基于冷指的不同防蠟率計算方法分析

卜乾　王培鴻　張兆軍　皮海虹　田震　楊竣捷　高欣　韓彪　武小霞

摘要：防蠟率的測定對防蠟劑的有效篩選具有重要意義。考慮到標準中推薦的防蠟率計算方法的局限性，利用自行改造的冷指裝置對不同溫度、剪切強度和作用時間下加劑前后的蠟沉積物進行了測定，并給出了兩種不同的防蠟率計算方法。結果表明：防蠟率與防蠟沉積速率隨溫度區間的變化規律基本一致，油溫為47℃、壁溫為37℃時的防蠟沉積速率為99.83%，明顯高于防蠟率；防蠟沉積速率與防蠟率隨剪切強度的變化規律基本一致；作用時間較短時，防蠟沉積速率比防蠟率大，超過4h后兩者基本不再隨時間變化；所用防蠟劑對各碳數的防蠟效果各異，對C44之前的碳具有防蠟效果，C44及其以后的碳具有負面作用。在實際使用時應根據具體實際情況合理選取或三種防蠟率計算方法結合起來使用。

關鍵詞：含蠟原油；冷指；防蠟劑；防蠟率；計算方法

中圖分類號：TE 83 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0078-04

含蠟原油的管道輸送一般采用加熱輸送。加熱輸送是行之有效的，但隨著輸送距離的延長，油溫不斷降低，當其降到析蠟點以下時，蠟分子不斷的從原油中析出和生長，并最終在管壁上沉積下來。管道中的蠟沉積物使管道的有效流通截面減小，摩阻增大，管道的輸送能力降低，嚴重時還可能引起管道卡堵。我國每年花費大量的人力物力來處理管道蠟沉積問題。為了從根源上解決此問題，最根本有效的辦法是在蠟開始沉積時就對其進行預防，相對于其他方法，目前添加化學防蠟劑的方法使用最為廣泛。該方法經濟有效、操作方便，不影響正常生產和其他作業，是最簡單、最有效的解決蠟沉積問題的方法。在海洋深水開發過程中，一般使用防蠟劑來降低清管頻率，從而提高經濟效益，這也是使用防蠟劑的一個主要原因。無論對石油公司還是化學劑公司，選擇有效的防蠟劑都是重要而困難的任務。

通常綜合考慮防蠟率、凝點及析蠟點三方面的效果來篩選防蠟劑。一般按照標準中的方法測定防蠟率，該方法是在實驗結束后測定防蠟劑的總體作用效果，即總體防蠟率，沒有考慮中間過程防蠟劑的作用情況。但對于現場輸油管道來講，有時更注重蠟沉積速率的變化情況。實際管道中一般將添加防蠟劑與清管兩種方法結合起來使用，許多文獻已證實加劑后總沉積量雖然是減少的，但高分子量石蠟的絕對沉積量實際是增加的，即防蠟劑的凈效應是產生了更硬的蠟，在管道中這種硬沉積物很難用清管工藝來清除。因此在評價防蠟劑的作用效果時不僅要關注其總體防蠟率，更關注其對蠟沉積速率的影響情況和對高分子量石蠟的作用效果?；谏鲜龇治觯旅娼o出兩種相應的防蠟率測定方法，并通過不同實驗條件下的冷指實驗數據說明其具有一定的使用價值。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

市購70#微晶蠟與柴油；10#建筑瀝青，中國石化股份有限公司齊魯分公司勝利煉油廠；巴斯夫蠟晶改性劑Basoflux P140，武漢新大地環保材料有限公司；高溫氣相色譜儀HP6890，安捷倫科技有限公司。

一般用冷指或環道評價防蠟劑的效果，由于冷指用樣少、操作方便，使用更普遍。自行改造一套防蠟效果評價裝置，如圖1和圖2所示。圖1為整體實驗裝置圖，圖2為冷指裝置局部圖，主要儀器有數顯電動攪拌器、數顯恒溫水浴鍋HH-1、超級恒溫水浴HH-501、微型潛水泵（連續使用壽命20000h以上）、冷指裝置等。

1.2 模擬油及防蠟劑的配制

油樣配制：根據前期探究實驗結果，配制蠟含量為15%、瀝青質含量為5%的模擬油，配制時按各組分比例稱取材料，混合后放到2000mL的大燒杯中，再將大燒杯放入烘箱中70℃連續烘4h，使蠟和瀝青質完全溶解在柴油中，形成穩定的油樣，冷卻后用保鮮膜封住燒杯口備用。油樣使用前的預處理方法參考石油大學儲運實驗室操作方法。

防蠟劑配制：所用防蠟劑是油溶性的，因此用柴油作溶劑，將其與柴油按一定比例混合，然后放到烘箱中70℃烘1h，用玻璃棒攪拌3min使其混合均勻，再放到烘箱中繼續烘1h，最終配成濃度為1%的防蠟劑。配好的防蠟劑貼好標簽，存放在錐形瓶中備用。

1.3 實驗方法

1.3.1 總體防蠟率測定方法

（1）將預先配好的油樣和防蠟劑放入烘箱中70℃烘2h，然后將防蠟劑加入油樣中，用玻璃棒攪拌3min，使劑與油樣充分混合。

（2）開啟循環水泵，設定好兩個恒溫水浴鍋的溫度，達到預定溫度后恒溫5min，使整個實驗系統達到穩定狀態。

（3）稱取大燒杯和油樣的質量，記為m₁，然后將其放入超級恒溫水浴鍋HH-501中，等待油樣溫度降至水浴鍋設定的溫度。

（4）將冷指緩慢浸入油品中，然后將攪拌器轉子緩慢放到油品中，使轉子的槳葉處在冷指底部和大燒杯底部之間。

（5）開啟攪拌器，設定轉速，實驗系統穩定后記錄實驗開始時間。

（6）實驗結束后，取出攪拌器轉子和冷指，拍取照片，測量冷指外壁沉積物高度，并稱取此時大燒杯和油樣的質量，記為m₂，蠟沉積量即為m=m₁-m₂。刮取沉積物供后面測試分析用?？瞻子蜆拥牟襟E與加劑油樣的步驟一樣，蠟沉積量為m₀=m₃-m₄。

總體防蠟率計算公式如式（1）所示：

（1）式中：PIE-防蠟率；

m₀-空白油樣的蠟沉積量，g；

m-加劑油樣的蠟沉積量，g。

1.3.2 防蠟沉積速率測定方法

蠟沉積量與時間有關，單位時間內的蠟沉積量即為蠟沉積速率。空白與加劑實驗的實驗時間是一樣的，因此蠟沉積速率也可用來評價防蠟效果，為了便于區分，此處命名為防蠟沉積速率。

計算方法：記錄實驗時間，實驗結束后測量冷指外壁蠟沉積物高度，計算單位時間、單位面積上的蠟沉積量，即蠟沉積速率，記為M₀，加劑時的蠟沉積速率記為M，按照公式2計算防蠟沉積速率。其它實驗步驟與總體防蠟率測定過程一樣。

（2）式中：WIE-防蠟沉積速率；

M₀空白油樣的蠟沉積速率，g/（cm²·h）；

M-加劑油樣的蠟沉積速率，g/（cm²·h）。

1.3.3 防蠟率分步測定方法

計算方法：根據加劑前后蠟沉積物的碳數分布可分別算出各碳數的含量，乘以各碳數的相對分子質量得到其質量，然后按照公式1計算各碳數的防蠟率，相對分子質量一項可約分去掉，最終計算公式為式3。為便于區分，命名為防蠟率分步計算方法。其它步驟與總體防蠟率測定過程一樣。

（3）式中：PIE-組分i的防蠟率；

W_aⁱ-加劑油樣中組分i的含量，%；

W_nⁱ-空白油樣中組分i的含量，%。

2 結果與討論

（1）防蠟沉積速率測定結果

不同溫度、剪切強度和作用時間下的防蠟沉積速率測定結果分別如表1、表2和表3所示，為便于對比分析，將防蠟率測定結果也列入表中。其中，43/33表示油溫43℃，壁溫33℃。

由表1可知，溫差為10℃時的防蠟沉積速率均比防蠟率高，兩者隨溫度區間變化的規律也不一樣。47/37實驗條件下的防蠟沉積速率為99.83%，明顯高于防蠟率。這可能是由于該溫度區間處于析蠟高峰區，蠟沉積速率較快，防蠟劑能很好的發揮作用，效果明顯，因此計算值較高；防蠟率則是實驗結束后計算總的蠟沉積量，由于沒有考慮時間，體現不出這一點。當溫差為6℃時，溫差降低，蠟沉積速率下降，防蠟沉積速率與防蠟率的計算值各不相同，但兩者隨溫度區間的變化規律一致。由上述分析可知，防蠟沉積速率測定方法考慮了時間的影響，能體現出防蠟劑對蠟沉積速率的作用情況，具有一定的合理性。

由表2可知，防蠟沉積速率與防蠟率隨剪切強度的變化規律基本一致，這是因為不同剪切強度下防蠟率的作用時間是一樣的，當統一考慮作用時間時，防蠟率與防蠟沉積速率隨剪切強度的變化規律相差不大。

由表3可知，當作用時間較短時，由于剛開始蠟沉積速率較快，防蠟沉積速率比防蠟率大；超過4h后，由于油品中大部分蠟已經析出，蠟沉積速率變慢，防蠟沉積速率降低，防蠟率是實驗結束后總體防蠟效果，因此4h后基本不變。防蠟沉積速率隨作用時間的變化規律也證實了前面對表1和表2的分析是正確的。因此在實際應用時應根據具體情況把握好防蠟劑的作用時間，太短或太長均不適宜。

（2）防蠟率分步測定結果

按照公式3計算防蠟率，結果如圖3所示。實驗條件為43/33/400/4（油溫43℃，壁溫33℃，剪切強度400r/min，時間4h），其他實驗條件下的結果分析類似，不再給出。根據所使用的蠟的碳數分布規律，此處以C₃₅為分界點，C₃₅之前為常規碳數，C₃₅及其以后為高碳數部分。

總體防蠟率（58.33%）為防蠟劑對模擬油作用的總體效果，而防蠟率分布測定結果為防蠟劑對模擬油中不同碳數蠟的作用效果。由圖3可知，防蠟率分布測定結果與總體防蠟率相比表現出很大的差異。防蠟劑對C₂₄的作用效果最好，防蠟率為45%，對C₃₅之前碳數的防蠟率基本在20%以上；而對于C₄₄之后的碳具有負面作用，最差防蠟率在-150%以上。總體來看，防蠟劑對C₄₄之前的碳具有防蠟效果，C₄₄及其以后的碳具有負面作用，即對常規碳數蠟的沉積具有抑制作用，而對大多數高碳數蠟的沉積具有促進作用，由此導致加劑后析出的蠟沉積物更硬。即該防蠟劑能降低總的沉積量，但對于抑制高分子量的石蠟（C₃₅及以上）沒有效果，致使形成的沉積物更硬。由于采用峰面積歸一化的方法計算各碳數的含量，這也可能掩蓋防蠟劑對各碳數的真實作用效果，但為何防蠟劑對高碳數蠟的效果很差，業界還沒給出合理的、統一的解釋。從圖3中可清楚的看到防蠟劑對蠟中輕重組分各自的防蠟效果，更有意義的評價防蠟劑的實際效果，這是該測定方法區別于總體防蠟率的關鍵一點，更利于從本質上揭示防蠟劑的作用機制。

3 結論

（1）總體防蠟率測定方法簡單，而防蠟沉積速率測定方法考慮了時間的影響，從蠟沉積速率上對防蠟劑作用效果進行評價，能體現出防蠟劑對蠟沉積速率的作用情況，且該方法可節約實驗時間，并能減少誤差，具有一定的合理性。

（2）防蠟率分步測定方法從蠟沉積物碳數組成上入手，將防蠟率與蠟沉積物硬度聯系起來，更能反映防蠟劑的實際作用效果。但由于油樣、防蠟劑千差萬別，輕重組分的分界點無法統一界定，還需進一步研究。

（3）為了對防蠟劑的作用效果做出更全面合理的評價，在實際使用時應根據具體實際情況合理選取防蠟率測定方法，或三種方法結合起來使用。