減阻劑的應用及其研究進展

朱 燕，趙亞洲，李志洲

（陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西 漢中 723001）

減阻劑在國內外的應用都十分廣泛。目前已應用到許多系統中，例如管路循環玲卻系統、循環水系統，而且還有研究表明減阻劑已應用于造紙、選礦、農業等系統中。

減阻劑能保障管道安全運行，可在滿足輸量要求的條件下明顯降低管道壓力，在設計新管道時，使用減阻劑可以滿足耐壓要求，消除“卡脖子”段，當減阻劑技術用于增大管道輸量時，不僅滿足了市場需求，而且也提高了管輸效益。因此，研究減阻劑在各方面的應用對日常生活生產具有必要的價值及意義。

隨著減阻劑生產工藝的不斷改進，生產技術水平的不斷提高，減阻劑的性能會越來越好，其價格也會相對降低，減阻劑在輸油管道上具有非常廣闊應用前景，不僅要滿足生產需要，而且要降低能耗，減少輸送時間，在最短的時間內增加排量是最經濟、最現實的，而通過添加減阻劑是實現這一目的的有效途徑之一。此外，減阻劑還可以降低管道系統的壓力，提高管道運行的安全性和可靠性。

1 減阻劑的減阻機理

當流體中含有某些特定物質時，其在湍流狀態下的摩擦阻力會大大降低，這種現象稱為減阻。用于降低流體流動阻力的化學藥劑稱為減阻劑（drag reducing agent），簡稱 DRA［1］。 到目前為止，雖然有許多有關高聚物減阻的論著，但沒有一種理論可圓滿地解釋它的機理。具有代表性的論著有偽塑說、湍流脈動抑制說、粘彈說、表面隨機更新說和應力各向異性說。可見，要解決減阻機理這一難題還有許多工作要做［2］。

2 減阻劑的應用

2.1 在供熱系統中的應用

表面活性劑與高聚物相比，它最大的優點就是具有降解可逆性，即在高剪切力或高溫作用下，其減阻能力被暫時破壞后，待剪切力或流體溫度降低到有效范圍內時，它又可恢復減阻性能。鑒于表面活性劑溶液的該特性，表面活性劑湍流減阻主要應用于有泵的循環系統，如集中供熱／供冷系統。

表面活性劑（或膠束）具有減阻可逆性并且能耐一定的高溫而不降解。焦利芳［3］通過考察減阻劑加入供熱系統后總流量的變化情況表明，在減阻劑持續加入該供熱系統時，系統的減阻增輸效果明顯，即系統總流量快速上升。但停止加入減阻劑，使系統中的CTAC（十六烷基三甲基氯化銨）水溶液保持在某一濃度時，該循環系統的減阻效應維持時間較短，經過一段時間后，減阻效應基本消失，即系統總流量降到接近未加入減阻劑時的水平。減阻劑在供熱工程中應用可大幅降低流動阻力，今后應該深入開展這方面的研究工作，以獲得良好的節能和環保綜合效益。

2.2 減阻劑的減阻增輸作用

減阻劑是一種特殊的湍流現象，減阻劑效應是減阻影響湍流場的宏觀表現。減阻劑加入到管道以后，靠本身的粘彈性，分子長鏈順流向自然拉伸，其微元直接影響流體微元的運動。來自流體微元的徑向作用力作用在減阻劑微元上，使其發生扭曲，旋轉變形。減阻劑分子間引力抵抗上述作用力反作用于流體微元，改變了流體微元作用力的大小和方向，使一部分徑向力轉變為順流向的軸向力，從而減少無用功的消耗，宏觀上起到減少摩阻損失的作用。

對流經不同管徑的減阻劑的性能綜合測試表明，減阻率并不是隨雷諾數的增大而遞增或遞減，而是在某一雷諾數下減阻率有最大值，并且在相同的測試條件下，減阻劑濃度越大，單位流體中含有的高分子減阻劑數量越多，經過相同的剪切作用，未被剪切的減阻劑分子越多，經過相同的剪切次數時，減阻率相對也就越高。周蓉等人通過對油品減阻劑在長輸管道中的性能研究表明［4］，往油品中添加減阻劑，可以改變紊流的內部結構，大大減小紊流阻力，增加管道排量，降低能量消耗，縮減成本。另外還應該改善流體運動的邊界條件，選擇適當的管路直徑，降低沿程摩阻和減少局部摩阻以更加有效地提高管路輸送效率。

李建生［5］通過在室溫（25℃）下控制壓縮空氣壓力，測定不同流量下的減阻率，實驗結果表明，水溶液在低流速下減阻率并不高，只有當流速達到2.55m·s-1以上，流體處于湍流狀態時，減阻效果才能充分體現，3.40m·s-1時，減阻率最高達到54.60%。

管道摩擦減阻劑能減少流體的沿程阻力，從而節約泵功，其節能的作用是得到肯定的。潘佳茜［6］通過實驗和相應的試驗數據可知，在流量相同的情況下摩擦減阻劑可以節約水泵16%的電能。水泵在滿負荷運轉的情況下，添加減阻劑后，水流量提高15%。

2.3 減阻劑在輸油管道中的應用

隨著石油工業的發展，原油在輸油管道中的輸量日益增加，利用化學添加劑降低管道系統的摩阻，對于安全輸送、提高輸送量、節約能源和投資、加速原油的開發利用具有重要意義。

戴福俊等人通過對成品油管道應用減阻劑的研究表明，提高在役管道的輸油量，在管段兩端壓差不變的情況下，注入減阻劑可以提高輸量［7］，確保已腐蝕管道的安全運行。埋地管道受周圍土壤和管內油品中腐蝕性物質的影響，管壁內外表面都會受到腐蝕，使管壁變薄，耐壓能力下降。注入減阻劑后，既可以維持原輸量，又可使出站壓力明顯降低，從而保障管道運行安全。

王峰等人研究表明［8］，HG（單氟磷酸鈉標準）減阻劑在輸量不變的情況下，可以大幅降低管線的沿程摩阻損失，減少管線的阻力，大大降低管道運行壓力，顯示了HG的減阻功能；管線運行壓力不變的情況下，可以提高管線的輸量，即具有增輸功能。

姜海斌等人［9］經過現場試驗驗證，EP（乙丙橡膠）系列減阻劑具有良好的減阻和增輸效果。當管道冬季運行時，因沿線地溫較高，輸送摩阻較大，輸量較夏季會有一定程度低，而加劑則顯著增加輸量。

2.4 降低粘度的應用

摻入減粘減阻劑后，減粘減阻劑的晶粒在高溫下首先發生分解熔化，隨后吸附瀝青中與其結構相類似的飽和組分（這些飽和組分大多為蠟基或油基分子），進而溶解于它們之中，形成穩定的溶液而不離析。由于這種吸附融解作用，降低了瀝青的運動粘度，而且隨著溫度的變化，吸附融解作用也不同，進而引起運動。李曉民［10］通過對降低改性瀝青施工粘度的應用技術研究表明，摻入3%SLA-603型減粘減阻劑的改性瀝青135℃粘度降低50%，路面使用溫度下改性瀝青車轍因子G＊／sinδ可以提高3～6倍，從而可以提高改性瀝青的高溫穩定性。

在50℃條件下，由于稠油降粘減阻劑分子中含有酰胺基團，其形成氫鍵的能力較強，它可與瀝青質和膠質分子形成氫鍵。降粘減阻劑分子借助于強的形成氫鍵的能力和滲透、分散作用進入膠質和瀝青質的片狀分子之間，部分拆散平面重疊堆砌而成的聚集體，形成片狀分子無規則堆砌，結構比較松散，有序程度降低，空間延伸度變小，從而使瀝青質膠質所形成的空間網絡結構破壞，使其包裹的石油輕質組分釋放出來，降低了稠油的粘度及流動阻力。

張金波［11］的降粘減阻劑的降粘實驗證明，用減阻劑HVR的加量增大，降粘率不斷增大。1000×10-6的加量降粘率即可達到99%以上，降粘效果顯著。而且，加入降粘減阻劑HRV后，能形成均勻穩定的水包油乳狀液。

2.5 減阻劑的藥理作用

近年來，人們發現減阻劑對心血管疾病、失血性休克等局部或全身性缺血有潛在的治療價值，并有可能成為新型的利尿劑等，引起了國際醫藥界的重視，其藥用研究開發正在全球醫藥界興起［12］。

減阻劑可治療心血管疾病，能使動物血流量明顯增加，外周血管阻力降低；血壓在給藥初期降低，舒張壓的下降更為明顯；心電圖表現出心率的緩慢下降。趙蓮等人［13］通過給大鼠注射聚丙烯酰胺、李糖-半乳糖-半乳糖醛酸形成的多糖（rhamnogalactogalacturonan，RGGu）和牛胸腺 DNA等進行比較，結果表明，聚丙烯酰胺和RGGu能提高大鼠的心輸出量。聚丙烯酰胺、RGGu和聚乙二醇在給藥后最初1 h內，均能引起主動脈血流的增加和外周血管阻力的下降。它們在體內的代謝和藥理作用有所不同，其主要原因是3種化合物的化學組成不同，可見分子的空間結構是減阻劑發揮減阻效應的主要原因。

3 減阻劑的研究進展.

減阻劑價格昂貴而且研制的減阻劑由于分子量較低，防剪切性能較差，因此經濟效益不是很好，故目前減阻劑除了在原油和產品油的長輸管道上應用外，在工業上還不能廣泛應用。為此，要降低成本，不但在減阻劑的研制方面要有所突破，還要研究復合高效的助劑，而且分子量要盡可能大，使其防剪切性能盡可能好，這是減阻劑發展的重要趨勢之一［14］。

國內外眾多研究機構根據已經提出的減阻機理及借鑒一些現有工業化學品如緩蝕劑、潤滑劑的結構進行的研究已經取得了很大的進展，且已有的工業現場實驗也已經顯示了減阻劑一定的應用前景，因此，探索合適的減阻劑溶劑與減阻劑溶液加注工藝具有極大的開發價值［15］。

減阻劑在諸多領域中得到廣泛的應用。減阻劑在醫藥領域中的應用起步較晚，進展相對緩慢，主要原因是減阻劑屬于流體力學和工程學研究范疇，與醫藥領域學科背景差異較大；另外，減阻劑的作用機制尚未完全揭示，限制了其進一步的應用。但在學科交叉、融合空前活躍的今天，有理由相信減阻劑可能成為一類新型的藥物，在心血管疾病、失血性休克或腎臟疾病等的治療中發揮作用。因此，新型藥用減阻劑的獲得，藥用減阻劑的適應癥、藥效學和作用機制的研究，高分子化合物的藥代動力學研究有可能成為未來的研究重點和發展趨勢。

［1］ 曹登巨，何建川.減阻劑在隴東油區的應用分析［J］.油氣儲運，2008，27（1）：32-35.

［2］ 富雯婷.管民.油溶性減阻劑的研究進展［J］.遼寧化工，2009，39（1）：51-55.

［3］ 焦利芳.表面活性劑減阻劑在集中供熱系統中的應用試驗研究［J］.節能技術，2008， （3）：159-201.

［4］ 周蓉，等.油品減阻劑在長輸管道中的性能研究［J］.西南石油大學學報，2007，29（6）：142-144.

［5］ 李建生，魏清，等.工業水處理表面活性劑的減阻性能研究［J］.工業水處理，2010，（1）：19-21.

［6］ 潘佳茜.利用管道摩擦減阻劑進行節能［J］.城市公用事業，2008，22（4）：53-55.

［7］ 戴福俊.成品油管道應用減阻劑研究［J］.油氣儲運，2009，28（1）：19-23.

［8］ 王峰.HG減阻劑在輸油管道中的應用［J］.安全、健康和環境，2006，6：20-22.

［9］ 姜海斌.EP系列減阻劑在庫鄯輸油管道的應用［J］.油氣儲運，2009，28（9）：30-32.

［10］ 李曉民.降低改性瀝青施工粘度的應用技術研究［J］.公路交通科技，2006，8（8）：1-4.

［11］ 張金波.克淺十稠油降粘減阻劑HVR的降粘機理及現場應用［J］.新疆石油天然氣，2006，6（2）：36-39.

［12］ 張倫.減阻劑藥用研究正興起 ［J］.中國創藥信息，2009，25（6）：7-8.

［13］ 趙蓮.減阻劑的藥用研究進展［J］.國際藥學研究雜志，2008，35（1）：39-30.

［14］ 許東彬.高粘原油降摩阻機理的研究［D］.濟南：山東師范大學，2007.

［15］ 葉天旭.天然氣管輸減阻劑的研究現狀［J］.應用化工，2010，31（1）： 104-107.