超聲波除碳酸鈣垢的實驗研究

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摘 要：目前，超聲波是一種在工業中廣泛應用的技術，可以用于油田管道的污垢清理。為了更加深入研究超聲波除碳酸鈣垢的效果，有必要探究超聲波的參數對除垢率的影響。在實驗室條件下，組裝了一套超聲波除垢設備，通過改變超聲波的頻率、輻照時間和輻照溫度，分別處理Q235鋼制掛片上的碳酸鈣垢，采用處理前和處理后掛片質量差的方法來評價除垢效果。實驗結果表明在頻率為28 kHz、輻照時間為10 min和輻照溫度為40 ℃的條件下，超聲波除碳酸鈣垢能力強、效果好。因此，優選出超聲波不同參數之間的組合對提高除碳酸鈣垢率至關重要。

關 鍵 詞：超聲波；頻率；輻照時間；溫度；碳酸鈣垢

中圖分類號：TQ 028 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1318-04

Study on Calcium Carbonate Scale Removal

With Ultrasonic Wave in Laboratory

LU Xi-xi， GUO Yue， LIN Xue-song， GONG Tong

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China）

Abstract： At present， the ultrasound wave technology is widely used in industrial fields， for example scale removal of oil pipeline. To further study the effect of ultrasonic wave to remove calcium carbonate scale， it is necessary to explore the influence of ultrasonic parameters on cleaning calcium carbonate scale. A set of ultrasonic descaling equipment was assembled and a series of laboratory experiments were conducted. By changing the ultrasonic frequency， duration and temperature， the calcium carbonate scale on the Q235 steel material was respectively treated， the scaling removal effect of ultrasonic wave was evaluated by the method of loss weight. The results show that， when the frequency is at 28 kHz， the duration is 10 min and the temperature is at 40 ℃， cleaning effect of ultrasonic wave is perfect. Therefore， it is significant to select the suitable combination of different ultrasonic parameters for improving calcium carbonate scale removal rate.

Key words： Ultrasonic wave； Frequency； Duration； Temperature； Calcium carbonate scale

在油氣田后期開采過程中，隨著產油量的減少，注水量加大，油田生產系統結垢問題日益嚴重[1]，會導致設備低效運轉和設備維護費用增加[2]，不利于油田安全高效生產，碳酸鈣垢是最常見的污垢之一。目前最常見的除垢方法是化學除垢法，但是化學藥劑成本高、花費大，且每次在線連續注入化學藥劑用量難以把握，難以生物降解，嚴重污染環境[3，4]。近年來，超聲波除垢技術由于操作簡單、自動化程度高、運行費用低、在線連續工作、工作性能可靠、效率高、無環境污染等特點[5]，在油田生產中得到了廣泛的應用。超聲波除垢的影響因素主要分為三類：超聲波參數、流體參數和材質。目前，超聲波除垢中流體參數研究較多，而超聲波參數研究需要進一步完善[6]，因此開展超聲波參數除碳酸鈣垢的實驗研究是十分必要的。

本文通過實驗數據，結合超聲波除垢機理和碳酸鈣垢的成因兩方面，評價超聲波在不同頻率、不同輻照時間和不同溫度下去除Q235鋼制掛片上碳酸鈣垢的效果，得到了除垢效果最佳時，超聲波的頻率、輻照時間和溫度三者的最優組合。

1 除垢機理

超聲波除垢裝置主要由超聲波發生器和超聲波換能器兩大部分組成，超聲波除垢技術主要依靠頻率高于20 kHz聲波的空化效應、剪切效應、活化效應去除管壁污垢[6]。

（1）空化效應

超聲波產生的脈沖震蕩波在管道中傳播，會在管道與流體分界面位置處產生大量細小的空穴和氣泡，流體中的水起到空化核作用，在極限壓力作用下氣泡破潰，與此同時流體中的細小顆粒連續不斷沖刷管道內壁，從而進一步加劇空化作用強度。氣泡獲得能量后，在聲場的作用下不斷振動，在界面處形成的壓強逐漸增大[7]。當氣泡迅速膨脹，相互擠壓，突然潰破時，一方面氣泡界面處產生瞬間高溫[8]，導致液體粘度和表面張力減小，空化閾值降低，促進空化氣泡的形成，更加有利于空化效應的發生；另一方面會對垢層表面產生一定范圍的局部沖擊力，使結垢層疏松，產生疲勞和裂縫，形成較多分散的小顆粒，在流體的沖刷下，導致垢質脫落[9]。

（2）剪切效應

由于結垢層和管道對超聲波吸收和反射的能力不同，導致超聲波在兩者之間的傳播存在速度差，從而在兩者界面處產生相對剪切力，使得垢層與管道內壁之間形成的粘合力減弱，污垢附著力減小，垢層易剝落[9，10]。另一方面，當超聲波振蕩器的頻率與管道內壁上附著的垢層固有頻率相同時，將會發生共振現象，垢層疲勞松散，垢質粉碎，垢物逐漸從管壁上脫落[9，10]。此外，在超聲波的作用下，流體會形成細小漩渦，產生旋流效應，垢層疏松，同時也可以避免形成的結垢晶體在管道內壁淤積[11，12]。

（3）活化效應

在液體介質中，超聲波可以使水分子裂解為活性H自由基和HO自由基，甚至是H+和HO-[11]?；钚訦自由基性質活潑，具有氧化性，容易與垢質發生反應，可以把生成的積垢剝落下來；而HO與成垢物質離子可以形成CaOH+、MgOH+等配合物[12，13]，增加水溶解污垢的能力，附著在管道內壁的垢量減少。

2 實驗試劑和裝置

2.1 實驗試劑

在本次試驗中，所選擇藥品的等級和用量均按照SY/T0600-2009《油田水結垢趨勢預測》的規定，如表1所示。

2.2 實驗裝置

超聲波發生器的主要作用是給超聲波除垢裝置提供電能，超聲波換能器是本次實驗的核心部件，其主要作用是從超聲波發生器獲得的電能，然后轉換成超聲波。實物如圖1所示。根據實驗設計的要求，選擇3種型號的超聲波發生器和4種類型的超聲波換能器，實驗儀器的主要參數見表2。

2.3 實驗設計

實驗設計參考標準SYT 5673-93《油田用防垢劑性能評價方法》，實驗步驟如下：

（1）將除銹、打磨、沖洗、烘干、稱量后的Q235鋼制掛片放入到標準碳酸鈣溶液中，恒溫水浴鍋溫度設定為60 ℃，24 h后取出掛片，經恒溫干燥箱風干后，稱量并計算掛片的結垢量m0；

（2）將結垢掛片放入原標準碳酸鈣溶液中，超聲波在不同頻率、不同溫度和輻照時間下分別對掛片進行處理，稱量并計算超聲波作用后掛片的質量m1；

（3）除垢效果采用質量差法，即除垢率計算公式為：

其中： m0 —超聲波作用前掛片的質量，g；

m1 —超聲波作用后掛片的質量，g；

E —除垢率，%

3 實驗結果和分析

3.1 頻率

在超聲波發生器功率為1 500 W，超聲波換能器除垢頻率分別為20、28、60和120 kHz，實驗溫度分別為40和60 ℃，輻照時間分別為5和10 min，作用已結垢的掛片，計算處理前和處理后掛片的質量差，計算除垢率，從而得出超聲波除碳酸鈣垢的最佳頻率。未處理前掛片實物如圖2所示，在頻率為28 kHz，輻照溫度40 ℃，輻照時間10 min的條件下，超聲波對結垢掛片處理后實物如圖3所示，該實驗合計16組，實驗結果如圖4。

由圖可知，在實驗溫度和輻照時間相同的情況下，每組實驗結果均表明除垢率隨著超聲波頻率的增加先升高后降低，在頻率為28 kHz時，除碳酸鈣垢率最大，除垢效果好。

從理論上分析，頻率增加，單位時間內超聲波的交變次數越多，液體體系中的剪切效應增強[14]；另一方面也有利于液體獲得超聲波中的能量，增強超聲波的熱效應，瞬間產生的高溫降低空化閾值，利于空化氣泡的形成，加劇空化效應的強度。但是頻率過高，超聲波的能量在傳播過程中衰減快，熱效應減弱，聲波壓縮相時間縮短，空化氣泡來不及破滅，有效除垢效果減弱。

3.2 輻照時間

在超聲波發生器功率為1500 W，超聲波換能器頻率為28 kHz，實驗溫度為40和60 ℃，輻照時間分別為5和10 min，處理碳酸鈣垢掛片，稱量處理后掛片的質量，計算除垢率，從而得出超聲波除碳酸鈣垢率與輻照時間的關系，如圖5。

由圖中可知，隨著輻照時間的延長，超聲波除垢效果更加明顯，輻照時間為10 min，除垢率最高可達72.68%。

理論分析，輻照時間增加，液體從超聲波獲得的能量越多，空化氣泡和空穴的數量增加，加速空化效應的發生，另一方面，活化效應增強，水分子中裂解的活性H自由基增多，具有氧化性的活性H自由基更容易把積垢剝離，減少碳酸鈣垢在掛片上的沉積。

3.3 輻照溫度

超聲波發生器功率為1 500 W，超聲波換能器頻率為28 kHz，輻照時間分別為5和10 min，超聲波在不同的溫度下處理已結垢的的掛片，稱量處理后掛片的質量，計算除垢率，得到超聲波除碳酸鈣垢率與溫度的關系見圖6，進一步分析得出最佳輻照溫度。

由圖可知，在超聲波除垢頻率為28 kHz，輻照時間為10 min時，最佳輻射溫度為40 ℃。溫度從40 ℃升高到60 ℃，除垢率由72.68%降低到43.61%，下降幅度為40.00%。

理論上分析，溫度升高，促使碳酸鈣在水中的結晶現象發生，懸浮于溶液中的碳酸鈣顆粒增多；同時碳酸鈣在水中的溶解度減小，綜合這兩方面可知，溫度升高，加快結垢過程的發生，掛片結垢量增加，除垢率降低。

4 結 論

（1）通過比較超聲波在4種不同頻率下的除垢實驗，采用超聲波處理掛片前后的質量差法來評價除垢效果，得到超聲波最佳除垢頻率為28 kHz。

（2）在最佳除垢頻率為28 kHz的情況下，控制超聲波對掛片的處理時間，分析得出超聲波輻照時間為10 min，除垢效果好。

（3）基于最佳除垢頻率和最佳輻照時間，超聲波在不同的輻照溫度下處理結垢的掛片，確定超聲波最佳除垢溫度為40 ℃，超聲波除垢能力強。

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