特种合金清防蜡和垢技术在输油管道上的应用

王 猛,杨 飞，严 剑,周玉华，张海峰，张宏伟

(江苏耐尔冶电集团有限公司,江苏 靖江 214537)

特种合金清防蜡和垢技术在输油管道上的应用

王 猛,杨 飞，严 剑,周玉华，张海峰，张宏伟

(江苏耐尔冶电集团有限公司,江苏 靖江 214537)

在原油输送管道内，易出现残留石蜡和垢的沉积，导致管道内的有效通流截面减小，造成输油困难，降低了输量，并存在安全隐患。针对石油开采及运输中出现的结蜡与结垢的问题，研究合金组分、微观结构和电化学催化作用以及清防蜡和垢效果之间的相互影响规律，设计并优化由多元合金所构成的清防蜡和垢技术结构和参数，丰富和发展清防蜡和垢的作用机理，开发出一种新型的、适用较广的特种合金防蜡防垢装置，改变了磁性材料、机械和化学清防蜡和垢的弊端，提高了石油开采与运输的效益。

石蜡沉积；输油管道；防垢；防蜡

目前，在我国的原油管道运输中，最常见的问题是结蜡与结垢，即原油管道中出现的蜡与垢的沉积现象。国产原油大多为含蜡原油，原油在管道内流动的过程中，会析出石蜡、胶质和砂等混合物，并在管壁处沉积。若不及时清除这些混合物，则会影响管道的运输能力，甚至堵塞管道，严重时会造成管道堵塞事故，这不仅会影响油品的正常输送，还会造成巨大的经济损失和资源浪费；因此，深入研究蜡、垢的沉积规律和清防技术对提高集输效率、保障油田安全生产具有重要意义。

1 油田管道结蜡、结垢特点分析

1.1 管道结蜡特点分析

原油输送管道的蜡沉积是一个复杂的过程，受原油组分、管材性质、杂质、流速、温度和压力等多种因素的影响，使输送变得更加困难。原油中的蜡在低温状态下会以片状晶体析出，易形成网状结构。其硬度较大，使原油流速缓慢，降低了原油的低温流动性。随着管道的运行，结蜡层继续变厚；当达到一定的结蜡厚度时，管道的有效通流截面变窄，原油流动变慢，进而造成管线结蜡堵塞，抽油机负荷大，电流偏高，泵效降低，并容易发生卡脱事故，同时地面管线缩径，回压上升，造成管线经常出现穿孔现象[1]。

结蜡受温度影响较大，当温度较低时，高含蜡原油流动性降低，蜡分子运动减慢，易结晶析出。另外，受原油温度和管壁温度之间的温差影响，蜡会在管壁表面结晶，这也是导致管道蜡沉积的主要因素。

1.2 管道结垢特点分析

导致油田管道出现结垢现象的主要因素如下：1)由于地层中的水含有较高浓度且容易结垢的盐离子，油井在进行采油时，会导致其所处位置地层的压力、温度和水成分发生变化，使得该地层原有的化学平衡被打破，从而产生污垢；2)由于2种或2种以上无法融合的水混合在了一起，其中的结垢离子会相互作用，从而产生污垢。

在原油开采中，为了尽可能地将原油开采出来，在很多情况下，需要采取向地下回灌水、注入热水和注入含各类化学物质的水等手段。许多油田开采出来的石油中水含量>50%，甚至达到95%，因而应进行油水分离和水的循环使用。

一些离子结合后会形成在水中不溶、难溶和微溶的物质，这些物质都很容易成为积累的水垢，也就是盐类垢。通常这类垢是由碳酸盐和硫酸盐组成，典型的是碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡和硫酸锶等。这种垢的形成一般会经历成核长大的过程，先是少数垢核心在管道表面形成、附着；然后更多的其他成垢化合物在这些核心周围聚集，成为更大的垢团。随着水流的冲刷，一部分垢被冲掉，但其他的垢又在生成，最终可能阻塞管道。

随着环境水温的升高，这些难溶或微溶盐的溶解度下降，就有更多的物质从水中析出，成为水垢。在一些管道中，当温度>60 ℃时才会出现明显的结垢趋势，且温度越高，结垢的趋势越严重。

水的流速也会明显影响结垢的趋势，水的流动越缓和，成垢核心生长的环境越稳定。随着管道输送介质流速的降低，水垢出现的概率逐渐提高，另外流速和流向的突然改变也会使结垢加剧[2]。

2 油田管道清防蜡和垢的主要技术

近年来，国内外研究者通过对石油管道输送中蜡和垢的沉积过程和形成机理进行了大量的试验和理论研究，从不同角度探讨蜡和垢沉积的影响因素，研制和开发出了多种清防蜡和垢的技术及产品，使得石油开采过程中的结蜡和结垢问题得到了一定程度的缓解。目前，国内外清防蜡技术主要可以分为物理清防蜡技术和化学清防蜡技术两大类，所采用的清防垢技术主要为化学法。

2.1 油田管道清防蜡的主要技术现状

在油田集输油系统中常用的清防蜡技术主要包括如下几个方面。

1)改变管材的性质。可采用玻璃钢管、塑料管道，以及将与蜡晶结合力较弱的涂料涂在金属管道上等方法改变管材的性质。对于玻璃钢管和塑料管道，其表面光滑，使石蜡在管壁的结晶核心有所减少，因此蜡晶颗粒不易在管壁沉积；涂料因为具有极性，涂在管道壁上可以形成极性的表面，因而不利于非极性的石蜡沉积。

2)增加石蜡在原油中的溶解度。其主要方法包括加热、地面管线保温以及向原油中掺入轻质组分或其他溶剂油等。

3)磁防蜡。磁防蜡技术是通过对原油进行磁处理，进而减少石蜡在管道表面的析出和结晶，并阻碍蜡晶聚结，从而起到防蜡的作用。

4)生物防蜡技术。微生物防蜡技术是结合含蜡原油的特点和原油蜡沉积的机理，通过试验筛选出适合所选油样的菌种，利用微生物本身及其代谢产物的作用，达到原油输送过程中防蜡的目的。

5)化学防蜡技术。化学防蜡技术主要是通过加入化学药剂來起到防蜡的作用。采用该方法操作方便，且不影响油井正常生产和其他作业，除具有防蜡效果外，还可以起到降凝、降粘和解堵的作用，因而是目前应用最广泛的一种防蜡方法。

6)超声波复合防蜡技术。超声波复合防蜡技术是把向原油中添加防蜡剂防蜡与超声波振荡器防蜡结合起来的一种有效的新的防蜡技术。当原油通过超声波振荡器时，由振荡器振荡产生的声化作用可以有效地破坏和延缓石錯结晶，也在一定程度上降低了原油的表面张力；同时它还可以使原油和防蜡剂得到更充分的混合，有助于提高防蜡效果。这种防蜡技术已经在油田的生产实际中得到了应用，取得了较好的防蜡效果[3]。

2.2 油田管道清防垢的主要技术现状

目前，使用的除垢方法有化学除垢、高压水喷射除垢、机械除垢、磁除垢及超声波除垢等，其中化学除垢是最常用的方法。

2.2.1 化学除垢

化学除垢是以垢的类型及组成为依据，选用相应的化学药剂使之与垢发生化学反应，从而使垢层溶解、疏松、脱落以达到除垢的目的。常见的化学除垢方法有：1)加酸或注入二氧化碳，改善流体的酸度，清除碱性垢；2)在流体中加入螯合金属离子型或构晶阴离子溶解型除垢剂除垢；3)通过离子交换将流体中的成垢离子浓度显著降低，从而使已经形成的垢 溶解疏松后，流体携带除垢。

化学除垢具有除垢彻底、设备损伤小和劳动强度低等优点，因而成为一种有效的除垢方法。

2.2.2 高压射流除垢

高压射流除垢是利用高压水射流喷向垢层而达到除垢的目的，其具有清洗快速、彻底，成本低，以及不污染环境等优点，该技术已经在工业生产领域突显了效率高、范围广和效果好的极大优势；但也存在因清理不彻底和除垢后系统内壁粗糙不平，而造成后续生产中更容易引起再结垢的问题。

2.2.3 机械除垢

机械除垢采用移动式除垢机具和强力清管器等对结垢物进行清除。机械除垢因具有操作简便、价格低廉、施工强度低、范围广和无污染等优点而优于

其他除垢方法；但由于机械除垢需采取多遍清理过程才能基本清除积垢，故存在使用不方便、费时费力和清管效率低等问题。

2.2.4 超声波除垢

超声波除垢是通过超声波震荡，使管道或热交换器的金属结垢及金属器壁同时产生震荡，在震荡作用下，由于垢体结构与金属器壁结构差异而使二者的界面震裂或松动，导致垢体脱落，被其中的流体携带而达到除垢的目的。超声波除垢优于传统方法之处在于不需使用任何药剂，可实现节能，环保，提高工效，降低成本。

2.2.5 磁除垢

国内外研究表明，磁场对水溶液的物理化学性质及结晶过程有影响，认为磁场会降低钙盐的可溶解性，可降低溶液的电导率、表面张力，影响体系的电极电位。Coey等研究发现，磁场可以增加碳酸盐溶液中文石(又称霰石，属于斜方晶系的碳酸盐矿物)的含量，在体系湍流情况下，磁场会促进文石而不是方解石(属于三方晶系的碳酸盐矿物)的形成；但是，采用磁除垢方法，初期需投入大量资金，不利于推广[4]。

通过上述对国内外的清防蜡和垢技术特点的分析可以看出，现有的化学防蜡剂、除垢剂污染环境，影响人体健康，而物理防蜡剂技术对于长输管道成本高且效果不理想。从效果、成本、普适性、能源消耗和环境影响等方面综合考虑，上述方法均存在一定的弊端；因此发展新型高效的清防蜡和垢技术具有一定的科学意义和实际应用价值。

3 特种合金防蜡防垢装置

根据多组元特种合金的设计思想，并结合实际应用，综合考虑合金元素的物理化学性质，开发出含有多种主要组元的合金CuNiZnPbFeSnCoAgM及其制备方法。研究发现，该合金材料具有使原油中的蜡或者胶体物质呈悬浮状态，不易聚集或吸附于管壁上，具有较好的清防蜡和垢的作用。针对石油开采及运输中结蜡与结垢的技术问题，研究了合金组分、微观结构和电化学催化作用以及清防蜡和垢效果之间的相互影响规律，设计并优化了由多元合金所构成的清防蜡和垢技术结构和参数，丰富和发展了清防蜡和垢的作用机理，开发出了一种新型的、适用较广的特种合金防蜡防垢装置，改变了磁性材料、机械和化学清防蜡和垢的弊端，提高了石油开采与运输的效益。

3.1 特种合金防蜡防垢装置机理

特种合金的多主元带来的高熵效应能够有效地降低系统的自由能，抑制合金各组元在凝固过程中的扩散行为，增进主元间的相容性，从而在很大程度上阻止金属间化合物的形成，获得单相固溶体结构，是一类新型的特种合金材料。由于合金元素的固溶度远远高于平衡浓度，该合金材料在原子和纳米尺度具有更为精细的结构，如纳米胞状组织、层片组织等，使合金具有新颖的物理化学性能，如特殊的电化学催化活性等。

管路式特种合金防蜡防垢工具是通过这种合金电化学作用改变液体的活性，利用合金与液体物质中组分的电负性差，使其在相关系统中具有某种静电催化活性，能够使从其表面流过的液体中组分的静电位发生改变和产生极化效应，将产生沉淀或聚集的物质分散和处于悬浮状态或溶解状态，避免发生凝结或团聚，有效防止和延缓水垢和石蜡在管道壁上的凝结。

3.2 特种合金防蜡防垢装置特点

特种合金防蜡防垢装置具有如下特点。

1)可以实现一种产品同时达到防蜡与防垢的效果。其使用方便，无磁、无电，无需任何化学添加剂，不会污染所处理的液体，也无需额外能源供应。

2)与同类产品相比，性价比高。该装置是通过静电催化作用实现防蜡、防垢和防腐，合金本身不参与反应过程，没有消耗，不需维护，可使用3年以上，且修复后可再使用，投入产出比>1∶20。

3)具有节能、环保、高效、低成本和长寿命的特点。除提高了原油生产效率外，还避免了因除垢和蜡而进行的化学清洗导致的环境污染。原采用化学方法配合机械方法进行垢和蜡的清洗，清洗周期为1次/月，采用特种合金防蜡防垢装置后，清洗周期可延长至半年以上。

4 应用

特种合金防蜡防垢装置最早在大庆二厂进行了试验，结果表明，在水驱转油站中采用合金粉末4个月后，改变了转油站沉降水水质，水中的HCO3-离子含量有小幅的降低，变化幅度约为5%，Ca2+浓度提高约25%，Mg2+浓度提高约20%。水质变化说明，在合金作用下，Ca2+离子的溶解性有所提高，同时减缓了阴离子的成垢趋势，合金对解决碳酸盐性垢有明显效果。特种合金防蜡防垢装置现场安装照片及使用报告如图1和图2所示。

图1 现场安装照片

图2 用户使用报告

2013年6月初，在吐哈油田吐鲁番采油厂雁栖联合站(三相分离器方向)除油罐来水管路中安装了一套DN200的管路式特种合金防蜡防垢装置。之前，由于除油罐来水高矿化度，腐蚀性强，每年需要对除油罐内壁进行约3次的防腐措施处理。在日常生产中，通过加药口管道添加缓蚀剂和阻垢剂进入管道，以延缓除油罐的结垢和腐蚀。经过分析可知，除油罐以生成钙镁盐垢和腐蚀为主，后期出现严重的垢下腐蚀。其工况条件为：三相分离器来水流量65～70 m3/h，压力≤0.5 MPa；水质情况为矿化度高达8.5万～9万，其中Cl-约占一半，钙镁盐垢存在。安装特种合金防蜡防垢装置后停止加药，设备运行正常，于2015年底将管路打开检查，管道内无垢沉积。安装装置前、后管道对比照片如图3所示。

图3 安装装置前、后照片对比

2015年9月初，在赤峰富邦铜业有限责任公司制氧车间冷却水管路上安装了2套DN50的管路式特种合金防蜡防垢装置。至目前为止，运行正常，管路中未出现任何结垢现象，所有设备内部也未出现因结垢引起的运行异常和停机现象。用户回馈质量跟踪服务单如图4所示。

图4 赤峰富邦铜业产品质量跟踪回馈单

5 结语

通过上述分析，得出如下结论。

1)特种合金的多主元带来的高熵效应能够有效地降低系统的自由能，抑制合金各组元在凝固过程中的扩散行为，增进了主元间的相容性，从而在很大程度上阻止了金属间化合物的形成，获得单相固溶体结构，是一类新型的特种合金材料。

2)管路式特种合金防蜡防垢装置是通过这种合金电化学作用改变液体的活性，将产生沉淀或聚集的物质分散和处于悬浮状态或溶解状态，避免发生凝结或团聚，能有效防止和延缓水垢和石蜡在管道壁上的凝结。

3)特种合金防蜡防垢装置具有节能、环保、高效、低成本和长寿命的特点，可广泛应用于石油输送、石油化工和油水分离等领域。

[1] 官琳悦,王为强. 输油管道清防蜡技术研究综述[J]. 当代化工, 2014,43(12):2694-2698.

[2] 王兵,李长俊,朱伟, 等. 结垢及除垢技术在管道中的应用研究术[J].石油化工腐蚀与防护, 2008,25(1)：28-36.

[3] 李俊.塔河油田原油集输管道防蜡技术研究[D].南充：西南石油大学，2012.

[4] 孙红镱，姜艳威，吕端剑.空穴射流清洗技术应用及流场数值模拟研究[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2012(6)：735-738.

责任编辑 马彤

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，总经理助理，工程师，主要从事流体防蜡、防垢技术产品及节能环保新技术等方面的研究。

2016-10-12