fouling deposition are expatiated. Based on this, a new technology is presented for preventing paraffin and fouling deposition in pipeline. It avoids the abuse of the adopting magnetic materials, washing paraffin in the mechanic or chemical way, and preventing paraffin deposition. Finally, the research improves the efficiency of oil mining and transportation.

paraffin deposition, crude oil transportation pipeline, preventing paraffin deposition, preventing fouling deposition

TE 832

B

王猛(1981-)，男，總經理助理，工程師，主要從事流體防蠟、防垢技術產品及節能環保新技術等方面的研究。

2016-10-12