鍶鐵氧體磁性涂層的防蠟性能研究

劉 兵 ，劉 鵬 ，馮廣健 ，周曉亮

（1.西南石油大學，材料科學與工程學院，四川成都 610500；2.中國化工正和集團，山東東營 257399；3.中石化勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司海洋試油作業(yè)大隊試油12隊，山東東營 257077；4.勝利油田濱南采油廠作業(yè)大隊作業(yè)19隊，山東濱州 256600；5.中石化勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司壓裂大隊經(jīng)營辦，山東東營 257077）

我國大多數(shù)油田生產(chǎn)的原油為含蠟原油，在采油和集輸過程中不可避免地帶來結(jié)蠟問題。油井井筒結(jié)蠟，將降低生產(chǎn)效率，嚴重時造成“蠟卡”而停產(chǎn)；管道結(jié)蠟將減少管路的有效流通截面，增大輸送壓力，降低輸送能力，同時還會給管道停輸后的再啟動帶來困難，嚴重時還可能造成堵管事故[1-2]。因此，為保障油井和集輸管道的正常運行，結(jié)蠟問題已成為各油田單位急需解決的問題。

由于壓力、溫度等環(huán)境條件的變化，原油中的蠟、瀝青質(zhì)及膠質(zhì)會在管壁上沉積，增大原油的輸送阻力。目前，常用的防蠟措施有：（1）熱處理輸送；（2）添加化學添加劑；（3）油田管道內(nèi)壁防結(jié)蠟涂層；（4）強磁防蠟技術(shù)。近年來人們研究開發(fā)了降粘減阻劑、蠟晶改進劑等化學添加劑；并試圖在輸油管道內(nèi)壁涂覆涂層來改變管道內(nèi)壁表面的物理化學性質(zhì),以達到防蠟減阻的目的[3-4]。目前的防蠟趨勢：一是優(yōu)化現(xiàn)有的防蠟技術(shù)，通過復配或是改性等手段來提高防蠟效果；二是開發(fā)新的防蠟技術(shù)。本文根據(jù)磁防蠟原理，研究了一種新的防蠟方法，即把SF磁性粉體制成內(nèi)涂層，考察涂層的防蠟效果。

1 實驗部分

1.1 實驗過程

采用低熱法制備出鍶鐵氧體（SF）。將所制得的樣品放在研缽中充分研磨，然后超聲振蕩30 min。用所制粉體按比例加入到涂層中，配成一系列磁性涂層，通過浸漬-提拉法在管線鋼片表面粘附一層涂層。按照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6300-1997配置含蠟溶液，蠟液從50℃降溫到45℃，然后將鋼片從蠟液中取出，烘干，稱重。動態(tài)模型中模擬管道結(jié)蠟實驗示意圖（見圖1）。

防蠟率計算公式：

式中：F-涂層防蠟率；m2-空白鋼樣的蠟沉積質(zhì)量，g；m1-涂層鋼樣的蠟沉積質(zhì)量，g。

鋼片的預處理：將一系列管線鋼片放在不同型號砂紙上（100目-400目-800目）打磨，直至此系列的鋼片表面光滑平整。將打磨好的鋼片依次用石油醚、去離子水、無水乙醇清洗，拿出烘干備用。

1.2 實驗藥品和裝置

0#柴油（密度為 8.31 g/mm3，粘度為 9.08 mPa·s），60#石蠟（密度為 0.93 g/mm3，凝點 25～30 ℃），醇酸清漆，管線鋼片。

2 結(jié)果與討論

2.1 SF磁粉磁性對防蠟率的影響

圖2表示的是SF磁性涂層的防蠟率和SF磁粉矯頑力隨著不同溫度的變化曲線。在防蠟涂層中相同磁粉添量的情況下，隨著溫度升高，磁粉的矯頑力Hc是先增大后減小的。在磁粉煅燒溫度為850℃時，磁粉的矯頑力Hc達到5 686.1 Oe最大值。此時，對應涂層防蠟率也是最大值，為70.1%。

由圖2可知，涂層中磁粉添量相同的條件下，隨著磁粉磁性的增大，防蠟率也在逐漸提高。這是由于磁粉的磁性越大，單位面積上產(chǎn)生的磁場越強，降低了蠟液中的蠟晶分子的聚集和結(jié)晶速度。

2.2 鍶鐵氧體磁粉添量對涂層防蠟率的影響

圖3表示的是磁粉（Hc＝5 686.1 Oe）加入到醇酸清漆中，在不同添量的條件下對涂層防蠟率影響的變化曲線。

由圖3可見，當SF磁粉添量從0增大到2%時，防蠟率是增大的；當磁粉添量從3%～9%時，防蠟率是逐漸降低的。磁粉填量為2%時，防蠟率最高，達到77.3%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，隨著SF磁粉添量增加，單位面積上磁場強度增強，不斷降低了蠟晶分子的結(jié)晶速度，因此減少了在管線鋼表面的吸附，從而明顯提高了涂層的防蠟率。但是，隨著磁粉填量的增加，納米粒子之間的分散性變差，使得磁粉顆粒產(chǎn)生的磁場方向紊亂，顆粒間磁場相互重疊，磁場反而減弱，以致蠟晶比較容易在管線鋼表面吸附，造成了防蠟率的降低。

2.3 聚乙二醇（PEG）對防蠟率的影響

由于納米粒子用量大時，分散性較差，不能有效的發(fā)揮磁粉磁場對于蠟晶分子的磁性作用，為了進一步提高防蠟率，選擇聚乙二醇作為分散劑，以提高SF磁粉在較高添量時的分散性。PEG是一種非離子型分散劑，在分子式H-（O-CH2-CH2）n-OH中含有羥基和醚鍵兩種親水基而無疏水基[5]，其水溶性、穩(wěn)定性良好，不易受到電解質(zhì)及酸、堿的影響，易與被分散粒子表面形成較強的氫鍵,其醚鍵也易與粒子表面產(chǎn)生親和作用，使PEG較容易地吸附于粒子表面，從而形成一層高分子膜包裹粒子，保護膜具有一定的厚度,呈現(xiàn)空間位阻效應[6-8]，使粒子間的偶極吸引力大為削弱,從而達到有效地阻止粒子生長，抑制粒子的團聚效果。圖4表示的PEG的添量與防蠟率的關(guān)系曲線。

由圖4可見，當PEG的添加量為0.6%時為最佳值，磁性涂層的防蠟率最高達到80.1%。此后，隨著添量的增加，防蠟率逐漸減小。這是由于分散劑添加量較少時，能有效的將團聚在一起的磁粉顆粒分散開，使得在單位面積上的磁粉密度增加，磁場增強，從而對蠟晶的作用加強，使得防蠟率升高；隨著分散劑PEG含量的增加，如果PEG的加入量超過飽和吸附強度時，體系中多余的高分子鏈相互纏繞在一起，反而會使顆粒團聚，且PEG添量越大，這種破壞體系穩(wěn)定性的作用越明顯[8]，從而使得防蠟率降低。

2.4 原油中含水率對磁性涂層防蠟率的影響

為了了解含水原油的防蠟率，實驗采用含水率為20%、40%、60%和80%的模擬油進行防蠟率的對比研究。圖5表示的是在磁粉添量為2%+PEG添量為0.6%時，原油中不同含水率與防蠟率的變化曲線。

由圖5可見，涂層防蠟率隨著原油中含水率的增大而逐漸減小。這是由于吸附在磁性粒子表面的PEG與水接觸后，溶于水中，使得粒子間電位增大，空間位阻作用減弱[9]，顆粒團聚作用增強，單位面積上磁場減弱，蠟晶分子吸附作用增強，防蠟率降低。

2.5 涂層晶相顯微

由圖6a和圖6b可見，空白鋼樣和無磁粉涂層都顯著有蠟沉積。空白鋼樣的蠟晶形態(tài)是粗大和聚集的；無SF磁粉涂層與空白鋼片相比較，幾乎沒有防蠟效果。添加2%的SF磁粉后，涂層上的白色蠟點明顯減少，當其添加0.6%PEG后，涂層防蠟效果更好，蠟點明顯減少。

2.6 磁性涂層防蠟機理初探

當蠟晶分子在SF磁粉產(chǎn)生的外磁場的強烈作用下，迫使該非極性分子的正、負電荷重心產(chǎn)生位移而被極化，首先按外磁場的磁極方向以異極相吸的原則取向，隨后使分子間形成同極相斥的狀態(tài)，使得蠟晶分子不易聚集在一起形成大的蠟晶顆粒，并使已形成的大蠟晶聚集體分裂變小，分散于原油中，達到防止蠟晶顆粒沉降在管內(nèi)壁的目的。

磁場強度和有序度，是影響蠟晶析出量的重要因素。另外，蠟晶分子受到磁場作用后，分子振動加強，使蠟晶細化，增加蠟晶的溶解度，從而使析蠟點降低，降低了蠟晶的沉積速度，起到防蠟效果[10]。

3 結(jié)論

（1）SF磁粉涂層的防蠟率隨著磁粉磁性的增加而增大，當SF磁粉的Hc=5 686.1 Oe時，涂層防蠟率為70.1%。當SF磁粉添量為2%時，涂層防蠟率為77.3%；再向其中加入0.6%PEG時，防蠟率達到80.1%。隨著含水率的增大，磁性涂層的防蠟率逐漸降低。

（2）在SF磁粉產(chǎn)生的磁場下，蠟晶分子產(chǎn)生了附加磁矩，干擾和破壞了蠟晶分子中瞬間的取向，削弱了分子間的作用力，抑制了石蠟晶核的生成，阻止了石蠟晶體的生長使其不易搭成骨架，破壞了蠟晶間的聚結(jié)，因此達到防蠟目的。

［1］李媛，李果，張茉莉，等.井筒與輸油管線的物理防蠟技術(shù)綜述［J］.管道技術(shù)與設備，2011，2（2）:7-9.

［2］Correra S.，F(xiàn)asano A.，F(xiàn)usi L.，Primicerio M.，Modelling wax diffusion in crude oils:the cold finger device［J］.Appl.Math.Model，2007，（31）：2286-2298.

［3］田軍，徐錦芬，薛群基.粘性減阻技術(shù)及其應用［J］.實驗力學，1997，12（2）:198-203.

［4］王麗娟，田軍.聚合物型降凝劑的作用機理及應用［J］.精細石油化工，1997，（5）:5-8.

［5］顧峰，沈悅，徐超，等.分散劑聚合度對納米氧化鋁粉體特性的影響［J］.功能材料，2005，36（2）:318.

［6］葉云，李巧玲，景紅霞，等.分散劑對納米鐵酸鹽制備的影響及 TEM 表征［J］.電子顯微學報，2006，25（增刊）：75.

［7］鄒同征，涂江平，夏正志，等.聚乙二醇為分散劑的沉淀法制備IF-MoS2［J］.無機化學學報，2005，21（8）:1170.

［8］Yang J.Y.，Li L.，et al.A Study on Stability of Nano-ZrO2Aqueous Suspension ［J］.J.Inorg.Mater.，1997，12（5）:665-670.

［9］劉付勝聰，肖漢寧，李玉平，等.納米TiO2表面吸附聚乙二醇及其分散穩(wěn)定性的研究［J］.無機材料學報，2005，20（2）:310.

［10］朱林.原油磁處理防蠟技術(shù)應用與機理的研究［J］.油田地面工程，1991，10（5）:31-35.