基于超声波技术优选最佳油田管道除垢参数

杨 光，王小峰，吕林林

（1.东北石油大学，黑龙江大庆163318；2.海洋采油厂集输大队，山东东营257237；3.中国石油天然气股份有限公司青海油田分公司管道输油处，青海格尔木816000）

基于超声波技术优选最佳油田管道除垢参数

杨 光1，王小峰2，吕林林3

（1.东北石油大学，黑龙江大庆163318；2.海洋采油厂集输大队，山东东营257237；3.中国石油天然气股份有限公司青海油田分公司管道输油处，青海格尔木816000）

目前，我国仍有八成以上的原油需要管道来输送，而管道长期运行过程中难免会有蜡晶析出，蜡晶析出后如不及时清理就会变成污垢附着在管道内壁。油田管道的结垢问题已经严重影响到输油工作的正常进行，超声波除垢技术作为一种新型的绿色环保技术越来越受到青睐。为了优选对比出超声波对油田管道除垢效果达到最佳的频率，设计了一套模拟超声波对输油管道的除垢装置，模拟不同频率以及不同时间下的超声波除垢效果实验。通过实验数据的对比分析，发现超声波频率在48kHz，作用时间为5min时除垢效果最佳。

输油管道；超声波；除垢；优选对比；参数

目前，我国油田管道输送美国的大部分原油都是含蜡原油。含蜡原油具有“两高一差”的显著特征，即凝点和黏度高、流动性差。“两高一差”是影响管道输送能力和效率的罪魁祸首。相关研究普遍认为：随着温度的降低，就会有蜡晶随着温度降低而不断析出。随着析蜡量的累加，蜡晶逐渐由高度分散的近似小球状晶体变为三维网状的稳定结构。一旦蜡晶形成了稳定结构，就容易形成垢，如“附骨之蛆”一样牢牢地粘在管道内壁上，因此，管道需要定期除垢[1-5]。随着绿色环保理念逐渐深入人心，超声波除垢技术作为后起之秀逐渐赢得人们的青睐。但由于超声波降解技术能耗过大且容易产生不必要的中间物质，其降解效率较低的问题有待进一步的解决。超声波除垢的原理是利用超声波所产生高温高压来分解蜡晶生成的垢，同时超声波的空化作用可以将大颗粒的固体污垢震碎成小的分散颗粒，便于除去[6,7]。本文分别对28、48、68、88 kHz 4种频率下的超声波进行除垢效果评估实验，通过实验优选出超声波的最佳除垢频率和除垢时间。通过实验不仅可以使超声波除垢技术达到“理论指导与实践相结合”的效果，而且可以为各大油田的输油管道除垢技术提供实践经验。

1 实验部分

1.1 实验器材

KMD-12012超声波发生器（功率1200W德国西门子公司）；S30/A25程控水浴（控制精度0.01℃德国哈克公司）；超声波换能器（28、48、68、88 kHz日本松下公司）；GHG-9240N烘箱（温度范围50～300℃杭州卓驰仪器公司）；Ⅱ型电子天平（控制精度0.001g德国西门子德国西门子公司）。

本次实验利用超声波发生器和超声波换能器来发射超声波，在程控水浴底部采用超声波换能器来控制超声波频率。用一小段不锈钢来模拟油田输油管道。

1.2 实验方案

（1）从现场取来输油管道蜡晶油垢，经电子天平称重后将其分为质量相等的4份，分别标记为1、2、3、4号样本。

（2）将选好的油垢样本粘附在洗净的不锈钢钢管内壁中，将钢管装入烧杯后放入程控水浴中，设置程控水浴温度为42℃，同时开启超声波发生器，利用超声波产生的高温高压和空化作用进行除垢。

（3）利用超声波换能器控制作用于1～4号样本的超声波频率分别为28、48、68、88 kHz，经过20min的超声波除垢之后，从程控水浴中取出钢管。用钢丝将仍旧粘附在试管内壁的油垢取下，烘干后放入电子天平中称重。优选出超声波除垢的最佳频率。

（4）在最佳超声波除垢频率下再次进行实验，从实验开始时利用红外光度计测量不同超声波作用时间下烧杯中油水混合物中油的浓度，将数据记录，优选出超声波除垢的最佳作用时间。

（5）记录、分析实验数据，并且绘制成图来进一步观察实验结果。

2 结果与讨论

2.1 超声波除垢的最佳频率

将不同频率下超声波的除垢效果实验数据绘制成曲线图，见图1。

通过分析图1中曲线变化趋势以及峰值，我们不难得出以下几点结论。

图1 不同超声波频率下的油垢质量Fig.1 Quality of oil stains at different ultrasonic frequencies

由图1可知，随着超声波频率的增加，油垢质量呈快速下降趋势。当超声波频率达到48kHz时，油垢质量达到最小值，表明该频率下超声波对油垢的去除效果最为理想。之后随着超声波频率的增加，油垢质量基本不再发生变化。考虑到节能降耗，优选48kHz为超声波最佳除垢频率。

实验效果与理论分析存在一定的差距。从理论上分析，当超声波的原始能量相同时，不同频率下的超声波在水中的空化作用不同，频率越高，空化作用越强。随着超声波振动次数减少，超声波单束能量就会随之增强，从而获得较好的除垢效果[8,9]。实验结果与理论分析存在出入，可能存在以下几点原因：低频率的超声波发生器调试效果不如高频率超声波发生器；实验人员测定油垢质量时出现误差。

2.2 超声波除垢的最佳作用时间

将不同频率下超声波的除垢效果实验数据绘制成曲线图，见图2。

图2 不同超声波作用时间下的烧杯中油的浓度Fig.2 Concentration of oil in the beaker under different ultrasonic time

由图2可知，超声波的作用时间在0～1min这一时间段内，烧杯中油水混合物中油的浓度急剧增加；在1～5min这一时间段内，烧杯中油水混合物中油的浓度快速增加，但是增幅较第一阶段有所减慢；而在5～15min这一时间段内，烧杯中油水混合物中油的浓度增长趋于平缓，基本不在变化，达到稳定状态。由此可以得出，超声波最佳作用时间为5min。

对于上述烧杯中油水混合物中油的浓度的变化情况，可用以下理论进行解释，从超声波的作用时间来看，在0～1min这一时间段内，超声波对油垢中的蜡晶有较为显著的抑制作用，在超声波的作用下，油以游离态存在于烧杯中的油水混合物中；在1～5min这一时间段内，超声波依然存在较强的抑制作用，处于游离状态的油的浓度不断增加，油垢中的蜡晶数量继续减少；超声波作用5min后，烧杯中的油水混合物中油的浓度增加趋势变的缓和，基本不再发生变化，蜡晶结构的范德华力也不再增强，形成固体污垢的能力变弱。管道内成垢周期变长，管道内除垢效果显著[10-14]。

3 结论

通过实验数据的归纳整理，并结合理论进行分析，得出以下结论：

（1）通过对比28、48、68、88 kHz 4种频率下超声波除垢后剩余油垢的质量，从而确定频率为48kHz时的超声波除垢效果最佳。

（2）选取48kHz的最佳频率，分别对比不同超声波作用时间后烧杯中的油水混合物中油的浓度，得出超声作用最佳时间为5min，此时间下超声波具有较好的除垢效果和经济效益。可以达到除垢要求而又不额外消耗能量。

（3）通过实验数据发现与理论上的分析还存在差距，一方面理论并非“无懈可击”，可能存在需要多种理论进行弥补的“短板”；另一方面实验数据存在误差，有些较大的误差导致与理论值存在较大出入。今后实验的重点应该放在如何最大限度的消除误差以及丰富理论知识。

［1］王亚鹏.加热炉应用超声波除垢防垢技术效果分析［J］.石油石化节能，2014，4（1）：23-25．

［2］李澍，田继军.青海跃进油田集输管道结垢的综合治理［J］.油气田地面工程，2014，33（11）：97-98．

［3］马志梅.超声波阻垢与除垢技术研究进展［J］.中外能源，2008，13（4）：92-93．

［4］王丹，郑晓涛，陈景峰．管道超声波防除垢技术［J］．清洗世界，2014，30（12）：27-30．

［5］陈先庆．超声波防垢技术在油田中的应用研究［J］．钻采工艺，2000，23（3）：60-63．

［6］吕汉迎．超声波防垢仪在浊水冷却循环系统中的应用［J］．现代制造技术与装备，2007，22（3）：53-54．

［7］李英，赵德志，袁秋菊．超声波在石油化工中的应用及研究进展［J］．石油化工，2005，34（2）：176-177．

［8］侯光祥．输油管道中防除垢技术的研究进展［J］．内蒙古石油化工，2008，34（21）：15-16．

［9］霍文兰，温俊峰．超声波辅助法在输油管道除垢、防垢中的应用［J］．应用化工，2009，38（6）：916-918．

［10］Middis J，Paul S T．Reduction of Heat Transfer Fouling by the Addition of Wood Pulp Fibers［J］．Heat Transfer Engi-neering，1998，19（2）：36-37．

［11］Becker J R.Corrosion and Scale Handbook［M］.Tulsa：Penn Well PublishingCompany，1998．

［12］薛娟琴，吴川眉．超声波对溶液性质的影响［J］．金属世界，2008，（1）：25-28．

［13］皇磊落，张明铎，牛勇，等.超声波参数对除垢效果的影响［J］.陕西师范大学学报（自然科学版），2011，39（1）：38-40．

［14］傅俊萍，李录平，刘泽利，等．超声波除垢与强化传热实验研究［J］.热能动力工程，2006，21（4）：355-357.

Optimization of oil field pipe descaling parameters based on ultrasonic technology

YANG Guang1,WANG Xiao-feng2,LV Lin-lin3
（1.Northeastern University of Petroleum,Daqing 163318,China; 2.Marine Production Plant Gathering and Transportation Brigade，Dongying 257237，China; 3.Pipeline Oil Transportation Department,Qinghai Oilfield Company,PetroChina，Golmud 816000，China）

At present,there are still more than 80%of China's crude oil pipeline needs to be transported,and the pipeline will inevitably be a long process of wax crystallization,wax crystals precipitate if not cleaned up will become dirt attached to the pipe wall.The scaling problem of oilfield pipeline has seriously affected the normal work of oil transportation.Ultrasonic descaling technology is becoming more and more popular as a new type of green environmental protection technology.In order to optimize and compare the frequency of the oilfield pipelines descending with ultrasonic,a set of simulated ultrasonic cleaning equipment is designed to simulate the descaling effect of ultrasonic waves at 28,48,68 and 88 kHz.Through the comparative analysis of the experimental data, found that the ultrasonic frequency in the best effect of descaling at 48Hz.

oil pipeline;ultrasonic wave;descaling;optimal contrast;frequency

TE832

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170382

2016-12-23

杨光（1991-），男，黑龙江省哈尔滨市人，在读硕士研究生，主要从事复杂流体力学理论研究。