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  2. 油田集輸管網(wǎng)結(jié)垢監(jiān)測與預(yù)測技術(shù)進(jìn)展
    2019-08-23 10:41:33 作者:袁杰,孫立梅,田徑,董澤華 來源:腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù) 分享至:

    隨著原油開采進(jìn)入中后期,必須采用二次或三次采油技術(shù)來提高原油采收率。水驅(qū)、氣驅(qū) (包括CO2、空氣和N2) 和聚合物驅(qū)是目前我國東部成熟油氣田普遍采用的技術(shù),但是隨之帶來的問題是采出液中含水率越來越高,有時(shí)甚至高達(dá)95%,由此造成了嚴(yán)重的腐蝕和結(jié)垢問題。集輸管道結(jié)垢,會使得回注水流體的橫截面積變小,注水壓力增大,對管道設(shè)備的耐壓強(qiáng)度等級要求增大。與此同時(shí),注水量增加,浪費(fèi)資源與能源,不利于油田的節(jié)能降耗。此外,注水管道內(nèi)的有機(jī)與無機(jī)垢層會阻礙緩蝕劑與鋼鐵管道的接觸,使得垢下濃差腐蝕和垢下微生物腐蝕風(fēng)險(xiǎn)急劇增加,導(dǎo)致管線穿孔泄露。


    本文調(diào)研了典型油田注水的結(jié)垢機(jī)理、結(jié)垢類型和影響結(jié)垢的因素。通過對結(jié)垢監(jiān)測技術(shù)的研究,達(dá)到預(yù)測油田結(jié)垢趨勢、結(jié)垢量以及結(jié)垢對地層造成的危害。只有準(zhǔn)確獲得油田管道的結(jié)垢趨勢及可能的結(jié)垢位置,才能提出合理的材料選擇和完善的防垢除垢措施。


    1 結(jié)垢分類

     

    基于物理/化學(xué)過程,油田回注水垢主要分為結(jié)晶垢、顆粒垢、生物垢和腐蝕垢4大類。


    結(jié)晶垢類型的污垢主要是來自溶液中含有不溶解的無機(jī)鹽,比如CaCO3、CaSO4、BaSO4等。結(jié)晶垢的形成通常與溫度有關(guān)。大多數(shù)鹽都具有溶解度,其溶解度隨溫度的上升而增加。然而,還有一些鹽則與此相反,在一些范圍內(nèi),其溶解度隨溫度的上升而減小。每種鹽在給定的溫度下都有一個(gè)溶解度限制,如果超過了這種限制,結(jié)晶便會發(fā)生。結(jié)晶垢主要是由于過飽和鹽的存在。


    顆粒污垢是來自含有懸浮固體的流體中顆粒的累積。這些累積的顆粒因重力作用產(chǎn)生不同程度的沉淀。


    回注水中含有各種微生物,這些微生物主要包括細(xì)菌、真菌、藻類等。流體中的微生物積聚而形成污垢,這種污垢形成后產(chǎn)生粘泥,粘泥附著在管道上,各種微生物就在粘泥中繁殖生長,從而加劇了管道的結(jié)垢程度。


    流體會對管道產(chǎn)生不同程度的腐蝕,溫度、酸堿值、流體組分都會對腐蝕程度有一定的影響。這些腐蝕產(chǎn)物主要是Fe的氧化物、氫氧化物、硫化物等,這些腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物積聚在管道表面形成腐蝕垢。腐蝕垢的存在為其他垢的生長提供了良好的附著位點(diǎn)。


    2 結(jié)垢趨勢預(yù)測

     

    結(jié)垢趨勢的預(yù)測是一個(gè)需要考慮多因素的工作量大的系統(tǒng)工程,前人在這方面進(jìn)行了大量的研究,并提出了一系列相對準(zhǔn)確的預(yù)測方法。本文主要討論結(jié)晶垢的預(yù)測方法,因?yàn)榻Y(jié)晶垢最為常見,同時(shí)這類垢對管道的影響非常大。油田較常用的是飽和指數(shù)法和穩(wěn)定指數(shù)法。


    2.1 單一碳酸鈣結(jié)垢預(yù)測方法

     

    1936年,Langelier針對工業(yè)循環(huán)水提出了水的穩(wěn)定性指標(biāo),用以確定是否有CaCO3從水中沉淀;后來,Davis和Stiff將這一指標(biāo)用于油田水,提出用結(jié)垢指數(shù)SI來判斷是否有CaCO3垢析出;Ryznar提出了用穩(wěn)定指數(shù)RI判斷水的穩(wěn)定性;Oddo和Tomson提出了飽和指數(shù)Is;翁永基等用pH-pHs判別水腐蝕性的模型等等。但是當(dāng)把這些判據(jù)用于高礦化度的油田污水結(jié)垢傾向判斷時(shí)有較大偏差。


    2.1.1 Langelier飽和指數(shù)法 Langelier根據(jù)下述平衡關(guān)系,提出了飽和pH值和飽和指數(shù)的概念,以此來判斷水質(zhì)的CaCO3結(jié)垢趨勢。CaCO3溶解在水中達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),存在著下列動態(tài)平衡關(guān)系:

     

    1.png


    從以上反應(yīng)式可見,如往水中加堿,則H+被中和,pH值升高,反應(yīng) (3) 向右方進(jìn)行,反應(yīng) (4) 向左方進(jìn)行,CaCO3易析出。如果CaCO3在水中呈飽和狀態(tài),則反應(yīng) (2)、(3) 和 (4) 處于平衡狀態(tài),Ca(HCO3)2既不分解成CaCO3,CaCO3也不會繼續(xù)溶解,此時(shí)水的pH值稱為飽和pH值,以pHs表示。Langelier推導(dǎo)出了計(jì)算pHs的公式,并以水的實(shí)際pH值與其飽和pH值 (pHs) 的差值來判斷水的結(jié)垢趨勢,此差值稱為朗格利爾飽和指數(shù),用Is表示

     

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    當(dāng)Is>0時(shí),CaCO3會析出,這種水屬結(jié)垢型水;當(dāng)Is<0時(shí),原有CaCO3垢層會被溶解,這種水有腐蝕性,稱作腐蝕性水;當(dāng)Is=0時(shí),CaCO3既不析出,原有CaCO3垢層也不會被溶解掉,這種水屬于穩(wěn)定型水。由于該方法是一般的經(jīng)驗(yàn)式,簡單方便,應(yīng)用較為廣泛,目前許多地方都仍在使用這種方法來判斷油氣田的結(jié)垢趨勢。這種方法的缺陷比較明顯,它僅僅考慮了熱力學(xué)條件,這使得預(yù)測結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間存在一定的偏差。


    2.1.2 Davis-Stiff飽和指數(shù)法 Davis-Stiff飽和指數(shù)法主要用于預(yù)測碳酸鹽垢,相比Langerlier飽和指數(shù)法,該飽和指數(shù)法的進(jìn)步之處在于考慮了對溫度、壓力和離子強(qiáng)度進(jìn)行校正。該法的缺點(diǎn)是在現(xiàn)場取出水樣后,必須立即測定pH值、CO32-、HCO3-等,因?yàn)闃悠芬坏╇x開壓力系統(tǒng),這些參數(shù)變化得非常快,所以使用此預(yù)測方法會有些偏差。Davis-Stiff飽和指數(shù)法對CO2的逸度和CO2在油、水中的分配均未考慮。但是該預(yù)測方法在國內(nèi)外油田對碳酸鈣垢的預(yù)測結(jié)果還是得到了廣泛的認(rèn)可。Davis-Stiff飽和指數(shù)法主要考慮了系統(tǒng)中的熱力學(xué)條件。Liu等結(jié)合水質(zhì)離子濃度分析,使用飽和系數(shù)法對大慶油田注水中的碳酸鈣和硫酸鈣結(jié)垢趨勢進(jìn)行了預(yù)測。飽和指數(shù)SI按以下方法進(jìn)行計(jì)算:

     

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    式中,SI為飽和指數(shù),K為修正指數(shù),為礦化度和水溫度的函數(shù),由離子強(qiáng)度與水溫度關(guān)系曲線查得。pCa為Ca2+的濃度 (mol/L) 的負(fù)對數(shù),pAlk為總堿度 (mol/L) 的負(fù)對數(shù),[CO32-]為CO32-的濃度 (mol/L),[HCO3-]為HCO3-的濃度 (mol/L),μ為離子強(qiáng)度,ci為第i種離子濃度 (mol/L),zi為第i種離子濃度 (mol/L),SI>0,有結(jié)垢趨勢;SI=0,臨界狀態(tài);SI<0,無結(jié)垢趨勢。飽和指數(shù)法適用的溫度范圍在0~100 ℃。


    2.1.3 Ryznar指數(shù)法 在Davis和Stiff提出飽和指數(shù)法之后,Ryznar進(jìn)一步結(jié)合給水系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行總結(jié),提出了穩(wěn)定指數(shù)的概念 (SAI)。

     

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    式中,SAI為穩(wěn)定指數(shù)。


    利用Ryznar穩(wěn)定指數(shù)判定是否結(jié)垢的標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)4.0<SAI<5.0時(shí),水質(zhì)體系嚴(yán)重結(jié)垢;當(dāng)5.0<SAI<6.0時(shí),水質(zhì)體系會少量結(jié)垢;當(dāng)6.0<SAI<7.0時(shí),水質(zhì)體系有微量結(jié)垢和腐蝕;當(dāng)7.0<SAI<7.5時(shí),水質(zhì)體系有明顯腐蝕傾向;當(dāng)SAI>7.5時(shí),水質(zhì)體系會出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕。


    Ryznar指數(shù)法相比Davis-Stiff飽和指數(shù)法,它的進(jìn)步之處在于根據(jù)數(shù)值來具體判斷水的趨勢。當(dāng)體系的堿度、礦化度較高時(shí),用穩(wěn)定指數(shù)法進(jìn)行預(yù)測是比較準(zhǔn)確的,它的預(yù)測結(jié)果也可用來表示氣田水的穩(wěn)定性;穩(wěn)定指數(shù)法僅考慮了碳酸鈣的溶解平衡,但由于實(shí)際系統(tǒng)中溫度會發(fā)生變化,因此整個(gè)系統(tǒng)很難達(dá)到溶解平衡;而且集輸管道的結(jié)垢物成分復(fù)雜,因此穩(wěn)定指數(shù)法并不能用于整個(gè)系統(tǒng)。


    2.1.4 Vetter預(yù)測法 Vetter預(yù)測法[15]考慮了油田水的流量、CO2含量及其分壓、P-V-T特性以及井下參數(shù)等多種因素,根據(jù)平衡方程、電離方程、亨利公式等,最終建立了碳酸鈣沉淀模型的狀態(tài)方程,Vetter預(yù)測法的預(yù)測結(jié)果更接近油田生產(chǎn)中的實(shí)際結(jié)垢情況。Vetter預(yù)測法的缺點(diǎn)是應(yīng)用推廣困難,這是由于其理論計(jì)算較多、而且繁瑣,技術(shù)人員使用起來很困難。對于Vetter預(yù)測法,應(yīng)該綜合研究結(jié)垢因素,并在其中找到影響結(jié)垢的主因,進(jìn)而對預(yù)測模型進(jìn)行必要的簡化。


    2.1.5 John預(yù)測方法 John等[6]提出了一個(gè)高溫、高壓下CaCO3飽和度的計(jì)算公式,為注水摻熱液系統(tǒng)結(jié)垢預(yù)測提供了有效的方法。這個(gè)公式的具體表達(dá)式如下所示。

     

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    式中,TCa為總鈣濃度 (mol/L),Alk為HCO3-濃度 (mol/L),I為離子強(qiáng)度 (mol/L),pT為總壓 (psi), XCO2XCO2 為氣相中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù),T為溫度 (℃)。


    John的預(yù)測方法主要適用于注水摻熱液系統(tǒng)中的結(jié)垢預(yù)測。該方法實(shí)際上是一個(gè)高溫高壓下碳酸鈣飽和度的計(jì)算公式,它的計(jì)算結(jié)果就是其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)計(jì)算結(jié)果大于零時(shí),有結(jié)垢傾向;若小于零,則沒有結(jié)垢傾向。John預(yù)測方法的缺點(diǎn):由于化學(xué)動力學(xué)的關(guān)系,一部分飽和水結(jié)垢幾率大,另一部分飽和水的結(jié)垢幾率很小,所以在判斷結(jié)垢趨勢時(shí),John預(yù)測方法存在有一定的誤差。


    2.1.6 碳酸鈣最大結(jié)垢量預(yù)測方法 Valone和Skillern[16,17,18]綜合考慮井下和地面流體之間的溫度和pH之間的差異,提出了碳酸鈣最大結(jié)垢量預(yù)測模型。可以采用該模型對碳酸鈣的結(jié)垢量進(jìn)行預(yù)測,具體公式如下所示:

     

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    式中,pd為井下壓力 (MPa),ps為地面壓力 (MPa),Td為井下溫度 (℃),Ts為地面溫度 (℃)。


    結(jié)垢量的分析標(biāo)準(zhǔn)如下:當(dāng)PTB<0時(shí),體系無垢;當(dāng)0<PTB<100時(shí),體系會產(chǎn)生少量的垢;當(dāng)100<PTB<250時(shí),體系會產(chǎn)生足夠多而硬的垢;當(dāng)PTB>250時(shí),體系的結(jié)垢現(xiàn)象會極其嚴(yán)重。


    采用Valone和Skillern的預(yù)測方法不僅可以判斷結(jié)垢趨勢,而且還可以定量地預(yù)測碳酸鈣的結(jié)垢量。


    2.2 硫酸鹽結(jié)垢預(yù)測方法

     

    2.2.1 硫酸鈣的結(jié)垢預(yù)測方法 根據(jù)熱力學(xué)和溶解平衡原理,Skillman等在進(jìn)行硫酸鈣的結(jié)垢趨勢的預(yù)測時(shí),提出了熱力學(xué)溶解法,它的預(yù)測方程如下所示:

     

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    式中,S為CaSO4結(jié)垢趨勢預(yù)測值 (mmol/L),Ksp為CaSO4溶度積常數(shù),X為鈣離子與硫酸根離子的濃度差 (mmol/L),由水中實(shí)測的Ca2+和SO42-的濃度,再計(jì)算出水中CaSO4實(shí)際含量c (c取Ca2+和SO42-的濃度的最小值mmol/L),將S與c進(jìn)行比較。


    判斷標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)S<c時(shí),存在結(jié)垢趨勢;當(dāng)S=c時(shí),系統(tǒng)處于平衡狀態(tài);當(dāng)S>c時(shí),沒有結(jié)垢趨勢。


    Skillman熱力學(xué)溶解度法[9]計(jì)算簡單,且預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際基本相符。在需要大體測算硫酸鈣的結(jié)垢傾向時(shí),很受科研工作者的青睞。該方法的缺點(diǎn)也比較明顯:硫酸鈣垢容易受水中的離子的含量、成分、溫度及壓力等因素影響,此外多種晶體會在結(jié)垢過程中形成,并且溫度、壓力以及離子濃度的增加都會提高硫酸鈣的溶解的可能性。


    2.2.2 硫酸鍶結(jié)垢的預(yù)測方法 Jaeques等[18]基于對Sr2+在氯化鈉水溶液中溶解性的研究,導(dǎo)出了壓力為689~20684 kPa、溫度為38~149 ℃、總離子強(qiáng)度為0~3.43的溶解性數(shù)字模型,求出了水樣中Sr2+與SO42-的濃度乘積與溶度積常數(shù)的比值,作為是否發(fā)生結(jié)垢的判據(jù)。


    SrSO4的結(jié)垢趨勢的計(jì)算公式如下所示:

     

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    式中,S為Sr2+和SO42-的濃度積沉積,[Sr2+]為Sr2+的濃度,[SO42-]為SO42-的濃度。


    SrSO4結(jié)垢趨勢的判斷方法:當(dāng)S>Ksp(SrSO4),有結(jié)垢趨勢;當(dāng)S=Ksp(SrSO4),處于臨界狀態(tài);當(dāng)S<Ksp(SrSO4),沒有結(jié)垢趨勢。該方法原理簡單,方便實(shí)用,可以用來預(yù)測SrSO4結(jié)垢趨勢的判斷。


    2.2.3 復(fù)合硫酸垢的預(yù)測方法

     

    油氣田結(jié)垢絕不是單一的,雖然有時(shí)某種垢物占主要成分,但往往是多種復(fù)合共生的垢物,因而對復(fù)合垢的預(yù)測十分重要。


    Vetter等提出Vescal II模擬程序,該模擬程序旨在計(jì)算不相溶注入水與地層水混合時(shí)BaSO4、SrSO4以及CaCO3等復(fù)合硫酸鹽垢的產(chǎn)生趨勢。該程序能處理各種陽離子競爭同一陰離子 (SO42-) 的情況 (即共沉淀問題),考慮了水的組成、混合比、溫度和壓力等因素的影響,可以預(yù)測油氣田不同部位 (如油氣藏、井底、井筒、井口及地面管線等) 的結(jié)垢。該程序的不足之處:一是假定成垢鹽所處的是NaCl環(huán)境中,而未考慮其他鹽類。井下環(huán)境復(fù)雜,多種物質(zhì)會共同存在,互相影響;二是只考慮了微溶性的BaSO4對溶解性較大的SrSO4和CaCO3沉淀的影響,未考慮相反的影響,比如CaCO3對BaSO4沉淀的影響。


    2.3 混合垢的預(yù)測方法

     

    2.3.1 Oddo-Tomson飽和指數(shù)法 Oddo-Tomson飽和指數(shù)[22, 23]考慮了熱力學(xué)條件及離子強(qiáng)度進(jìn)行校正因素,還考慮了CO2的逸度及在油水中的分配,使用活度積、溶度積及離子締合理論建立了硫酸鹽和碳酸鈣結(jié)垢預(yù)測模型。該方法可預(yù)測任何生產(chǎn)井中在不同壓力、溫度下碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鍶或硫酸鋇微溶物的結(jié)垢傾向。其預(yù)測模型如下:

     

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    式中,Is是Oddo-Tomson飽和指數(shù),[Me],[An],t,p,μ分別表示陽離子活度、陰離子活度、溫度、壓力、離子強(qiáng)度。


    判斷是否生成垢的標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)Is=0時(shí),表示溶液與固體垢相平衡;Is>0時(shí)表示過飽和狀態(tài),能形成結(jié)垢;Is<0時(shí)表示欠飽和狀態(tài),不能形成垢。


    Oddo-Tomson飽和指數(shù)法主要用于預(yù)測在不同壓力、溫度下,碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鍶或硫酸鋇微溶物的結(jié)垢傾向。這種方法的缺陷是,在碳酸鈣預(yù)測方面,由其具體表達(dá)式可以看出它需要大量的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù),比如,氣相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù),CO2的逸度系數(shù)以及液相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)等,這些數(shù)據(jù)從集輸系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)研情況來看不易得到。


    2.3.2 飽和系數(shù)法 飽和系數(shù)法考慮了離子間的不同離子效應(yīng)、溫度、壓力、以及水體系的多元化對結(jié)垢的影響,并根據(jù)熱力學(xué)平衡原理,最終提出了針對復(fù)雜多元體系的結(jié)垢預(yù)測方法。對于實(shí)際存在的多個(gè)平衡,若水體系中某種成垢物質(zhì)的平衡方程式為:

     

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    成垢物質(zhì)AB的飽和系數(shù)S的計(jì)算公式如下:

     

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    式中,S是飽和系數(shù),CA2+是A2+離子的濃度,CB2-是B2-離子的濃度,Qsp是AB溶度積常數(shù)。結(jié)垢的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是:當(dāng)S>1時(shí),AB有結(jié)垢傾向;當(dāng)S=1時(shí),處于飽和狀態(tài);當(dāng)S<1時(shí),體系中沒有AB結(jié)垢傾向。


    3 結(jié)垢趨勢

     

    監(jiān)測最早進(jìn)行結(jié)垢監(jiān)測方面的研究機(jī)構(gòu)是美國的傳熱研究協(xié)會[26]。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,各種污垢監(jiān)測技術(shù)逐漸興起,按照污垢在線監(jiān)測手段可以分為熱學(xué)法和非熱學(xué)法。


    3.1 熱學(xué)法

     

    3.1.1 溫差法 結(jié)垢的溫差表示方法是通過水管道的材質(zhì)和冷取水的進(jìn)出口溫差的變化來反映污垢的沉積情況。這個(gè)模型非常簡單,讓一段污臟的流體流過一段管道,保持另一側(cè)的溫度均勻不變,污臟流體的流速和入口速度恒定,則污臟流體溫升的變化 (出口溫度的變化) 就反映了污垢的沉積狀況。

     

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    式中,在運(yùn)行過程中用終端差 (簡稱端差) Δt 的變化來描述冷卻水側(cè)換熱面的污臟程度。ts為管內(nèi)壁污垢表面溫度,tw,O為冷卻水出口溫度。隨著垢層厚度的增加,tw,O必然減小,而 Δt?t 增大。


    該方法的特點(diǎn)是簡單直觀,可以連續(xù)、實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測垢的沉積情況,是目前生產(chǎn)現(xiàn)場相對實(shí)用的監(jiān)測結(jié)垢程度的方法。


    但是,溫差法也有局限性。這種方法適合換熱器管道內(nèi)的結(jié)垢監(jiān)測,而且影響因素非常多,如熱流密度、冷卻水用量、工作設(shè)備等。因此,該方法的可信度較差,需要用其他方法對其進(jìn)行校驗(yàn)。


    3.1.2 熱阻法 熱阻法的原理是利用污垢熱阻的變化來衡量污垢的生長狀態(tài)的,是用潔凈與結(jié)垢狀態(tài)時(shí)管道表面的總的傳熱系數(shù)的變化來描述成垢量的變化。


    Kuwahara等基于發(fā)電廠的運(yùn)作數(shù)據(jù),提出了一種監(jiān)測熱虹吸再沸器污垢熱阻的方法,通過相關(guān)測試發(fā)現(xiàn),實(shí)測的數(shù)據(jù)與計(jì)算所得的數(shù)據(jù)一致。


    Li等提出了一種實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠冷凝器污垢在線監(jiān)測的系統(tǒng),基于操作原理和耦合效應(yīng),建立了一個(gè)用來模擬燒煤發(fā)電廠運(yùn)作的ACMM模型。該模型在模擬計(jì)算發(fā)電廠的數(shù)據(jù)方面具有非常好的準(zhǔn)確性,而且還可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。所測的參數(shù)都是基于傳熱系數(shù)的溫度。對于不正常的污垢熱阻,該系統(tǒng)也會發(fā)出警報(bào)。


    Izadi等提出冷凝器和中間冷卻器等一系列管狀熱交換器的污垢先進(jìn)監(jiān)測系統(tǒng)。首先,建立了管式熱交換器中結(jié)垢熱阻的數(shù)學(xué)模型。該模型基于所考慮的熱交換器的應(yīng)用熱功率、內(nèi)部傳熱系數(shù)和幾何特性。所得到的模型是測量量的函數(shù),例如水和管壁溫度、流體流速、以及管內(nèi)流體的一些物理性質(zhì),如粘度、電導(dǎo)率和密度。其次,構(gòu)建了在線結(jié)垢監(jiān)測系統(tǒng),并通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量了所選溶液的傳熱熱阻。通過碳酸氫鈉、氯化鈉、氯化鈣等污染物和碳酸氫鈉和氯化鈣的混合物實(shí)驗(yàn),研究濃度和化學(xué)反應(yīng)對結(jié)垢的影響。不確定性分析表明,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以接受的,實(shí)驗(yàn)裝置適用于測量工業(yè)應(yīng)用中的結(jié)垢熱阻。


    Yang等提出了一種動力學(xué)模型來預(yù)測海水熱交換器中的海水污染過程。新模型結(jié)合海水污垢沉積和去除行為的表達(dá)公式采用Kern-Seaton模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型吻合良好,在不同條件下獲得參數(shù)。實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行SEM和EDX分析,結(jié)果表明,海水污垢的主要成分為氫氧化鎂和氫氧化鋁。通過模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評估了表面溫度、流速和表面自由能的影響,結(jié)果表明,隨著表面溫度升高到一定范圍,海水污垢加劇,海水污染熱阻隨著海水流速的增加而降低。此外,分析了金屬表面自由能的影響,表明降低表面自由能減輕了海水污垢的積聚。


    這種方法的缺點(diǎn)比較明顯,測量比較困難。而且在污垢監(jiān)測的初始階段存在熱阻值出現(xiàn)負(fù)值的情況,其工程實(shí)用性差。


    3.2 非熱學(xué)法

     

    3.2.1 稱重法 稱重法是利用直接稱重結(jié)垢的質(zhì)量來判斷結(jié)垢情況。Bott等為了研究析晶污垢,在測量設(shè)備上安裝一塊質(zhì)量極輕的、易于拆卸的沉積片,在不同運(yùn)行時(shí)間取下進(jìn)行干燥稱重,獲取結(jié)垢量。王芳通過結(jié)垢重量法對延河水、地層水配伍性進(jìn)行研究,采用微孔濾膜過濾水樣得到沉淀,然后用分析天平稱重,計(jì)算結(jié)垢率,進(jìn)一步分析和預(yù)測清、污混配的結(jié)垢趨勢。魏平方等采用沉淀重量法,對幾種市售除垢劑與自制新型除垢劑QX進(jìn)行了除垢效果對比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,除垢劑QX是一種理想的硫酸鋇鍶垢除垢劑。該法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、直觀,對結(jié)垢量很大的體系非常實(shí)用。稱重法常常用于實(shí)驗(yàn)室的研究,需要離線監(jiān)測,不符合現(xiàn)代工業(yè)高效、安全、在線監(jiān)測的原則。


    3.2.2 石英天平法 石英天平法是稱重法的發(fā)展。石英天平的發(fā)展始于上世紀(jì)60年代初期,它是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測儀器,其測量精度可達(dá)納克級。石英晶體微天平利用了石英晶體的壓電效應(yīng),將石英晶體電極表面因垢沉積導(dǎo)致的微小質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出的頻率變化,進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù),即利用石英晶片對質(zhì)量的敏感實(shí)現(xiàn)結(jié)垢監(jiān)測。劉宗昭等采用電化學(xué)石英晶體微天平技術(shù)可以準(zhǔn)確而快速地對含聚合物采出水進(jìn)行碳酸鈣加速結(jié)垢評價(jià)。王虎等為深入分析碳酸鈣垢生長規(guī)律和阻垢劑對垢生長動力學(xué)的影響,使用電化學(xué)石英晶體微天平快速測垢的方法研究了施加的恒電壓、溫度、Ca2+濃度對碳酸鈣結(jié)垢的影響,評價(jià)了羥基乙叉二膦酸 (HEDP)、膦酰基羧酸 (POCA) 和氨基三甲叉膦酸 (ATMP) 三種阻垢劑的阻垢性能,并對結(jié)垢過程進(jìn)行了分段線性擬合。


    石英天平法也有局限性,如成垢致密性低、易剝離,探頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以用于現(xiàn)場環(huán)境中的結(jié)垢監(jiān)測。此外,垢層增厚還會影響石英晶體薄片的壽命和靈敏度。


    3.2.3 壓降法 美國腐蝕工程師協(xié)會推薦采用的壓降法污垢監(jiān)測裝置來監(jiān)測冷卻水管道中的污垢。這種方法的測試原理是:當(dāng)流體流經(jīng)管道且摩擦系數(shù)變化不明顯時(shí),由于結(jié)垢,流通截面縮小,引起的阻塞效應(yīng)就成為壓降的主要原因,壓降將隨污垢的積聚而增加。因此,只需要測量結(jié)垢前后管道的進(jìn)出口壓差,通過壓差的變化來反映污垢的沉積情況。


    壓降法常配合溫差法和熱阻法進(jìn)行使用,共同監(jiān)測管道中結(jié)垢情況。林春光提出的溫差比較法和壓降比較法,無需監(jiān)測換熱器的流量,具有投資少、精度高、實(shí)施簡單、可靠性高的特點(diǎn),也適用于其它形式的換熱器。


    3.2.4 超聲波檢測法 超聲波技術(shù)憑借其作用距離長、成本低廉等優(yōu)勢,成為了在無損檢測領(lǐng)域新的發(fā)展方向。超聲波在管道中沿管壁傳播,相較其他傳播途徑,其衰減很小,傳播距離可達(dá)到幾十米乃至上百米。超聲波檢測法具有使用方便、快速、測量精度高、適用材料范圍廣以及實(shí)時(shí)在線監(jiān)測等諸多優(yōu)勢,在管道及換熱設(shè)備的污垢檢測方面有著很大的應(yīng)用前景。


    馮丹龍對基于超聲導(dǎo)波的管道結(jié)垢檢測及去除技術(shù)進(jìn)行了初步研究,結(jié)合超聲導(dǎo)波對管道內(nèi)結(jié)垢檢測及結(jié)垢去除的原理,對反射信號進(jìn)行分析,超聲導(dǎo)波在結(jié)垢層前端、結(jié)垢層后端以及管道尾端均會發(fā)生反射,結(jié)垢層前端的超聲導(dǎo)波反射信號可對管道內(nèi)結(jié)垢進(jìn)行定位,結(jié)垢層前后端的超聲波反射信號可用于估計(jì)結(jié)垢區(qū)域的長度。結(jié)垢層前后端的超聲導(dǎo)波反射信號強(qiáng)度與結(jié)垢層的厚度存在一定關(guān)系。通過ABAQUS有限元軟件建立了基于超聲導(dǎo)波的管道內(nèi)結(jié)垢檢測的仿真模型。


    孫靈芳等為解決化工換熱管道中傳統(tǒng)熱阻法無法實(shí)現(xiàn)污垢定量分析的問題,提出采用超聲時(shí)域檢測法,結(jié)合ComsolMultipysics多物理場仿真軟件,對聲-固耦合加速度邊界進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,開展化工換熱污垢管道超聲檢測瞬態(tài)傳播特性研究,實(shí)現(xiàn)污垢厚度特征定量提取。


    馮國亮分析了超聲波技術(shù)的原理與特點(diǎn),并設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射接收電路,采用超聲波脈沖時(shí)域反射法進(jìn)行平板及管道內(nèi)的污垢的檢測研究。


    超聲法的局限性也比較明顯,在實(shí)際的生產(chǎn)過程中,結(jié)垢層的分布不均勻、雜波干擾等使得超聲檢測的接收信號復(fù)雜,給反射波的時(shí)間差的確定造成了較大的困難。由于傳統(tǒng)的污垢監(jiān)測熱力學(xué)方法信度低,Yang等提出了超聲回波法監(jiān)測污垢。通常,設(shè)備的污垢層薄,回波重疊和混亂,難以從信號中提取特征。引入逆濾波方法將難以區(qū)分的延遲信息在時(shí)域上轉(zhuǎn)換為頻域信息。然后采用高階累積量與MUSIC頻譜估計(jì)結(jié)合的信號處理方法,實(shí)現(xiàn)了污垢回波信息提取。模擬信號和實(shí)際信號的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。


    超聲法的優(yōu)點(diǎn)在于適用于對油氣管道內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測,對分層裂紋敏感,容易判定厚度方向上的缺陷部位,被檢物厚度上限制很大,裝置小、輕便,響應(yīng)快速,成本低,易于管理和自動化。其缺點(diǎn)是對于鑄件和焊縫以及密集氣孔、縮孔、氣孔、焊縫鎖孔、夾渣等缺陷檢出相對射線照相法較差。


    3.2.5 紅外檢測法 紅外檢測由于其非接觸、無損傷、可靠性高等獨(dú)特的優(yōu)勢,在運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。紅外技術(shù)根據(jù)溫差來進(jìn)行測量,由于結(jié)垢管道傳熱存在溫度差,可以用溫度差的大小來判斷污垢的有無、厚度和大小。


    康文秀等利用紅外測溫技術(shù)獲得長圓筒形、球形熱設(shè)備外表面的溫度分布,即可計(jì)算出內(nèi)壁污垢層的厚度分布,從而為此類熱設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供理論依據(jù)。但是,其假設(shè)的條件是污垢為均勻地生長在管壁上,這是一種理想狀態(tài)。所以,還需要根據(jù)具體的情況進(jìn)行相應(yīng)的修正。


    3.3 其它方法Chen等研發(fā)了一種水處理微濾過程的集成式污垢監(jiān)測系統(tǒng),采用光學(xué)傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測,原位監(jiān)測污垢層的結(jié)構(gòu)、厚度以及膜過濾的水質(zhì)。但是,目前仍處于試驗(yàn)階段,應(yīng)用與實(shí)際生產(chǎn)還有一段很長的距離。


    Zhao等提出了一種使用低成本和日常可用的船上冷卻器監(jiān)測冷凝器結(jié)垢狀態(tài)的方法 (虛擬污垢監(jiān)測傳感器)。所提出的虛擬污垢監(jiān)測傳感器能在實(shí)驗(yàn)室條件下對各種工作運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。此外,所提出的虛擬污垢監(jiān)測傳感器也在實(shí)驗(yàn)室以外的現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)施和評估。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試結(jié)果表明,所提出的方法為檢測冷凝器中的結(jié)垢故障提供了良好和穩(wěn)健的保證。所提出的方法很有可能被實(shí)現(xiàn),從而成為單獨(dú)的結(jié)垢監(jiān)測傳感器工具,并結(jié)合在商用冷卻器FDD(缺陷檢測與診斷) 工具中,或嵌入在機(jī)體上的控制系統(tǒng)中以自動監(jiān)測冷凝器結(jié)垢狀態(tài)。


    Zhang等應(yīng)用激光檢測的方法并結(jié)合SI指數(shù),研究了中東油田蒸汽驅(qū)裝置中的CaSO4結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測問題。激光穿透待測溶液試樣中,通過檢測探頭接收的激光信號強(qiáng)度來探討CaSO4結(jié)垢成核動力學(xué)機(jī)理。該方法可以量化結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn),還可以優(yōu)化阻垢劑的處理方案。


    目前管道污垢監(jiān)測裝置自動化程度較低,進(jìn)一步改進(jìn)其測量原理,創(chuàng)新測試方法,將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到污垢監(jiān)測設(shè)備,提高其自動化水平是其未來的發(fā)展趨勢

     

    4 結(jié)論與展望

     

    通過對油田注水結(jié)垢機(jī)理和垢晶分析,討論了結(jié)垢量、結(jié)垢周期及結(jié)垢部位對管道的危害性。此外,本文還對管道結(jié)垢的在線監(jiān)測方法和結(jié)垢預(yù)測模型做了一些回顧。要點(diǎn)如下:


    (1) 建立科學(xué)的模型必須對結(jié)垢機(jī)理進(jìn)行深入研究,還應(yīng)考慮結(jié)晶動力學(xué)、流體力學(xué)等因素對結(jié)垢的影響。


    (2) 數(shù)學(xué)模型的建立。根據(jù)結(jié)垢機(jī)理建立相應(yīng)模型及化學(xué)方程,模型的求解構(gòu)成復(fù)雜的數(shù)值模擬,可采用數(shù)值計(jì)算的迭代原理。按照最優(yōu)化理論合理選用初值,向真值逐步逼近。


    (3) 形成相關(guān)的預(yù)測軟件。作為軟件系統(tǒng)要具備如下功能:準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)測結(jié)果,可靠度高,實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、操作簡單。各油氣田應(yīng)將預(yù)測理論與油氣田水質(zhì)、溫度、壓力、含鹽量及酸堿度等情況相結(jié)合,選用或提出適合于本油氣田的結(jié)垢預(yù)測方法。


     

    (4) 采用簡便無損的方法來監(jiān)測管道結(jié)垢趨勢是十分必要的,結(jié)合電化學(xué)和聲學(xué)、光學(xué)等多種方法的組合,來感知水質(zhì)結(jié)垢的嚴(yán)重程度,預(yù)測結(jié)垢位置,對于提高管輸效率降低能耗是十分重要的。

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