環道實驗研究碳酸鈣結垢規律

劉 振, 王麗玲

（中國石油大學（北京）， 北京 102249）

環道實驗研究碳酸鈣結垢規律

劉 振, 王麗玲

（中國石油大學（北京）， 北京 102249）

我國出產的石油大多數屬于重油，結垢問題嚴重。通過設計環道實驗，發現隨著流速的增大，碳酸鈣結垢誘導期加長，結垢速率減小，漸進污垢熱阻減小；表面溫度越高，結垢速率越大。之前的文獻中很少討論堿度對換熱表面結垢的影響，本文對不同硬度及堿度含量的水質進行了實驗研究發現，堿度越大結垢越嚴重；隨著溶液硬度的增大，結垢速率先是增大，待增大至一定濃度時降低。

環道；碳酸鈣；結垢

1 國內管線結垢現狀及應對措施

在油田生產過程中，特別是在油氣井生產開采的后期，隨著高含水階段帶來的整體原油含水量高、礦化程度高、出砂出泥高等現象，造成了沿線集輸管線結垢嚴重的后果，結垢給油田生產帶來大量問題：降低傳熱系數，降低換熱效率，帶來生產隱患，減小管徑，增大沿途摩阻等。我國出產的石油大多數屬于重油，結垢問題嚴重[1]。

針對油井管道的結垢問題，國內外應用較為廣泛的除垢方法主要是化學除垢法和機械除垢法。[2]化學除垢法是使用化學防垢劑，因為防垢劑具有增溶、靜電斥力、晶體畸變、分散和去活化等作用，可以用來阻止無機鹽在溶液和流體通道壁上結晶沉淀。化學除垢法的弊端在于，需要不斷補充新藥劑，難以準確把握藥劑用量，除垢效果時好時壞，容易造成環境污染，損害工人健康。機械除垢的方法大致為高壓水噴射除垢，即利用柱塞泵產生的高壓水經過特殊噴嘴噴向垢層，除垢徹底，效率高，與其他方式相比操作更簡便、價格低、施工人員少、施工周期短等好處。但是，清管器為直線運動，若要較為徹底的清理干凈管線內壁的垢層，一般需要重復清洗 5～6 遍，有時多達 10 遍（表 1）。

表 1 機械、化學和超聲波除垢方式對比Table1 Comparison of mechanical, chemical and ultrasoniccleaning methods

根據現場經驗及大量文獻可知，碳酸鈣是油田最常見的一種碳酸鹽垢型。通常而言，結垢的過程通常分為四個過程：①水中的相關離子結合形成低溶解度的鹽類分子；②低溶解度分子相結合并形成微小的晶粒，產生晶粒化過程；③大量晶體在特定部位堆積長大；④在不同的部位形成結垢[4]。CaCO3垢主要是由于 Ca2+和 CO32-或 HCO3-結合反應生成，其基本原理如下所示[5]:

2 確定環道參數

環道實驗流程圖如圖1。

圖 1 環道實驗流程圖Fig.1 Ring road experiment flow chart

2.1 確定實驗段長度

2.2 確定泵的流量和揚程

對于換熱器，實驗中的熱水循環系統管程流速為 0.5～3.0 m/s，實驗中的實驗介質循環系統殼層的流速為 0.2～1. 5 m/s。實驗所設計的換熱器的內徑為12 mm，環形空間的當量直徑為 9 mm，其管程流量在 0.2～1.2 m3/h 范圍內，殼層的流量在 0.17～1.2 m3/h范圍內，根據達西公式可以求得整個實驗介質循環系統所需能頭小于 40 m，整個熱水循環系統所需能頭小于 30 m。綜合流量范圍與所需能頭的范圍，并參考所給離心泵的特性參數，最終選擇德國威樂泵。型號分別為 WHI203 和 WHI204，前者揚程 33 m，流量范圍 0～5 m3/h； 后者揚程 45 m，流量范圍 0～5 m3/h。

2.3 選擇壓力儀表

根據達西公式可以求得在實驗管段中殼層的壓降在 0.2～2.3 kPa 范圍內，管程的壓降在 0.24～5.69 kPa 范圍內，因此選擇 0～10 kPa 的差壓計，調節差壓計的量程，一支差壓計量程調為 0～4 kPa，另一支調為 0～7 kPa，以求達到較高的測量精度。

3 對流換熱的理論計算

對于實驗段的換熱情況現做如下假設：

（1）換熱段與周圍環境絕熱，并無散熱損失，此時只有冷熱流體之間發生熱交換；

（2）忽略沿管道軸向方向的熱傳導；

（3）忽略流體勢能和動能的變化；

（4）流體的熱物性參數在一定的溫度范圍內恒定；

（5）流體都處于熱充分發展階段。

在實驗段的冷、熱流體的流量以及進口溫度已知曉的情況下可以運用公式求得冷、熱流體的出口溫度，管道的內、外壁溫度，表面傳熱系數以及總傳熱系數。所涉及到的公式有能量平衡關系式（1）和（2）、傳熱方程（3）、迪斯圖-貝爾特經驗公式（4）和（5）、牛頓冷卻公式（7）和（8）、格尼林斯基經驗公式（9）和（10）等。具體如下：

式中：Φ—熱流量，W；

cp,h、 cp,c—熱、冷流體 的比熱容，J/(kg?k)；

m˙h、 m˙c—熱 、冷流體的質量流 量，kg/s；

k—總傳熱系數，W/(m2·k)；

L—實驗段長度，m；

Nuh、 Nuc—熱、冷流體 的努塞爾數；

do、 di、 de—換熱管的內 徑、外徑及殼層的 當量直徑，m；

Rem,h、R em,c—熱、冷流體 的雷諾數；

Prm,h、Prm,c、P rw,i、Prw,o—熱、冷流體、換熱管內壁及外壁的普朗克數；

hh、 hc—冷 、熱流體的對流換 熱系數，W/(m2?k)；

λh、 λc、 λ—熱、冷流體 及換熱管的熱導率 ，W/(m?k)；

Th,i、 Th,o、 Tc,i、 Tc,o、 Tm,h、 Tm,c、 Tw,i、Tw,o— 熱 流 體 進出 口 溫 度、 冷 流體進出口溫度、熱、冷流體的平均溫度、換熱管內壁及外壁的溫度，℃；

Δ Tm—對數平均溫差，℃。

3.1 計算實驗段殼層的當量直徑

3.2 計算冷流體出口溫度

假設多個熱流體出口溫度 Th,o，計算得出多個相應的冷流體的出口溫度 Tc,o：

公式（1）和（2）

3.3 求解平均溫差

計算熱、冷流體在實驗段的平均溫度，并求解對數平均溫差：

3.4 計算總傳熱系數

通過傳熱方程（3）計算總傳熱系數 k：

3.5 經驗公式求解總傳熱系數

3.5.1 運用迪斯圖-貝爾特經驗公式初算對流換熱系數

由公式（4）和（5）得到努塞爾數，再通過式（6）得出對流換熱系數：

3.5.2 運用牛頓冷卻公式求解換熱管壁溫度

由式（7）和（8）得：

根據此溫度得到換熱管壁的普朗克數。

3.5.3 求解對流換熱系數和出口溫度

由式（9）和（10）得出努塞爾數，再根據式（6）求解得到對流換熱系數。重復循環步驟，直到所得對流換熱系數的值與前一次所求之差在允許范圍之內，此時就得到了最終的對流換熱系數。由式（11）可以得到總傳熱系數k值，將上述所求k值進行差值，差值最小的所對應的熱、冷流體出口溫度就是所求的溫度。

4 實驗結果分析

4.1 流速對結垢過程的影響

流速為 0.6 m/s 時，誘導期為 360 min，漸進污垢厚度為 2.25×10-4m。流速為 1.7 m/s 時，誘導期為600 min，漸進污垢厚度為 0.57×10-4m（圖 2）。

圖 2 流速對碳酸鈣結垢的影響Fig.2 The effect of flow velocity on calcium carbonate scaling

隨著流速的增大，結垢誘導期加長，結垢速率減小，漸進污垢熱阻減小。另外，從實驗中發現污垢的密度與導熱系數的乘積隨流速的增大而增大。

4.2 換熱表面溫度對結垢過程的影響

結垢表面溫度增加 20 ℃，污垢壓降增加為原來的 3.5 倍。可以看出，表面溫度越高，結垢速率越大，污垢壓降也越大，結垢誘導期越短。Hasson[6]實驗中表面溫度增加 15.5 ℃，結垢速度僅有 20%的增加；而 Story[7]實驗中表面溫度發生 33 ℃變化時，污垢熱阻有20倍的變化，本文污垢壓降的影響介于兩者之間（圖 3）。

圖 3 換熱表面溫度對結垢的影響Fig.3 Influence of heat transfer surface temperature on fouling

4.3 pH 值對結垢過程的影響

文獻中很少討論堿度對換熱表面結垢的影響。Morse 和 Knudsen[8]考察了堿度對冷卻塔水中 CaCO3在傳熱面結垢的影響，發現所生成污垢的強度與水的堿度有關。本文對不同硬度及堿度含量的水質進行了實驗研究（圖 4）。

圖 4 pH 對碳酸鈣結垢過程的影響Fig.4 Effect of pH on calcium carbonate fouling process

溶液的堿度對結垢有非常重要的影響，堿度越大結垢越嚴重。另外，根據實驗發現，溶液堿度對垢質的物性也有很大的影響。堿度越大垢質越疏松，堿度越小垢質越硬。

4.4 離子濃度對結垢過程的影響

隨著溶液硬度的增大，結垢速率及壓降先是增大 ， 待 增 大 至 一 定 濃 度 時 降 低 。Chernozubov[9]及Watkinson[10]等也發現了類似的規律（圖 5）。

圖 5 濃度對碳酸鈣結垢過程的影響Fig.5 Effect of concentration of calcium carbonate on fouling process

［1］霍文蘭，溫俊峰. 超聲波輔助法在輸油管道除垢、防垢中的應用[J].應用化工,2009,38(6).

［2］師柱，趙剛. 三元復合驅油井管道超聲波除垢技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學, 2011.

［3］佟帥，李明偉. 超聲波防垢除垢機理及提高效率的方法研究[D]. 大連：大連理工大學, 2008.

［4］段黎明,郭艷萍，閆鳳平．碳酸鈣結垢預測方法及應用效果對比[J]．遼寧化工，2011,40(5): 511-514.

［5］唐靈，楊琳，何健．油田注入水碳酸鈣結垢預測研究[J]．海洋石油，2009,29(1): 75-78.

［ 6］D. Hasson, M. Avriel, W. Resnick, et al. Mechanism of Calcium Carbonate Scale Deposition on Heat Transfer Surfaces[J]. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals,1968, 7: 59-65.

［7］M K Story. Surface Temperature Effects on the Fouling Characteristics of Cooling Water[R]. M.Sc Thesis of Oregon State University (USA), 1975.

［8］R W Morse, J G Knudsen. Effect of Alkalinity on the Scaling of Simulated Cooling Tower Water[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1977, 55: 272-278.

［9］V B Chernozubov, L P Karnauhov. On the Rate of Calcium Carbonate Scale Deposition[R]. 4th International Symosium on Fresh Water From the Sea. 1973-02:57.

［10］A P Watkinson, O Martinez. Scaling of Heat Exchanger Tubes by Calcium Carbonate[J]. Journal of Heat Transfer,1975, 97: 504-508.

惠云鈦業助力云安縣循環經濟

循環經濟如何變廢為寶？日前，由鈦白行業主導的“全國鈦白粉產業技術創新戰略聯盟技術創新推介會”在云浮市舉行。筆者在一生產車間看到，由惠云鈦業有限公司生產鈦白粉后產生的鈦石膏污泥，經過超高壓污泥壓榨機烘干脫水后，形成了一塊塊干泥巴。這些原本需要當垃圾處理的污泥，經過壓榨后將作為水泥原料、或制作成為環保磚等下游產品，由以往要花錢處理的“垃圾”變成會來錢的“寶貝”。這是云安縣大力發展循環經濟，積極引導企業實現循環經濟鏈上變廢為寶的又一碩果。

Experimental Research on Calcium Carbonate Scaling Rules by Annular Pipeline Test

LIU Zhen，WANG Li-ling
(China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China)

The produced oil in our country is mostly heavy oil, with serious scaling problem. According to the annular pipeline test, with the increasing of the flow rate, induction period becomes longer, the scaling rate decreases and scaling resistance reduces; the higher the temperature on surface, the higher the scaling rate. While, there is little discussion about the effect of alkalinity on scaling of heat exchanging surface in literature. In this paper, an experimental research on water with diverse hardness and alkalinity contents was carried out. The research results show that, the higher the alkalinity, the heavier the scaling. With the increasing of the hardness of solution, scaling rate firstly increases, and then decreases when the hardness reaches to some extent.

Annular pipeline; Calcium carbonate; Scaling

TQ 132.3+2

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1181-04

2013-12-05

劉振（1987-），男，山東菏澤人，中國石油大學（北京）機械學院石油與天然氣工程在讀碩士，研究方向：從事油氣長距離管輸技術、多相管流及油氣田集輸技術。E-mail：liuzhen09@126.com。