超声波除碳酸钙垢的实验研究

陆希希　郭越　林雪松　贡同

摘 要：目前，超声波是一种在工业中广泛应用的技术，可以用于油田管道的污垢清理。为了更加深入研究超声波除碳酸钙垢的效果，有必要探究超声波的参数对除垢率的影响。在实验室条件下，组装了一套超声波除垢设备，通过改变超声波的频率、辐照时间和辐照温度，分别处理Q235钢制挂片上的碳酸钙垢，采用处理前和处理后挂片质量差的方法来评价除垢效果。实验结果表明在频率为28 kHz、辐照时间为10 min和辐照温度为40 ℃的条件下，超声波除碳酸钙垢能力强、效果好。因此，优选出超声波不同参数之间的组合对提高除碳酸钙垢率至关重要。

关 键 词：超声波；频率；辐照时间；温度；碳酸钙垢

中图分类号：TQ 028 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1318-04

Study on Calcium Carbonate Scale Removal

With Ultrasonic Wave in Laboratory

LU Xi-xi， GUO Yue， LIN Xue-song， GONG Tong

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China）

Abstract： At present， the ultrasound wave technology is widely used in industrial fields， for example scale removal of oil pipeline. To further study the effect of ultrasonic wave to remove calcium carbonate scale， it is necessary to explore the influence of ultrasonic parameters on cleaning calcium carbonate scale. A set of ultrasonic descaling equipment was assembled and a series of laboratory experiments were conducted. By changing the ultrasonic frequency， duration and temperature， the calcium carbonate scale on the Q235 steel material was respectively treated， the scaling removal effect of ultrasonic wave was evaluated by the method of loss weight. The results show that， when the frequency is at 28 kHz， the duration is 10 min and the temperature is at 40 ℃， cleaning effect of ultrasonic wave is perfect. Therefore， it is significant to select the suitable combination of different ultrasonic parameters for improving calcium carbonate scale removal rate.

Key words： Ultrasonic wave； Frequency； Duration； Temperature； Calcium carbonate scale

在油氣田后期开采过程中，随着产油量的减少，注水量加大，油田生产系统结垢问题日益严重[1]，会导致设备低效运转和设备维护费用增加[2]，不利于油田安全高效生产，碳酸钙垢是最常见的污垢之一。目前最常见的除垢方法是化学除垢法，但是化学药剂成本高、花费大，且每次在线连续注入化学药剂用量难以把握，难以生物降解，严重污染环境[3，4]。近年来，超声波除垢技术由于操作简单、自动化程度高、运行费用低、在线连续工作、工作性能可靠、效率高、无环境污染等特点[5]，在油田生产中得到了广泛的应用。超声波除垢的影响因素主要分为三类：超声波参数、流体参数和材质。目前，超声波除垢中流体参数研究较多，而超声波参数研究需要进一步完善[6]，因此开展超声波参数除碳酸钙垢的实验研究是十分必要的。

本文通过实验数据，结合超声波除垢机理和碳酸钙垢的成因两方面，评价超声波在不同频率、不同辐照时间和不同温度下去除Q235钢制挂片上碳酸钙垢的效果，得到了除垢效果最佳时，超声波的频率、辐照时间和温度三者的最优组合。

1 除垢机理

超声波除垢装置主要由超声波发生器和超声波换能器两大部分组成，超声波除垢技术主要依靠频率高于20 kHz声波的空化效应、剪切效应、活化效应去除管壁污垢[6]。

（1）空化效应

超声波产生的脉冲震荡波在管道中传播，会在管道与流体分界面位置处产生大量细小的空穴和气泡，流体中的水起到空化核作用，在极限压力作用下气泡破溃，与此同时流体中的细小颗粒连续不断冲刷管道内壁，从而进一步加剧空化作用强度。气泡获得能量后，在声场的作用下不断振动，在界面处形成的压强逐渐增大[7]。当气泡迅速膨胀，相互挤压，突然溃破时，一方面气泡界面处产生瞬间高温[8]，导致液体粘度和表面张力减小，空化阈值降低，促进空化气泡的形成，更加有利于空化效应的发生；另一方面会对垢层表面产生一定范围的局部冲击力，使结垢层疏松，产生疲劳和裂缝，形成较多分散的小颗粒，在流体的冲刷下，导致垢质脱落[9]。

（2）剪切效应

由于结垢层和管道对超声波吸收和反射的能力不同，导致超声波在两者之间的传播存在速度差，从而在两者界面处产生相对剪切力，使得垢层与管道内壁之间形成的粘合力减弱，污垢附着力减小，垢层易剥落[9，10]。另一方面，当超声波振荡器的频率与管道内壁上附着的垢层固有频率相同时，将会发生共振现象，垢层疲劳松散，垢质粉碎，垢物逐渐从管壁上脱落[9，10]。此外，在超声波的作用下，流体会形成细小漩涡，产生旋流效应，垢层疏松，同时也可以避免形成的结垢晶体在管道内壁淤积[11，12]。

（3）活化效应

在液体介质中，超声波可以使水分子裂解为活性H自由基和HO自由基，甚至是H+和HO-[11]。活性H自由基性质活泼，具有氧化性，容易与垢质发生反应，可以把生成的积垢剥落下来；而HO与成垢物质离子可以形成CaOH+、MgOH+等配合物[12，13]，增加水溶解污垢的能力，附着在管道内壁的垢量减少。

2 实验试剂和装置

2.1 实验试剂

在本次试验中，所选择药品的等级和用量均按照SY/T0600-2009《油田水结垢趋势预测》的规定，如表1所示。

2.2 实验装置

超声波发生器的主要作用是给超声波除垢装置提供电能，超声波换能器是本次实验的核心部件，其主要作用是从超声波发生器获得的电能，然后转换成超声波。实物如图1所示。根据实验设计的要求，选择3种型号的超声波发生器和4种类型的超声波换能器，实验仪器的主要参数见表2。

2.3 实验设计

实验设计参考标准SYT 5673-93《油田用防垢剂性能评价方法》，实验步骤如下：

（1）将除锈、打磨、冲洗、烘干、称量后的Q235钢制挂片放入到标准碳酸钙溶液中，恒温水浴锅温度设定为60 ℃，24 h后取出挂片，经恒温干燥箱风干后，称量并计算挂片的结垢量m0；

（2）将结垢挂片放入原标准碳酸钙溶液中，超声波在不同频率、不同温度和辐照时间下分别对挂片进行处理，称量并计算超声波作用后挂片的质量m1；

（3）除垢效果采用质量差法，即除垢率计算公式为：

其中： m0 —超声波作用前挂片的质量，g；

m1 —超声波作用后挂片的质量，g；

E —除垢率，%

3 实验结果和分析

3.1 频率

在超声波发生器功率为1 500 W，超声波换能器除垢频率分别为20、28、60和120 kHz，实验温度分别为40和60 ℃，輻照时间分别为5和10 min，作用已结垢的挂片，计算处理前和处理后挂片的质量差，计算除垢率，从而得出超声波除碳酸钙垢的最佳频率。未处理前挂片实物如图2所示，在频率为28 kHz，辐照温度40 ℃，辐照时间10 min的条件下，超声波对结垢挂片处理后实物如图3所示，该实验合计16组，实验结果如图4。

由图可知，在实验温度和辐照时间相同的情况下，每组实验结果均表明除垢率随着超声波频率的增加先升高后降低，在频率为28 kHz时，除碳酸钙垢率最大，除垢效果好。

从理论上分析，频率增加，单位时间内超声波的交变次数越多，液体体系中的剪切效应增强[14]；另一方面也有利于液体获得超声波中的能量，增强超声波的热效应，瞬间产生的高温降低空化阈值，利于空化气泡的形成，加剧空化效应的强度。但是频率过高，超声波的能量在传播过程中衰减快，热效应减弱，声波压缩相时间缩短，空化气泡来不及破灭，有效除垢效果减弱。

3.2 辐照时间

在超声波发生器功率为1500 W，超声波换能器频率为28 kHz，实验温度为40和60 ℃，辐照时间分别为5和10 min，处理碳酸钙垢挂片，称量处理后挂片的质量，计算除垢率，从而得出超声波除碳酸钙垢率与辐照时间的关系，如图5。

由图中可知，随着辐照时间的延长，超声波除垢效果更加明显，辐照时间为10 min，除垢率最高可达72.68%。

理论分析，辐照时间增加，液体从超声波获得的能量越多，空化气泡和空穴的数量增加，加速空化效应的发生，另一方面，活化效应增强，水分子中裂解的活性H自由基增多，具有氧化性的活性H自由基更容易把积垢剥离，减少碳酸钙垢在挂片上的沉积。

3.3 辐照温度

超声波发生器功率为1 500 W，超声波换能器频率为28 kHz，辐照时间分别为5和10 min，超声波在不同的温度下处理已结垢的的挂片，称量处理后挂片的质量，计算除垢率，得到超声波除碳酸钙垢率与温度的关系见图6，进一步分析得出最佳辐照温度。

由图可知，在超声波除垢频率为28 kHz，辐照时间为10 min时，最佳辐射温度为40 ℃。温度从40 ℃升高到60 ℃，除垢率由72.68%降低到43.61%，下降幅度为40.00%。

理论上分析，温度升高，促使碳酸钙在水中的结晶现象发生，悬浮于溶液中的碳酸钙颗粒增多；同时碳酸钙在水中的溶解度减小，综合这两方面可知，温度升高，加快结垢过程的发生，挂片结垢量增加，除垢率降低。

4 结 论

（1）通过比较超声波在4种不同频率下的除垢实验，采用超声波处理挂片前后的质量差法来评价除垢效果，得到超声波最佳除垢频率为28 kHz。

（2）在最佳除垢频率为28 kHz的情况下，控制超声波对挂片的处理时间，分析得出超声波辐照时间为10 min，除垢效果好。

（3）基于最佳除垢频率和最佳辐照时间，超声波在不同的辐照温度下处理结垢的挂片，确定超声波最佳除垢温度为40 ℃，超声波除垢能力强。

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