超声波对硫酸钡结垢影响规律研究

刘 振，王丽玲

（中国石油大学（北京）， 北京102249）

对胜利油田冬辛采油厂的广利油田、现河采油厂的王家岗油田调研发现，硫酸钡结垢腐蚀主要发生在集输管线和计量站上。调研还发现，从油井到计量站的管线上结垢不如在集输管线上结垢严重，原因是不配伍的两种地层水混合会使集输管线大量结垢。我国目前大多数油田处于开采后期，具有液量大，含水高的特点。含有Ba2+、Ca2+、Mg2+、、的两种产出液混合后，其结垢量大，结垢速度快，导致计量站堵死集输管线穿孔，造成巨大经济损失，并严重影响原油安全生产。如东辛采油厂广利油田，广6输油站混输管线，生成硫酸钡、硫酸锶结垢产物，对管线堵塞严重，在2001年6月份换新管线，到9月份混输管线回压已升至1.3 MPa，不得不再次更换新管线。

1 超声波除垢研究现状

1.1 国外超声波技术应用情况[1]

国外对超声波技术研究起步较早，在油田防垢和除垢方面，美国和前苏联最早运用超声波技术并取得较好的效果。美国曾在德克萨斯州，对240 km2范围内的 21口油井进行了超声波辐照防垢除垢实验，取得了良好的效果，辐照后油井原油产量也得到了提升，是未使用超声波辐照产量的7.75倍。

前苏联达格斯坦苏阿姆斯库地区油田水硬度为595 mg/L，地面盐垢的沉积速度达1 mm/d，使直径为102 mm的管线经常在2～3个月内就会被堵死。1977年，前苏联在该地区进行超声波防垢试验后，输送管线运行情况得到改善。前苏联下瓦尔托夫油气联合局也进行过机械式超声辐射防垢除垢实验，实验前泵周期64 d，使用后周期延长到170～250 d。

俄罗斯苏哈库姆区的多井计量装置，由于当地地层水矿化度大，水的硬度高，结垢速度可达 1 mm/d，2～3个月后就能使管子完全堵死。使用超声波除防垢技术后，无须将堵死管道换新，也不会影响油田生产，从而每年节约3.8万卢布，且该技术非常安全可靠。

俄罗斯 Bochkarev等就用于大型热交换设备的超声波防垢产品进行介绍。2000年，波兰科学家Listewnik.J等人曾提出，俄罗斯生产的超声波除防垢产品也可运用于波兰。德国Schmucke等人提出，脉冲超声波在锅炉上可以有效防垢。

1.2 国内超声波除垢技术发展现状

近年来，我国就超声波除垢与防垢技术的科研价值及应用前景进行不少的研究。

陈先庆将 UPP超声波介质处理器应用于四川石油局川西南矿43号站的污水回注管线，进行除垢与防垢实验。其回注水矿化度约为200 mg/L，通常会使直径为φ105 mm的输水管堵死。在使用超声波除防垢设备的情况下，泵压明显降低，经过超声波处理后，管线在输送污水过程中管内无块状垢形成，其原有的积垢也逐渐消失。

在孤岛油田垦利联合站长距离输液管线中的流体，矿化度高，达6 000 mg/L，结垢明显。张锡波等利用超声波技术对长距离输液管线进行了为期一个月的超声波防垢作业，压力可降至2.36 MPa，管道内壁、滤板、泵等设施结垢量下降。

中国石化金陵分公司的孙晓霞等将超声波除垢技术应用于重油催化裂化装置油浆循环系统换热设备，并进行试验表明，该系统应用超声波技术能够满足在线运行的工况要求，除垢与防垢效果非常好。

超声波技术作为一种极具潜力的技术，具有作用时间短、投入少、见效快、对环境和管线无污染等特点已展现了良好的前景，只要对其作用机理进行深入研究，并在室内实验和现场试验的基础上，进行反应器设计及工艺具体参数的选择，超声波油田防垢处理技术必将取得较好的效果。

2 超声波除垢机理[2,3]

2.1 空化效应

向管道内流体发射超声波时，由于空穴效应，流体内部将产生大量的空穴和气泡，这些空穴和气泡在外声场的作用下发生振荡、生长、收缩及坍塌，从而当它们破裂时，液体内部会产生强大的局部压力和瞬间高温。在这种效应下，局部压力可以达到数百至上千大气压，空化泡破裂时，以气泡为中心向周围发射冲击波，产生很大的冲击力，从而将垢层击碎，并形成大量孤立分散的小颗粒，管壁上的垢便被清除下来并悬浮于液体介质中，还能使不同介质的分子之间相互渗透，不易聚集、沉淀。

2.2 活化效应

超声波在液体介质中的空化作用可以产生一定的效应，使液体状态、结构、组分和功能发生一定的变化，例如可以使水分子分解为H+和OH-离子。其中，OH-能和诸如Ca2+、Mg-等成垢离子反应形成配合物 CaOH+、MgOH+，增加水的溶解能力，其溶垢能力便相对提高。超声场作用下的溶液能够产生大量自由基，自由基与垢的晶核发生作用下，不能生成沉淀离子，晶格也停止生长，从而阻止了垢的形成。另外，超声波能提高液体和成垢物质的活性，活化效应能提高流体和成垢物质的活性，提高垢的溶解能力，从而破坏垢的生成条件和管壁上积垢的条件，因此成垢物质在液体中形成分散沉积体而不至于在管壁上形成垢[4]。

2.3 机械剪切效应

由于超声波辐射在液体介质、垢层、管壁的吸收和传播速度不同，速度便产生一定的差值，于是垢层和管道内壁的界面处便形成相对剪切力，使两者间的结合力减弱，因而垢物不易在管道内壁上沉积、积块。超声波在介质中传播时，周围介质质点也随之振动，当超声波振荡器发生的振荡信号使管内壁上的垢层发生共振时，可使垢物逐渐从管壁上脱落。另外，超声波的高频振动以及辐射压力可以在流体中形成搅动与流动，从而降低液体表面张力和摩擦力，垢晶体便无法在管道壁上沉积[5]。

2.4 抑制效应

在超声波声场的作用下，液体物理化学性质能够便改变。并缩短垢的晶核成核诱导期，刺激微生成小晶核。其微小晶核表面积大、质量轻、体积小，悬浮在流体中，其界面比管道内壁面积大很多，从而具有争夺流体中离子的能力，并抑制成垢离子在管道内壁上成核与长大，粘附于界面上成垢离子的数量也相应减少，减小垢的沉积速率[6-7]。

3 确定实验设备规格尺寸

3.1 CCD

CCD英文全称是Charge-coupled Device，中文全称是电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵 CCD，即包括 x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成（图1、2）。

图1 动态实验研究超声波对碳酸钙结垢影响规律流程图Fig.1 Dynamic experimental study on ultrasonic scaling effect of the flow chart of the calcium carbonate

图2 超声波波场作用槽内试验段剖面图Fig.2 Ultrasonic wave field test section profile groove

3.2 换热器流道的选择

进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关，且冷凝液容易排出；⑤若两流体温度差较大，选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。

3.3 泵的选择

离心泵选取时应注意以下几点：

（1）根据被输送液体的性质和操作条件，确定适宜的类型；

（2）根据管路系统在最大流量下的流量Qe和压头He确定泵的型号。要使所选泵所能提供的流量Q和压头H比管路要求值可稍大一点，最后应列出泵的有关性能参数和转速；

（3）当单台泵不能满足管路要求时，要考虑泵的并联和串联；

（4）核算泵的轴功率 若输送液体的密度大于水的密度，则要核算泵的轴功率。另外，要会利用泵的系列特性曲线；

威乐泵是应用于普通的供水、供水增压及农业用水、灌溉用水、冷却水的循环设备。其结构是普通非自吸型的卧式多级离心泵，为吸入和排出口垂直的块型结构。输送液体相接触的所有部件均采用STS304制作，适用于饮用水、供水设备，取得德国KTW 及 WRC的认可，泵和电机的轴为整体式MONO－SHAFT，设置了不受旋转方向影响的通用机械密封，并装有用于投入和排出引液的管嘴。应用最新机构技术，降低了噪音。电机形式是T.E.F.C笼型、封闭型，冷却方式是风冷式，保护等级是IP54，绝缘等级是F级，电源规格是三相230 V and 400 VY/50 Hz，单相230 V/50 Hz，允许电压差为额定电压的-10%～ +10%。

3.4 涡轮流量计的选型

涡轮在被测流体冲击下旋转，其转速随流量的变化而变化，流量大，涡轮的转速也大。涡轮的转速经过磁电转换装置转换为相应频率的电脉冲，通过前置放大器放大后，进入显示仪表进行计数和显示，获取单位时间内的脉冲数和累计脉冲数，求出瞬时流量和累积流量。

涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动并冲击涡轮叶片时，作用在叶片上的力与流量、流速和流体密度乘积成比例，推动涡轮旋转。叶片在涡轮旋转时，周期性地切割电磁铁产生磁力线并改变线圈的磁通量。由电磁感应原理可知，线圈内将产生脉动的电势信号，此信号的频率与流量成正比。将涡轮变送器输出的脉冲信号经前置放大器放大后送入显示仪表，从而实现流量的测量。

涡轮流量计的选型：

（1）流量计本体选取具有防腐的316不锈钢材料，防爆区还必须具有防爆功能；

（2）轴承规格一般有炭化钨，聚四氟乙烯，碳石墨等三种。碳化钨的精度最高，可作工业控制的标准件。聚四氟乙烯，碳石墨具有防腐功能，化工场所一般优先考虑。轴承寿命与流体流速的平方成正反比，故流速最好在最大流速的1/3最佳。

（3）感应探头：检测转动体的运动并将其转化为脉冲数字电信号，如果电压输出值接近正弦曲线，则脉冲信号的频率范围将随测量流体的流量呈线性趋势，规格有10:1，25:1 和100:1等3种。电磁线圈的电阻一般小于2 000 Ω，超过该值将损坏。

3.5 换热管尺寸的选择

换热管常用的外径壁厚主要为Φ19 mm×2 mm、Φ25 mm×2.5 mm和Φ38 mm×2.5 mm的无缝钢管以及Φ25 mm×2 mm和Φ38mm×2.5 mm的不锈钢管。标准管长有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0 m等。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。据计算，将同直径换热器的换热管由Φ25 mm改为Φ19 mm，其传热面积可增加40%左右，节约金属20%以上。但小管径流体阻力大，不宜清洗，易结构堵塞。一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。

4 实验结果及分析

5.1 超声波功率对碳酸钡结垢的影响

实验段1和实验段2先采用铜管进行实验，然后再换成不锈钢管材。实验过程为：将超声波功率分别设置在100 、200 W处，调节系统管内剪切力达0.3 Pa。用天平称出实验段1和实验段2在无超声波作用和有声波作用时实验前的重量，当系统运行一段时间后，取下实验段1和实验段2，待两管自然风干后称其重量，并用下式计算超声波的抑垢率（表1、2）。

表1 100 W超声波抑制不锈钢管结垢实验结果Table 1 100 W ultrasonic inhibition of stainless steel tube fouling experiments

表2 100 W和200 W超声波抑制铜管结垢实验结果Table 2 100 W and 200 W ultrasonic inhibition of copper scale experimental results

从上述实验结果看出，不锈钢管在无超声波作用时，积垢率比铜管小，而施加超声波后，抑垢率比铜管低，这可能是由于不锈钢管管壁光滑，垢粒不易附着，由于不锈钢管积垢率低，因此，超声波对其抑垢的效果不是很明显。施加20 kHz、100 W的超声波可使Ba2+和SO32-的结合过程变得缓慢，阻垢率达到85%以上，超声的阻垢效能是其空化效应导致结垢诱导期延长的缘故，实验说明超声处理具有一定的抗垢效果，且其效果随超声强度和处理次数的增加而显著增强。在有超声作用下，碳酸钡结晶的阻滞率为62%～93%。

5.2 超声波频率对碳酸钡结垢的影响

实验条件：实验段管内温度为60 ℃，实验段管外温度为25 ℃，管内流速为1.0 m/s，管内壁的剪切应力为0.26 Pa，溶液硬度为1 000，溶液pH为8.0，超声波功率为100 W，材质为铜管，改变超声波频率分别为85、53 kHz。

通过研究不同频率的超声波对硫酸钡结晶形貌的影响发现，53 kHz超声波处理的溶液中，析出的BaSO3晶体大部分为小球状结晶，晶粒比较均匀，颗粒数目多且细小，并伴有部分文石型结晶。经85 kHz超声波处理的溶液中，析出 BaSO3晶体多为文石型结晶，小球状结晶所占比较小，反映不同的频率超声波阻垢机理不同（图3）。

6 结束语

实验结果表明，超声波在很大程度上抑制了钡离子向微晶转化和微晶增长为沉淀的趋势，延长了结垢诱导期，结垢速度非常缓慢。超声作用下，钡离子基本不随温升而产生沉淀以致结垢。超声波的空化效应、活化效应、剪切效应可以有效的除垢防垢。文章通过称重法和电镜粒度分析法研究超声波对硫酸钡结垢影响规律，为油气田有效的除去硫酸钡污垢提供一定的理论基础。

图3 53、85 kHz超声波处理溶液粒度分析图Fig.3 53, 85 kHz ultrasonic treatment solution size analysis chart

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