朱晓东
华东管道设计研究院有限公司 江苏 徐州 221008
摘要：液体在管道中流动时有两种流动状态，一种是层流，另一种是紊流，通常采用雷诺数(Re)来确定流动状态。流体在管道中流动时受管道沿程阻力和局部阻力的影响，导致系统能量消耗，降低管道输送能力和输送效率。减阻剂是一种长链、高分子量聚合物，可降低摩擦压力损失，提高烃类产品在管道中的流量，是油品管道输送系统中的重要组成部分，可降低输油管道运行的总能耗费用，提高管道输送效率。
关键词：减阻剂;输油管道;应用
引言
减阻剂是一种广泛用于原油管道运输的化学添加剂。它可以有效地减少原油和精炼石油管道运输的摩擦和能源消耗，抑制流量中的石油波动程度，降低流量阻力。它可以有效提高管道输送能力，减少管道压力，节约能源，提高管道运行的安全系数而不增加设备。
1减阻剂的减阻机理
减阻剂通过改变管道中流体的流动状态，具体通过影响湍流场的宏观表现来实现减阻作用。减阻作用只是单纯的物理作用，减阻剂不与油品物质发生化学反应，所以不影响油品的化学性质，只对其流动特性产生影响。减阻剂进入流体中后，由于其具有粘弹性，分子链沿流体流向方向自然伸展，从而对流体分子的运动产生影响。减阻剂分子受到流体分子径向作用力，发生扭曲变形的同时，因其分子间引力而对流体分子产生反作用力。受到该反作用力的影响，流体分子作用力方向和大小发生改变，一部分径向作用力转变为顺流向的轴向作用力，无用功的消耗降低，宏观上起到减少摩阻损失的作用。
2减阻剂的减阻作用
减阻剂注入油品后，能限制油品分子径向运动，使其沿减阻剂长链分子方向运动(即沿管道方向运动)，有效减小油品的紊流程度。根据流体力学原理，层流趋势越高，摩阻系数越小，减阻剂便是通过这种方式实现减阻、增输的目的。管道流体流动阻力的降低，实际上是摩阻系数的降低，因此减阻率可以表示为式(1)：
式中：λ0为未加减阻剂工况下的摩擦系数；λR为注入减阻剂后管道内油品流动的摩阻系数。根据式(1)，通过计算注入减阻剂前后管道油品摩阻系数的变化，就能得到减阻率的数值。
针对减阻剂的减阻效果在成品油管道进行了工业应用研究，研究结果表明：减阻剂对不同油品均有减阻效果。在93#汽油中添加10mg/L的减阻剂时其减阻率为14.9%，添加15mg/L的减阻剂时其减阻率达到18.7%；在0#柴油添加10mg/L减阻剂时减阻率为23.3%，添加15mg/L减阻剂时其减阻率达到27.7%。成品油管道进行现场试验，结果显示减阻剂对0#柴油具有较好的减阻、增输效果。在455.65m3/h流量工况下，通过加注减阻剂B，减阻率最大可达54%。则以某原油管道为研究对象，加入型号为A01的减阻剂浓度20mg/L时，减阻率为23%；当减阻剂浓度增加至30mg/L时，减阻率提高到37%[1]。
3减阻剂类型
目前，油气田开发中使用的减阻剂主要包括聚合物和表面活性剂。聚合物还原剂主要包括合成聚合物:聚乙烯(PEO)、聚丁烯(PIB)、聚丙烯酸酯(PAM)、聚丙烯酸酯、共聚物b(EP)、聚芳砜等。天然聚合物的主要抑制剂是甜瓜胶(GG)、黄胶(XG)、阿拉伯胶(GA)、羧甲基纤维素(CMC)等。用于降低强度的表面活性剂主要是阳离子表面活性剂:季铵盐、烯烃季铵盐、双子季铵盐等。环表面活性剂，如磺酰亚胺-苯乙烯-磺酸钠；两性表面活性剂，如二氧甲基苯丙胺等[2]。
4减阻剂的组成
减阻剂的化学组成是高分子碳氧化合物聚合物，外观粘稠，属非牛顿流体。其中，应用于油品减阻增输用途的减阻剂为油溶性减阻剂，分子结构主要呈线性长链结构，具有较大柔弹性。呈螺旋结构的分子链柔弹性更大；分子量一般要求在106以上。
5管道应用减阻剂输送性
一种应用于工业试验管道的减速器输送工业试验方法EP-1减速器工业试验:将EP-1减速器注入空管道进行现场试验。初始量为196t/h，整个试验期间减压剂平均注射量为14.6l/h(67ppm)，试验持续时间为32小时，油液运行时间为20小时，稳定性为12小时。KS-30减速器工业试验:在所有EP-1减速器完成机油运行后，将KS-30减速器注入空管道进行现场试验。初始流速为166Lt/h，减速器在整个试验过程中使用平均减速器注射速度为8.3升/小时(38ppm)。试运行时间为20小时，由于京边最后一个油泵站的输入流量达到287t/h，超过280t/h的上限，为了保证最后一个站的生产安全，被迫停止12小时的稳定试运行阶段，该阶段的试运行已经完成[3]。
6减阻机理
湍流脉动抑制说。由于聚合物和表面活性剂主要针对湍流才有减阻现象，对于层流几乎起不到减阻效果，因此有学者提出减阻剂能抑制湍流旋涡的产生，改变湍流旋涡结构，减弱湍流脉动强度，从而减少能量耗散，起到减阻效果。管道湍流一般分为三种流态：粘性底层、缓冲层、湍流层。无减阻剂时，管壁附近存在一个较窄的粘性底层，流动规则，对流与能量耗散小，摩擦阻力小；管道中心附近处于湍流状态，流动不规则，湍流旋涡大，质量和能量的平均扩散远大于层流状态；缓冲层流动介于层流和湍流之间，对流和能量扩散相对缓和。而减阻剂的加入能抑制湍流脉动，减少能量耗散，增加粘性底层和缓冲层的区间。从定性分析角度，该假说能很好地解释聚合物湍流减阻现象[4]。
7减阻剂在连续油管作业中的应用
连续管道液体注入(CoiledTubing)是油田和天然气田作业中常见的技术，例如钻井、钻井、眼清洁、水力压裂等。研究分析了纳卡SP-820聚合物减阻剂在液压直连续管中的减阻效果，发现当减阻剂浓度为0.07%时，右管湍流减阻率为75%，连续管湍流减阻率为Shah等人在2011年研究了连续流动管道中的温度和矿化对降低聚合物强度的影响，结果表明，矿化和温度导致聚合物还原率相差约10%太鼓油、非离子表面活性剂、乙二醇等材料制备了环保型连续管道减阻剂，研究表明，该减阻剂具有pH适用范围宽、减阻性能显著等优点[5]。
8减阻剂对成品油质量的影响
减阻剂在输油管道运行中的减阻作用是一种物理作用效果。输油管道中注入减阻剂后不会影响油品的质量，主要是因为减阻剂仅改变了管道中油品的流动状态，并未与油品发生任何的化学反应。以某成品油管道的减阻剂进行试验模拟，研究发现：减阻剂加注量过大且没有被流体剪切的情况下才会影响油品质量，正常使用减阻剂时将不影响油品质量。指出由于原油成分非常复杂，不仅含有液态低烃类物质，还含有石蜡、沥青质等重烃类物质，注入少量减阻剂对原油质量不会产生影响。对于成品油，加入减阻剂剂量小于某一临界值时则可以满足要求使用。
结束语
随着人们对石油需求量的日益增长，管道输油工作量变得愈发繁重。减阻剂的应用能增加管道的输量，降低输油能耗，提高管道输送经济效益。在输油管道上应用减阻剂是大势所趋，加大对减阻剂生产工艺及减阻机理的研究探索，降低减阻剂的生产成本，提高减阻剂的减阻率和增输率，是输油管道工业发展的必然选择。
参考文献
[1]李海荣.减阻剂在输油管道上的应用试验[J].石油石化节能,2019,9(10):9-11+2.
[2]全青,王寿喜,石营,王力,解谨,王小丹.油品减阻剂减阻机理及其效果预测研究现状[J].化工机械,2019,46(01):16-20.
[3]石营.减阻剂减阻效果评价与预测技术研究[D].西安石油大学,2018.
[4]韩善鹏,马晨波,陆争光,谢萍,崔祥,王勐.顺序输送原油管道中减阻剂效果的评价方法[J].油气储运,2018,36(02):171-176.
[5]赵珊,刘蓉蓉.减阻剂在输油管道运行中的减阻节能与增输作用研究[J].石化技术,2018,23(09):283.