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减阻剂在油气管道上的应用摘要：油气在输送过程中与管壁之间的摩擦阻力是油气管道压降的主要原因，减阻剂能够降低摩擦阻力，减小压降。
本文总结了天然气、原油与成品油管道减阻剂的作用机理以及使用特点，减阻剂对在新管道设计以及运行管道管理的影响。
天然气管道与油品管道减阻剂在作用机理以及使用要求上有各自的特点。
关键词：减阻剂，天然气，油品，管道1.引言天然气、成品油、原油在管道输送过程中与管壁之间存在摩擦阻力，该阻力为管道压降的主要原因。
降低管道压降，对改善管道的设计与操作、提高企业效益有重要的积极作用。
对新建管道，可以在管道铺设前内涂层[1,2]的方式降低管壁粗糙度，降低流体流动时的摩擦阻力。
对于已建成的管道，重新涂敷内涂层难度很高，采用减阻剂为常用且有效的方法。
天然气管道与油品管道中使用的减阻剂均能对紊流下的流动起到减阻作用，但作用机理与使用方法各有特点。
2.天然气管道减阻剂天然气管道中的流动一般为紊流，靠近管壁处气体分子会产生径向运动，造成能量的额外损耗。
天然气减阻剂能够减弱气体的径向脉动，从而降低摩擦阻力。
天然气减阻剂分子一端为极性端，另一端为非极性端，极性端牢固地粘结在管道金属内表面，同时非极性端与管道内的气体接触，形成一层光滑的膜和特殊的气-固界面，该界面减少了气体的径向脉动,降低了摩擦阻力[3,4]。
在现场应用中，减阻剂不仅要具有减阻效果，同时还应对管道安全且对气体物性无影响，减阻剂应当具备四个特点：1.减阻剂与管壁之间需要有较强的吸附力，减阻剂分子能够牢固的吸附在管壁上，能在管壁上形成稳定的膜，同时减阻剂膜能够在管壁上稳定较长的时间；2.减阻剂能够吸收气体的湍能，降低气体运动的能量损耗；3.减阻剂自身应当无腐蚀性，同时不影响天然气的品质；4.减阻剂应当可以溶于某些溶剂，以便配制溶液，能够注入到天然气管道中。
由于天然气减阻剂必须粘附在管壁上且成膜才能发挥降凝作用，而受管道结构的限制，减阻剂只能在站场从管道的一端加入。
输油管道减阻剂减阻剂是一种能减少流体在输送时所受阻力的试剂。
多为水溶性或油溶性的高分子聚合物。
简介例如水溶性的聚环氧乙烷，只用25毫克/千克就能使水在管道中所受阻力下降75％，出水速率增加好几倍，用于灭火或其他紧急用水的场合；油溶性的聚异丁烯用量为60毫克/千克时，即可使原油在管道中的输送能力大大提高，起到增输节能的作用。
用于降低流体流动阻力的化学剂称为减阻剂(drag reducing agent)，简称DRA。
减阻剂广泛应用于原油和成品油管道输送，它是在特定地段提高管道流通能力和降低能耗的重要手段。
流体的摩擦阻力限制了流体在管道中的流动，造成管道输量降低和能量消耗增加，而高聚物减阻法是在流体中注入少量的高分子聚合物，使之在紊流状态下降低流动的阻力。
发展历史20世纪60年代末，美国Conoco公司研制成CDR-101型减阻剂，1972年取得专利，1977～1979年间首次商业化应用于横贯阿À­斯加的原­油管道的越站输送及提高输量方面，并取得巨大成功。
1981年又研制成功CDR-102型减阻剂，比CDR-101型的性能成数倍地提高。
20世纪80年代初，开展了成品油管道的减阻试验，用于汽油、煤油、柴油和NGL、LPG的减阻，到1984年正式在成品油管道上应用。
70年代中期，美国Shellco公司和加拿大Shell Inc公司提出申请减阻剂专利。
1983年，美国Atlantic Richfield co公司研制出Arcoflo减阻剂产品，加入5ppm即可达到20%的减阻效果。
减阻聚合物的生产条件很难控制，国际上只有极少数公司垄断了这项技术，其代表是美国的Conoco公司和Baker Hughes公司，他们的产品基本上代表了目前世界上减阻剂生产工艺的最高水平和发展方向。
1982年，我国浙½­大学开始国产减阻剂的开发和试验工作，1985年进行了EDR 型减阻剂的试生产，并在国内原­油管道上进行了中型试验，产品性能已达到国外70年代初期水平。
入管道流体中后，呈连续相分散在流体中，依靠本身特有的粘弹性，分子长链沿流体流动方向自然拉伸，从而对流体微元的运动产生影响。
减阻剂分子间的引力与流体微元产生的反作用力相互影响，减少了无用功的消耗，宏观上得到了减少摩擦阻力损失的效果[3]。
另一种解释是：在输油管道中，由于受摩擦阻力的影响，流体流动表现为紊流状态，造成管道输量降低或能耗增加。
在管道内注入减阻剂后，靠近管壁的层流底层和缓冲区面积增加，管道直径截面上流体的紊流区域面积减少，如图2所示，从而降低整个管线中流体的摩擦阻力[4]。
图2 流体在管道中的流动结构变化示意图2 减阻剂的减阻作用减阻剂注入油品后，能限制油品分子径向运动，使其沿减阻剂长链分子方向运动(即沿管道方向运动)，有效减小油品的紊流程度。
根据流体力学原理，层流趋势越高，摩阻系数越小，减阻剂便是通过这种方式实现减阻、增输的目的。
管道流体流动阻力的降低，实际上是摩阻系数的降低，因此减阻率可以表示为式(1)：100%RRλλλ−=× (1)式中：λ0为未加减阻剂工况下的摩擦系数；λR为注入减阻剂后管道内油品流动的摩阻系数。
根据式(1)，通过计算注入减阻剂前后管道油品摩阻系数0 引言液体在管道中流动时有两种流动状态，一种是层流，另一种是紊流，通常采用雷诺数(Re)来确定流动状态。
流体在管道中流动时受管道沿程阻力和局部阻力的影响，导致系统能量消耗，降低管道输送能力和输送效率。
减阻剂是一种长链、高分子量聚合物，可降低摩擦压力损失，提高烃类产品在管道中的流量，是油品管道输送系统中的重要组成部分，可降低输油管道运行的总能耗费用，提高管道输送效率。
1 减阻剂的组成及减阻机理减阻剂是高分子碳氧化合物聚合物，呈粘稠状，属于非牛顿流体。
其中，油溶性减阻剂的分子结构呈线性长链，具有较强的柔弹性，常将油溶性减阻剂用于油品管道。
减阻剂按类型可分为水溶性和油溶性两大类。
水溶性减阻剂包括聚氧化乙烯、皂角籽、聚丙烯酰胺等，而油溶性减阻剂包括聚异丁烯、甲基丙烯酸酯、聚长链α-烯烃等。
长输管道的节能与减阻剂的应用摘要：目前，油气输送主要以管道运输为主，在石油天然气工业中发挥着越来越重要的作用。
然而，油气在管道输送过程中会产生极大能耗，为了实现油田节能降耗，研究和推广油气田管道节能技术，成为油田节能降耗目标实现的必然趋势。
本文对输油气管道耗能研究领域，采用的节能技术，并对减阻剂方向进行了研究与分析。
关键词：油气长输管道；节能；减阻剂一油气管道输送分类1.a.原油输送技术我国管输原油多为高蜡、高粘、易凝原油，在输油方式上，经过多年的技术攻关、改造取得了一些成果：如易凝高粘原油添加降凝剂改性输送技术已达到国际先进水平、库鄯输油管道476km不加热常温输送达到了国际先进水平、东北管网经过不断的更新改造等等。
其管输和储存过程有其特殊的流变特性，采用新工艺改善原油低温流变性，降低输油温度，实现原油的常温输送，提高输油效率，降低输油成本，将是我国油气储运领域长期科技攻关的方向。
1.2 天然气输送技术目前，世界已经建成了许多国际、洲际和全国性的大型供气系统。
大型供气系统的建设促进了管道技术的发展，可以通过提高管道监控系统和计算机网络管理系统的自动化水平，严格控制进入管道的天然气质量，提高动力装置机组功率和机组监控技术，采用不同的储气方式满足调峰需求。
我国在大型天然气管道系统的运行管理和维护方面缺少经验、天然气干线管道分布零散、用于大城市调峰型供气的地下储气库极少、管道内涂层技术方面尚处于起步阶段，虽取得了一些成果，但在技术水平和应用范围上还需要进行深入的探索与研究。
1.3成品油输送技术我国成品油输送主要依靠铁路和水运，且形成了以铁路沿线为主要骨架的成品油运销系统，干线成品油管道仅有几条，基本是炼油厂到港口或油库的点对点输送方式。
在具有多个进油点、发油点、输送多品种、多牌号的商用成品油管道方面，目前尚属空白。
成品油管道，还有一些技术、经济、管理方面的问题需要解决。
1.节能技术研究2.1输送工艺节能技术原油降凝剂在馏分油降凝剂的基础上发展起来，通过加入很少量的降凝剂，可改善油品中石蜡的结晶状态从而降低原油的凝点、黏度下降 30% ～ 80%，进而有效改善原油的流动性。
第28卷第1期 油 气 储 运实验研究成品油管道应用减阻剂研究戴福俊3(中国石化销售有限公司华南分公司) 鲍旭晨 张志恒 李春漫 刘 兵 徐海红(中国石油管道研究中心)戴福俊 鲍旭晨等:成品油管道应用减阻剂研究,油气储运,2009,28(1)19～23。
摘 要 依据减阻剂减阻机理、室内试验及现场应用情况,确定了减阻剂应用效果、管道流态和减阻剂结构必须具备的三个条件,给出了提高减阻率或增输率的方法。
分析了减阻剂对成品油品质的影响,提出了实现减阻增输和水力越站时应注意的事项。
主题词 成品油 管道 减阻剂 减阻 效果 分析 应用一、前 言 近年来,我国的成品油管道建设取得了飞速发展,已建成的长距离成品油管道约7000km ,计有兰成渝管道(长为1247km )、乌兰管道(长为1842km )、珠三角(总长为2890km )以及西南管道等。
“十一五”期间,我国预计新建成品油管道约10000km ,新增输油能力约8400×104t/a ,将逐渐形成成品油管道运输网络。
因此,保障成品油管道安全、高效运行非常重要。
减阻剂是一种超高分子量(>106)的单长链聚合物,在湍流液体管道中只需注入微量减阻剂,便可获得明显的减阻增输效果,经济效益可观。
减阻剂减阻技术具有简便、安全、灵活和成本低的特点。
油品管道应用减阻剂已有近30年的历史。
1979年美国CONOCO 公司首次成功地在横贯阿拉斯加的原油管道上应用了减阻剂。
1986年我国第一次在铁大线上进行了减阻剂应用现场试验,此后在多条管道上应用,减阻增输效果明显。
但是,减阻剂在成品油管道上应用较少,至今仅在西南和兰成渝等管道上进行了现场试验。
二、减阻剂应用效果分析 (1)降低新建管道的固定投资。
由于减阻剂可在保持输量不变的条件下明显降低沿程摩擦阻力,因此在保证设计输量的前提下可以降低输油泵规模,减小管径或壁厚。
(2)提高在役管道的输油量。
在管段两端压差不变的情况下,注入减阻剂可以提高输量。
对于单泵站输油管道,只需在出站口注入减阻剂;对于多泵站输油管道,由于各站段的最大可行输量不同(由各站段的最高出站压力和最低进站压力所决定),因此存在最大可行输量最低的站段,称为“瓶颈段”,“瓶颈段”的最大可行输量就是全线的最大可行输量。
若在“瓶颈段”注入减阻剂提高输量,则全线最大可行输量也将得到提高。
但此时又存在新的“瓶颈段”,若想继续提高输量,则应在新的“瓶颈段”处注入减阻剂。
(3)确保已腐蚀管道的安全运行。
埋地管道受周围土壤和管内油品中腐蚀性物质的影响,管壁内外表面都会受到腐蚀,使管壁变薄,耐压能力下降。
注入减阻剂后,既可以维持原输量,又可使出站压力明显降低,从而保障管道运行安全。
(4)避免在自然条件恶劣地区建泵站。
长输管道沿途会经过沙漠、沼泽、高山、严寒等自然条件恶劣的地区。
从交通、生产、安全和生活等方面考虑,在这些地区应尽量不建或少建输油泵站。
应用减阻剂可以明显降低沿程摩阻,因而在输量和出站压力不变的情况下能够延长站间距,并合理调整管道参数,可以达到在某一区域不建或少建泵站的目的。
(5)满足油泵轮换维修和连续输油的需要。
一个输油站通常为多台油泵同时运行,应用减阻剂可以减少运行泵的数量,增加备用泵数量,避免出现因泵故障而停输的危险。
3511455,广东省广州市南沙区黄阁镇小虎大道小虎油库;电话:(020)39916188。
・91・三、减阻剂应用条件 虽然油品管道注入减阻剂可以获得明显的减阻增输效果,但是若减阻剂结构和管流状态不满足要求,将会降低减阻效果,甚至产生增阻现象。
因此,需要依据减阻机理和实用情况,找出应用减阻剂时必须具备的条件。
目前对减阻剂减阻现象有多种解释,文献[1]提出的减阻机理可以解释至今所有的试验现象,其基本要点如下。
当壁面切应力足够大时,摩擦切应力会拉长流体边界层中减阻剂分子长链,使其转动、定向在管轴方向,并具有一定的弹性。
若线度远小于分子长链的流体漩涡或径向脉动流体微团与分子长链相碰,则分子长链会发生弹性形变,抑制流体径向脉动速度,并将流体脉动能转化为分子长链弹性势能,而后随着弹性形变恢复,弹性势能又转变成流体动能,减少了能耗。
流体径向脉动速度的减小导致流体边界层中时均速度梯度增加,并引起管道中每一点的时均速度增大,使管道流体平均速度或输量增加。
由此可知,若要使减阻剂在流体管道中具有减阻增输作用,则管道流态和减阻剂结构必须具备以下三个条件。
(1)减阻剂分子是单长链结构,其长度远大于流体漩涡或脉动流体微团的尺寸,否则两者相撞时分子长链不会发生弹性形变,而只会平动,不能减小流体脉动速度。
文献[2]通过测量不同摩尔质量(摩尔质量与分子链长度成比例)减阻剂的减阻效果后指出,减阻剂的摩尔质量必须大于106才有减阻作用。
(2)管道流体中必须存在流体漩涡或流体脉动,即管道流体必须处于湍流状态。
(3)流体边界层中存在合适的摩擦切应力,摩擦切应力太小不足以拉长和定向减阻剂分子长链,太大又可能会“拉断”减阻剂分子长链,多次拉断后会使其摩尔质量小于106。
上述三个条件必须同时满足,只要一个条件不满足,则减阻剂在流体管道中就没有减阻作用。
四、提高减阻剂减阻作用的方法 在减阻剂摩尔质量大于106和管道流体处于湍流的情况下,减阻剂是否有减阻效果和减阻率大小主要取决于流体边界层中摩擦切应力的大小和分布情况。
由于管道流体中任一点的摩擦切应力都是与壁面切应力成正比,而且随着该点距管轴距离的增加而增大〔1〕,因此壁面切应力是流体边界层中最大的摩擦切应力,壁面切应力的变化规律可以反映流体边界层中摩擦切应力的变化规律。
由流体力学基本知识可知〔3〕,对于任何流体管道,由于τo=u23ρ,u≈20u3和Re=uDv,因此得到:τo≈Re2vμ400D2(1)式中 τo———壁面切应力,流体边界层中或管道截面上最大的摩擦切应力,Pa; v———流体运动粘度,m2/s; μ———流体动力粘度,Pa・s; D———管子内径,m; Re———雷诺数; u———管道流体平均速度,m/s; u3———切应力速度,m/s; ρ———流体密度,kg/m3。
式(1)表明,τo是个多变量函数,随着Re2、v和μ的增加而增大,又随着D2的增加而减小,因此研究τo随某一参量变化的规律时,必须保持其它参量不变。
设壁面切应力的合理范围为τo min<τo<τo max,当τo<τo min时,摩擦切应力太小,不足以定向减阻剂分子长链,无减阻作用;当τo>τo max时,高速剪切开始使减阻剂分子降解,逐渐失去减阻作用。
若某一条管道中流体的物性不变,则存在与τo min、τo max相应的最低临界雷诺数Re min和最高临界雷诺数Re max。
在Re min<Re<Re max范围内,减阻率随Re的增加而增大;当Re>Re max时,减阻剂分子被高速剪切而降解,减阻率出现拐点并逐渐下降。
由于稳定湍流的起始雷诺数为4000,因此当Re min <Re<4000时,虽然流体边界层中摩擦切应力可把减阻剂分子长链定向在管轴方向,但是由于流体脉动或漩涡不一定存在,因此不一定产生减阻作用,最低临界雷诺数应是4000而不是Re min。
如果Re min >4000,则能够产生减阻作用的最低临界雷诺数就是Re min。
因此,当管输流体物性不变时,提高减阻率的方法就是增加输量即增大雷诺数,一旦减阻率不再提高,表明雷诺数已达到最高临界雷诺数Re max。
减阻率随雷诺数增大而提高的现象,已在室内试验和油品管道减阻增输试验中得到验证。
当然,增加减阻剂注入量或换用摩尔质量更大的抗剪・2・油 气 储 运 2009年 切性能更好的减阻剂,同样是提高减阻效果的有效方法〔4、5〕。
若管输油品物性发生变化,则临界雷诺数Re min和Re max 也发生变化。
例如用原油管道改输成品油时,如果成品油粘度是原油粘度的1/N ,则临界雷诺数Re min 和Re max 将增大N 倍。
在新的临界雷诺数范围内,增加输量才会提高减阻率。
当利用小管径室内环道模拟大管径工业管道时,若管径相差N 倍且油品物性相同,则室内环道测试的减阻率相当于雷诺数放大N 倍后工业管道的减阻率。
由于式(1)是近似的,因此得出的结论也是近似值。
五、减阻剂对成品油品质的影响 目前采用的减阻剂产品都是水基、醇基或油基减阻剂,是在经过超低温粉碎的本体聚合物中添加固体分散剂、增稠剂、表面活性剂等化学物质后再经过高速搅拌得到的浆状悬浮液。
由于原油成分非常复杂,除碳、氢外还含有少量氧、硫、氮等其它元素,既含有液态低烃类物质,又含有胶质、沥青质和石蜡等重烃类物质,因此加入少量减阻剂对原油品质没有明显影响。
但是,成品油是由低分子量的轻烃组成,且干净无杂质,而减阻剂是超高分子量烃类,并含有其它化学成分,因此,注入减阻剂可能对成品油品质产生影响,在应用前应对其影响作出评估。
首先检测不同加剂浓度的成品油的品质。
任何成品油的品质参量都存在合格范围,且在出厂时都有一定的富余量。
由于减阻剂注入量极小,因此加剂油品的质量虽然会降低,但当加剂量小于某一临界值时可能仍然满足要求使用,只要管道油品中加剂量小于该临界值即可应用。
减阻剂分子长链中仅含碳、氢两种元素,与成品油为同族烃类物质,应用前将含剂油品经过一定时间的泵剪切使其降解,对成品油质量的影响会明显降低。
在减阻剂产品的后处理过程中,需要添加固体分散剂、增稠剂和表面活性剂等化学物质。
在用于成品油管道的减阻剂产品中,应避免添加对成品油性质有影响的化学成分。
中国石油管道研究中心已研制出成品油减阻剂,并在兰成渝、西南和抚鲅等成品油管道上进行了现场试验和应用。
六、减阻剂注入及其效能分析 1、 减阻剂注入系统原油或成品油管道其减阻剂注入系统是相似的。
图1是中国石油管道研究中心研制的减阻剂注入系统的工艺流程图。
利用倒料泵将减阻剂从包装容器送进搅拌储罐中,通过搅拌使其保持流动性和均匀性。
打开出料阀使减阻剂进入喂料泵,为注入主泵提高足够的吸入压力。
利用流量计记录和确定减阻剂的实际注入速率和累计注入量。
图1 成品油减阻剂注入工艺流程图 2、 减阻剂注入点减阻机理指出,减阻剂分子长链必须远大于脉动流体微团的尺寸才具有减阻作用;试验数据表明,减阻剂分子摩尔质量大于106才具有减阻效果,且摩尔质量越大,减阻率越高。
因此,保证减阻剂在应用过程中不降解是保持减阻效果的关键,高速剪切・12・第28卷第1期 戴福俊等:成品油管道应用减阻剂研究 是减阻剂分子降解的主要原因。
由于流体边界层(固体表面附近)是剪切速率(速度梯度)最大的区域,因此在输油管道系统中,最强烈的剪切发生在离心泵的叶片表面和过滤器的栅网附近;其次是管壁发生局部形变的地方,例如阀门、弯头、变径管等;再次是直管段的壁面附近。
