输油管道减阻率影响因素及预测模型概述

陈飞 王坤

摘 要：减阻剂对输油管道减阻增输具有重要意义。概述了现有的油品减阻机理假说，从减阻聚合物的物性、油流规律、管线的几何尺寸以及操作运行状态等方面详细介绍了对输油管道减阻率的影响。总结了三种常见的减阻率预测模型，并说明了各自的适用性，对在输油管道上应用减阻剂具有参考价值。

关 键 词：输油管道；减阻率；影响因素；预测模型

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1946-04

Abstract： It is very significant to use DRA（drag reducing agent） to reduce friction or increase throughput in the oil pipeline. In this paper， existing mechanisms and hypotheses of oil pipeline drag reduction were introduced. Influences of physical properties of DRA， oil flow regularity， pipeline geometric size and operation conditions on drag reduction rate were analyzed. Three common models for forecasting the rate of drag reducing were summarized and their applicability was explained.

Key words： oil pipeline； drag reducing rate； influence factors； prediction models

输油管道中加入减阻剂主要有两个目的：第一，在维持管道输量恒定下，有效减少油流与管壁之间的沿程摩阻从而节约能耗；第二，在维持站间压降不变的情况下，增加输量。减阻剂的减阻效果常采用室内环道进行评价，即在相同流量条件下，通过测定加入减阻剂前后测试管段的摩阻压降来计算减阻率，减阻率（DR%）的定义式见式（1）：

实际生产运行中使用减阻剂对节能降耗，降低运行成本起到关键作用。减阻率的大小是衡量减阻效果的重要指标，所以有必要分析影响减阻率的各个因素，归纳减阻率的预测模型。

1 减阻机理

微观上，油品减阻剂是一种长链、高分子聚合物。目前国内外原油和成品油管道应用最多的减阻剂是聚α-烯烃类高聚物，其相对分子质量为106～107。

Toms[1]通过实验研究了管道中加入减阻剂对摩阻系数和压降的影响，并最早提出了减阻机理假说，即伪塑说。Toms认为聚合物溶液具有伪塑性，剪切速率越大，表观粘度越小，流动阻力就越小，膨肿性流体的流变特性与伪塑性流体刚好相反，但具有很强的减阻作用，故伪塑说被否定。后来又陆续发展出了湍流脉动抑制说、粘弹说、有效滑移说等，尽管在该领域的研究很多，但并没能完全定论。

近几年中石油管道科技中心也提出了一种油品减阻机理假说[2]，即“近壁层径向脉动抑制说”。该假说认为管内流体径向速度梯度越大，距管壁相等距离处的流体速度越高，流体的平均速度（沿管道截面）或输量越大。高分子聚合物与流体在湍流状态下相互作用，其效果并不是抑制湍流脉动而是改变原来的湍流脉动结构。从能量学的观点看，减阻就是减少能耗。若流体微团在沿径向脉动的过程中与柔性单长链高分子相撞，则高分子链发生弯曲形变，产生的弹性力阻碍流体脉动，但不是把脉动能转化成热能，而是转变成分子链的弹性势能储存起来。在分子链恢复形变的过程中，弹性力做功，把弹性能又转变为流体动能，即流体中加入柔性单长链高分子后，流体微团的径向脉动能只有一部分被耗散，使能耗减少了。

2 减阻率影响因素

2.1 实验研究

减阻剂的作用是提高流体的流动效率，为了提高减阻效果，在选择减阻剂时应考虑减阻剂本身的物性：高分子量（摩尔质量大于1 000000 g/mL）；抗剪切性；快速溶解性；抗高温、强光、化学试剂降解性。管输稠油时更适合使用高分子量的减阻剂，并且高分子量的聚合物分子链越长，抗剪切性能越好。

减阻剂的作用效果主要取决于减阻剂分子的溶解性、分子链的大小以及减阻剂抵抗机械和热力降解的能力。减阻效果受如下因素影响：聚合物分子的尺寸和结构、聚合物分子和油分子之间的混合程度、原油或油品物性、管内干线流速、温度、减阻剂浓度、湍流强度和管材性质等。

①在其他因素确定的条件下，流体流速越大，减阻剂减阻效果越好。Karami[3]通过雷诺数反应流速的大小，流速越大，雷诺数越大，湍流的强度越剧烈，减阻剂分子链更容易伸展，链条长度越长，减阻剂分子的溶解性越好，减阻效果越好。

②减阻剂的浓度是影响减阻效果的一个重要因素。一般认为浓度越大，减阻剂分子的溶解性越强，减阻效果越好，但是当减阻剂浓度达到一定值后，随着浓度的增加，最佳减阻效果趋于一个临界值，不同的减阻剂和不同的流体对应的临界值不同。

③溫度影响聚合物的溶解性、聚合物降解性和流体的表观粘度。在研究温度对减阻率的影响时需要同时考虑这三个方面。减阻剂在油流中的溶解性随温度的升高而增加。温度升高，油品的表观粘度减小，雷诺数增大，减阻效果明显。但是温度过高时，减阻剂分子链会被破坏，减阻剂降解失效；温度过低时，聚合物分子容易凝聚成块，减阻剂溶解能力下降，减阻效率降低[4]。因此，减阻效果依赖于实验温度范围和油品的粘温关系。此外，减阻剂的溶解性还与油品中杂质物性相关，当油品中含水量和含蜡量超过一定值时，会降低聚合物的溶解性，使减阻效果下降[5]。水是油溶性聚合物的沉淀剂，它能使聚合物大分子卷缩，从油溶液中沉析，从而失去减阻作用，特别是在低雷诺数下更加明显。

④管壁相对粗糙度越大，减阻率越大。管壁粗糙层加强了近壁层聚合物分子和油分子的混合程度，促进了聚合物分子伸展，有利于减阻，但管内壁的粗糙不平会加速聚合物分子的降解。管壁相对粗糙度由管径和管壁绝对粗糙度共同决定，对于同样材质的管道，管径越大，流体更容易形成大量的漩涡，相对粗糙度越小，减阻剂的减阻能力越差。管道内加入减阻剂，减阻剂分子改变了湍流的脉动结构，管壁粘性底层的厚度增加，当粘性底层的厚度接近水力光滑层时，粗糙管的摩阻系数减小。

1985年Interthal 和Wilski [6]通过实验得出了管径影响减阻率的结果，在他们的实验中，管内径从3 mm增加为14 mm时，减阻率从66%增加到最大值80%，当管内径继续变大到30 mm时，减阻率反而下降到76%。这一结果表明随着管内径的增大，减阻率不断增加，当达到最佳减阻率时，如若继续增大管内径，反而会使减阻率略有下降。

⑤管道的几何形状同样对减阻率有很大的影响，大量的实验发现直管段中的减阻效果比盘绕管中好[7]。2003年Shah和Zhou [8]研究了4种不同直径盘绕管的减阻效果，结果表明弯曲程度越小减阻效果越好，随着弯管管径的增大，减阻率主要受雷诺数影响，受弯曲形状的影响变小。管道的曲率半径越大，减阻效果越差。2006年Zhou等人[9]研究了不同曲率半径下减阻剂的减阻效果，研究表明管道的弯曲延迟了减阻剂的减阻作用，这解释了管道弯曲时能够产生强烈的压降和二次流现象。同样减阻效果的最佳值随着管道曲率的增加而下降。

⑥减阻剂的种类同样影响着减阻率。主要体现在：减阻剂的组成和减阻剂的沸点对减阻效果的影响。不同种类聚合物分子链的弹性不同，弹性越好的聚合物分子链减阻性能越好[10]。减阻剂中含有铝粒子作为外层能够减缓低温下聚结的程度，减阻剂的分子量越大，沸点越高，在油流中的溶解性越好，减阻效果越好。

⑦Interthal和Wilski的实验[6]中还发现需要减阻的流动介质的pH值对减阻率也有一定的影响，相同的实验条件下，酸性溶液中的羧基不易分解，故聚合物分子在油分子中的溶解效果变差，碱性溶液下的减阻效果比酸性溶液更好。

2.2 现场应用

现场应用减阻剂时应结合管道实际情况，预测减阻率时还需要考虑其他的因素，如：管线的结构，减阻剂的注入方式，减阻剂的降解（包括过泵后失效），减阻剂分散时间等。

①Jennifer在参数分析法一文[11]中举例分析了减阻效果随两种管线模型的影响。文中以总操作费用为目标，通过改变减阻剂的加入量，优选最佳的减阻剂加入方式。模型A是一条有两个中间泵站的长输原油管道，改变两泵站中减阻剂的加入量，分析总操作费用随减阻剂量的变化情况。研究得出第一个泵站使用70×10-6，第二个泵站使用45×10-6浓度的减阻剂后，节省运行费用最高达到14.6%。模型B是一条输送四种油品的成品油管道，有四个中间站，多个注入/分输点，同样是改变各泵站中减阻剂的加入量，建立总能耗费用与减阻剂浓度的关系图，寻找总能耗费用最少下的减阻剂加入方式。这篇文章提出的系统分析各泵站减阻剂浓度对总能耗費用影响的方法可以参考，但不足之处是并没有考虑上一站加入的减阻剂在下一站过泵后的失效情况，以及对该站加入减阻剂浓度的影响。

②减阻剂的注入方式有两种：均匀注入和非均匀注入。均匀注入法是在泵输油品之前几个小时将聚合物直接溶解到油流中；非均匀注入法是指在泵后注入聚合物。Vlachogiannis和Baik等人[12]研究发现非均匀注入法提高了减阻率（甚至能达到均匀注入法的两倍），所以在使用减阻剂时大部分都采用非均匀的注入方式。

③减阻剂在使用过程中不发生降解是保持减阻效果的关键，高速剪切是减阻剂分子降解的主要原因[13]。流动边界层是剪切速率最大的区域，在输油管道系统中剪切最强烈的区域在离心泵叶片表面以及管壁发生局部变形的地方，例如阀门、弯头、变径管等，直管段的壁面湍流区附近也会发生剪切。剪切时长分子链发生永久性断裂，使分子链的减阻效果下降甚至完全消失。因而高分子减阻剂的抗剪切能力在一定程度上标志着减阻剂性能的优劣。

④减阻剂不能在全管段起作用，仅在已分散好的管段起作用，减阻剂的作用效果与分散时间密切相关，分散时间又与油品物性和输送温度直接相关[14]。实际应用减阻剂时，需要充分考虑分散时间的影响，现场试验结果表明，在减阻剂分散期间，减阻剂基本不起作用。分散介质的粘度降低，分散时间缩短，减阻效果增强，这对于短距离输油管道尤为重要。

3 减阻率预测模型

上述三种模型是在各自实验前提下提出的，各有侧重点。只考虑浓度的模型公式是应用最广且应用最方便的，但是随着精度要求的提高，其适用性越来越差。Frank建立的模型考虑了对减阻效果有主要影响的因素，且精度高，实用性强，故对准确预测减阻率起到了重要作用。而最后一个考虑了非牛顿流的广义减阻率模型，虽然其考虑得更全面，精度更高，但不易确定其中的参数，阻碍了该公式的推广应用。

4 结 论

本文从理论实验和实际现场应用两方面深入分析了输油管道减阻率的各种影响因素，总结了减阻率随各因素的变化规律。在实验分析各影响因素时，主要采取控制变量法，定性分析影响规律，但并不能定量确定各因素的影响程度。通过实验概述出的三种减阻率预测模型，都存在自身的局限性，往往只适用于相应的条件下，但这种分析规律的方法值得学习，为进一步研究油品减阻效果提供了参考。分析得出同时考虑雷诺数和减阻剂浓度的模型更适合现场实际使用。

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