流速对Cu-Zn-X合金防垢效果影响研究

赵德喜 徐振东

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

Cu-Zn-X合金是一种具有多种特殊功能的合金，其防垢功能已成功应用于循环冷却水的处理。防垢机理表明：当合金与水接触时，由于其整体电负性比水的小，合金可向水中释放电子，由于电子的迁移运动使合金周围形成电场，在电场作用下使水产生极化效应，改变水的静电动势，使水中各种物质分子之间结合力场发生改变，水中的固相颗粒受其作用的影响始终处于悬浮和溶解状态，有效抑制水垢的形成及分散和溶解沉积的水垢，达到防垢的目的。

但Cu-Zn-X合金的防垢效果不仅与其自身的物理化学性能有关，还受使用条件的影响，当使用条件发生变化时，其防垢效果会存在不稳定的现象。本文在室内实验条件下，采用循环水模拟装置研究了流体流速对Cu-Zn-X合金防垢效果的影响，为其实际应用提供技术支持。

1 试验

1.1 装置

图2 防垢器装配模型图

图3 溶液中Ca2+浓度变化曲线

为了在动态下研究Cu-Zn-X合金防垢，设计了循环水Cu-Zn-X合金防垢实验台，如图1所示。水箱内安装有电热丝加热，温度可实现20～80℃之间控制，系统中流体流量可调，实验管件可拆卸，热电偶1和2用来监测实验管的入口和出口温度，主管道直径为φ20mm。

防垢器装配模型如图2所示，总片数为6片，片间距28mm。防垢片外径φ125mm，内径φ70mm，防垢片上的孔沿着周向均匀分布30列，孔径φ8mm。

1.2 试验方法

参照标准SYT0600-1997《油田水结垢趋势预测》和SYT0600-1997《油田水结垢趋势预测》配置总硬度（以CaCO3计）为3.4mmol/L的实验用水。应用MP523型离子浓度测量仪测量测定水中钙离子浓度，其最大量程1mol/L，精度为0.1mmol/L。采用METTLERTOLEDO—AL204电子天平测量挂片质量，其最大称量210g，精度为0.1mg。

实验参照石油天然气行业标准SY/T5673-93《抑制硫酸钙垢形成标准的方法》，采用挂片法在循环水箱中进行。防垢率的计算公式为：g。

2 结果与分析

2.1 试验结果

2.1.1 Ca2+浓度

分别选择流速为30m/h、60m/h、90m/h、120m/h和 150m/h，在室温 20℃和加热至70℃条件下进行防垢循环试验，试验进行时间250min，每隔30min测量溶液中Ca2+浓度，不同流速下溶液中Ca2+浓度随时间的变化如图3。

2.1.2 防垢率

试验后前后测量挂片的质量，根据式（1）计算不同流速下的防垢率，结果如图4。

从图3可以看出，不同流速下溶液中Ca2+浓度均表现出一致的变化趋势，即溶液中Ca2+浓度随时间的增加逐渐下降，当试验进行到120min时开始趋于稳定。但不同流速下Ca2+浓度随时间的增加下降的幅度存在一定区别，当流速为30m/h时，曲线位于最下方，Ca2+浓度

式中：E—为防垢率，%；

Δm1—为未经合金处理的结垢质量，g；

Δm2—为经合金处理后的结垢质量，下降幅度最大，其次是60m/h、90m/h、120m/h，当流速为150m/h时，Ca2+浓度下降幅度最小。可见，随着流速的增加，试验后残余在溶液中的Ca2+浓度亦增加。溶液中残余的Ca2+浓度越大，结垢越少，Cu-Zn-X合金防垢越好，因此流速的增加改善了。

图4 不同流速下防垢率

图5 防垢装置内流场局部流速分布图

Cu-Zn-X合金防垢效果。同时，从图3还可以看出，当流速增加到90m/h以上时，曲线比较靠近，即溶液中残余的Ca2+浓度接近，表明当流速增加到90m/h以上时，流速对Cu-Zn-X合金的防垢影响减弱。

对比图3（a）和（b），还可以看出，当试验温度为70℃时，试验后各流速下溶液中残余的Ca2+浓度均低于室温20℃的，表明温度升高会促进Ca2+和CO32-的结合，加速水结的形成。但不同流速下Ca2+浓度的随时间的变化规律与20℃时相似，即随着流速的增加，试验后残余在溶液中的Ca2+浓度亦增加，流速的增加可改善Cu-Zn-X合金防垢效果。

从图4可以看出，随流速的增加，Cu-Zn-X合金防垢率明显增大，当流速达到90m/h时，曲线变

得平缓，防垢率保持稳定。试验温度70℃与20℃相比，曲线在下方，防垢率降低。防垢率试验结果与Ca2+浓度试验结果吻合。

2.2 分析与讨论

由试验结果可知，流速的增加可改善Cu-Zn-X合金的防垢效果，其原因与Cu-Zn-X合金的防垢机理密切相关。Cu-Zn-X合金的防垢机理是通过电化学方式使流体产生极化效应，改变流体的静电动势，使流体中各种物质分子之间结合力场发生改变，流体中的固相颗粒受其作用的影响始终处于悬浮和溶解状态，有效抑制水垢的形成及分散和溶解沉积的水垢。因此，要发挥Cu-Zn-X合金的防垢作用，必须使流体与Cu-Zn-X合金充分接触，而流体与Cu-Zn-X合金是否充分接触与防垢装置内液流流动状态密切相关。当防垢装置内的液流紊乱程度越高时，流体与Cu-Zn-X合金接触越充分，反之接触不充分。

为研究不同流速时防垢装置内液流流动状，应用FLUENT软件对防垢装置内液体流场进行了分析，结果表明：当液体流速小于90m/h时，液体从防垢片的孔中贯穿通过，液流的方向变化幅度很小，流体分层流动，互不混合，为层流状态，如图5（a）。在层流状态下，防垢装置内液流难以与防垢片的壁面充分接触，防垢效果差。当液体流速大于90m/h时，液体穿过防垢片后，液流的方向发生剧烈变化，出现强制转向，流体的流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡出现，防垢装置内流体出现紊流状态，如如图5（b）。在紊流状态下，防垢装置内液流可充分与防垢片的壁面接触，Cu-Zn-X合金的防垢效果提高。

3 结论

（1）温度影响Cu-Zn-X合金的防垢效果，当试验液体温度升高时，可加速Ca2+和CO32-的结合，溶液中Ca2+浓度降低，防垢率亦下降。

（2）在相同试验条件下，液体的流速影响Cu-Zn-X合金的防垢效果，随着流速的增大，流场的紊乱程度增加，流体与防垢片接触的几率增大，使得Cu-Zn-X合金的防垢功能充分发挥，防垢率上升，防垢效果好。

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