1、第27卷第2期 油气储运膨嘞岛盏i嘻譬实践天地蒜絮实践天地帅 舢叁蛞略岛鼢岛班管道结垢原因分析及常用除垢方法*王兵一 李长俊廖柯熹徐庆磊(西南石油大学石油工程学院)刘 颖 彭 波(重庆气矿长寿运销部)王兵李长俊等：管道结垢原因分析及常用除垢方法，油气储运，2008，27(2)5961。摘 要分析了管道结垢的机理，指出介质高含水率、高含菌率、高矿化度，且溶有一定量的腐蚀性气体H：S、CO。和0：以及结蜡是导致管道结垢的主要原因。对影响管道结垢的温度、压力、流速、pH值等因素进行了分析，提出了预防管道结垢的方案以及化学除垢、机械除垢等除垢方法。主题词 管道 结垢 机理 防垢 方法物体表面受到化学、
2、物理或生物的作用而形成污垢，由于管道输送的是油气等介质，这些介质里面含有有机物、H：S、CO：、多种离子、细菌以及泥砂等杂质，因此很容易结垢。管道结垢后使管道缩径，流通截面积变小，造成压力损失、排量减小及管道堵塞。管道结垢还会诱发管道局部腐蚀，导致管道漏失频繁，甚至穿孔，造成破坏性事故。当前除垢方法存在很多缺点，仍需进一步改进并研究新型除垢工艺。一、管道结垢机理从管道中采集到的垢样包括各种无机物和以石油及沥青为主的有机物，其中无机垢最为典型，统称为油田垢。在管道中大量出现的油田垢，从成分上大体可以分为盐类垢、腐蚀垢及泥沙等沉积垢。油田垢产生的原因是，一些离子结合后会形成在水中不溶、难溶和微溶的
3、物质，这些物质都很容易成为积累的水垢，也即盐类垢。通常，这类垢是由碳酸盐和硫酸盐组成的，典型的有碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶等。这种垢的形成一般会经历成核长大的过程，先是少量垢核心在管道表面形成、附着，然后更多的其它成垢化合物在这些核心周围聚集，成为更大的垢团。随着水流的冲刷，一部分垢被冲掉，但其它的垢继续生成，最终可能阻塞管道，随着环境水温的升高，这些难溶或微溶盐的溶解度下降，就有更多的物质从水中析出，成为水垢q3。在一些管道中，当温度高于60“C时才会出现明显的结垢趋势，温度越高，结垢的趋势越严重。水的流速也会明显地影响结垢的趋势。水的流动越缓和，成垢核心生长的环境越稳定，随着管道输送介
4、质流速的降低i水垢出现的概率逐渐提高，流速和流向的突然改变也会使结垢加剧。腐蚀导致的水垢是由管道本身的材料转化而成的。有些腐蚀介质会将管道中的钢铁氧化，使其形成铁的氧化物、氢氧化物等。水中的溶解氧通过电化学腐蚀的方式来侵蚀管道基体，但是没有其它种类水垢的协助，这种成垢方式难以真正形成。水垢所覆盖的管道表面在电池反应中成为被腐蚀的阳极而逐渐氧化，并向管壁的内部不断侵入，这种水垢需要格外防范。一般地，管道内溶解氧的含量高，就会产生严重的腐蚀结垢。同时，水中溶解的硫化氢气体、二氧化碳气体及铁细菌、硫酸还原菌等都可以借助表面水垢的掩护，在垢下腐蚀管道的基体，形成严重的垢下腐蚀产物(碳酸铁、硫化铁等)，
5、并生成新的深层水垢。热油管道在输送过程中，不断向周围环境散热，油品温度逐渐下降，当原油温度低于蜡的初始结晶温度时，蜡晶微粒便开始在油流中或固相表面析出，这也是垢物的一部分。另外，输送介质中的高分子*匿南石油大学第五批(2007年)研究生“创新基金”(CXJJ27024)与四川省重点学科建设项目(SZD0416)。*610500，四川省成都市新都区西南石油大学；电话：13518143663。万方数据油气储运 2008链有机物以及其中夹带的固体颗粒和水中微生物排泄可以形成粘泥。这些垢聚集在管道的底部，或呈粘絮状的易清洗物，其存在会影响管道输送效率。二、影响管道结垢的因素影响管道结垢的因素很多，除了
6、介质含有一定量的有机物、H：S、CO。、离子、细菌以及泥砂等外，还有外在因素。1、温度对结垢的影响温度对结垢的影响主要是改变易结垢盐类的溶解度。图1为垢在水中的溶解度随温度变化的曲线。从图1可以看出，除了CaSO。2 H：O溶解度有极大值外，其它均随温度的升高而降低。图1垢在水中的溶解度与温度的关系盐类垢中以碳酸盐为主，当温度升高时，Ca(HCO。)。分解，产生CaCO。结垢：Ca(HC03)2-CaC03 4r+C02十+H20 (1)该反应为吸热反应，温度升高，平衡向右移动，有利于CaC03的析出。对于以CaS0。、BaSO。和SrSO。为主的盐类垢，主要是因为介质中的SO。2-与Ca2+
7、、Ba2十、Sr2+结合而生成难溶解沉淀。由于这些反应大部分也是吸热反应，随着温度升高，沉淀析出将会更多。温度也会影响细菌的繁殖速度和钢铁电化学反应的速率。各类细菌对温度的要求不同，大部分细菌的最佳适宜温度为20-一40左右，随着管道输送介质温度的变化，细菌的繁殖率也会变化，对管道的腐蚀也就随之而变，从而影响腐蚀垢的生成速率。同样，随着温度的变化，钢铁电化学反应的速率也将发生变化，从而使腐蚀速率变化，生成腐蚀垢的速率也发生变化。2、压力对结垢的影响压力对CaCOs、CaSO。、BaSO。结垢均有影响。CaCO。结垢有气体参加反应，压力对其影响相对较大。压力降低，式(1)向右进行，可以促进结垢。
8、在管道输送过程中，压力一般都是降低的，因此结垢呈上升的趋势。3、流速对结垢的影响对于各类污垢，污垢增长率随着流体速度增大而减小。这可解释为，虽然流速增大可以增加污垢沉积率，但是，流速增大所引起的剥蚀率的增大更为显著，因而造成总的增长率减小。流速降低时，介质中携带的固体颗粒和微生物排泄物沉积概率增大，管道结垢的概率也明显加大，特别是在结构突变的部位。流速的突变也可以解释为压力的变化，如果流速突然加大，引起局部脱气，使CO。分压降低，式(1)平衡向右移动，引起CaCO。结垢。4、pH值对结垢的影响研究表明，提高溶液的pH值，碳酸盐溶解将迅速结晶，使渐进污垢热阻增大，污垢形成的诱导期缩短，促进污垢的
9、生长。但pH值太低，会加大腐蚀，引起腐蚀垢。介质pH值的确定，需要同时考虑这两方面的问题来选择合适的pH值，推荐范围为6580。管道结垢是一个相当复杂的过程，对于盐类垢而言，结垢的首要因素就是溶解度处于过饱和状态。过饱和浓度除了与溶解度有关外，还受热力学、结晶动力学、流体力学等诸多因素的影响3。对于腐蚀垢而言，结垢则受输送介质、材料以及周围环境的共同影响。三、管道结垢的预防(1)选用耐蚀材料。选用Cr、Mo含量高而S、P杂质含量低的耐腐蚀合金管材或者玻璃钢管材，可以提高管道的抗蚀能力，减缓因腐蚀引起的结垢，因为Cr含量增加，会提高钝化膜的稳定性，Mo含量增加，可减少Cr的破坏作用。(2)添加化
10、学药剂。用化学方法除掉腐蚀介质万方数据第27卷第2期 王 兵等：管道结垢原因分析及常用除垢方法或者改变环境性质，可以达到防腐目的。根据管道腐蚀环境和生产情况，有针对性地选用缓蚀剂种类、用量及加注制度。这类化学药剂包括缓蚀剂、杀菌剂、除硫剂、除氧剂、pH值调节剂等“3。(3)管道清扫时，应尽量缩短酸液与管道的接触时间，酸化后管内残酸应尽量排尽，防止残酸对管道的腐蚀所引起的结垢。(4)建立完善的结垢监测系统，便于发现生产中出现的结垢问题，及时采取科学的除垢措施。四、管道除垢管内壁腐蚀与结垢现象普遍存在。在检修管道过程中，常用的除垢方法大致分为三类，一是化学除垢；二是高压水喷射除垢；三是机械除垢。随
11、着计算机技术的发展，也出现了一些新型的除垢方法，例如采用管内移动式除垢机具除垢及超声波除垢等。1、化学除垢化学除垢是根据垢层的化学成分，选用合适的酸类化学剂进行溶解除垢。近年来，针对典型的硫酸钡、硫酸锶混合型酸不溶垢，先后开发出了硫酸钡锶阻垢剂和硫酸钡锶垢清洗剂，在管道上广泛应用。但是，由于垢的成分不同，一般的除垢剂适用范围有限。同时，化学除垢工艺复杂，在施工过程中易损坏管道，污染环境且时间长、成本高，因此还需进一步研究高效、环保、适用性强的化学除垢剂。2、高压水喷射除垢高压水喷射除垢是利用柱塞泵产生的高压水经过特殊喷嘴喷向垢层，除垢彻底，效率高。但装机容量大，耗水多，存在水处理等问题，清洗后
12、也无法快速安全排垢。3、 机械除垢机械除垢采用强力清管器，有磁力清管器、钉轮清管器和刷轮清管器等。清管器除垢与其它除垢方式相比具有操作简便、价格低、施工周期短、施工人员少、施工设备简单、强度低、无污染等特点。但是清管器为直线运动，要清理干净管内垢层，一般需56遍，有时多达10遍，清管效率低，质量差。4、 管内移动式除垢机具新型管内移动式除垢机具效率较高，质量好，适用于油、气输送管道及化工液体和水输送管道的除垢，代表了管道除垢技术的发展方向03。按驱动方式，典型的管内移动式除垢机具分为电驱动移动式、液力驱动移动式和压缩空气驱动移动式除垢机具。5、超声波除垢超声波防垢器具有在线连续工作、自动化程度
13、高、工作性能可靠、无环境污染、运行费用低等特点，已广泛应用于管道等设备中的防垢和除垢3。超声波防垢器主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中成垢物质在超声场作用下，物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢，具有明显的防垢效果，在环保节能、提高工效、降低成本等方面具有重要的意义“。五、结论(1)分析结果表明，介质含水率高，硫酸盐还原菌较多，矿化度和氯离子浓度高，溶有一定量的腐蚀性气体H：S、CO。和O：以及结蜡现象的出现，都是造成管道结垢的原因。(2)管道结垢是材料、环境和结构共同作用的结果，只有将三者综合考虑，才能有效地预防管道结垢，将结垢降低到最低限
14、度。(3)应综合考虑对管道腐蚀小、成本低、效率高的除垢方法，同时继续研究新的除垢工艺。参 考 文 献1， Morizot A P and Neville A：HeriotWatt U：Using an Electrochemical Approach for Monitoring Kinetics of CaC03 and BaS04Scale Formation and Inhibition on Metal SurfacesSPE 717122，蔡爱斌吴建军等：中原油田回注水结垢问题分析，石油化工腐蚀与防护，2004，21(2)。3，邢晓凯马重芳陈永昌：溶液pH值对碳酸钙结垢的影响，石油化
15、工设备。2004，33(5)。4，万里平唐酞峰孟英峰：长庆油田油井井筒腐蚀机理与防护措施，石油与天然气化工。2006，35(4)。5，许福东原武明盂春晖：管道内移动式除垢机具的发展与应用前景，石油机械，2001，29(7)。6，Pietro Poesio Gijs Ooms：Acoustic Removal of Colloidal ParticlesFrom Berea Sandstone，SPE 864907， 陈先庆：超声波防垢技术在油田中的应用研究，钻采机械，2000，23(3)。(收稿日期；20070202)编辑：杜娟万方数据管道结垢原因分析及常用除垢方法作者： 王兵， 李长俊， 廖
16、柯熹， 徐庆磊， 刘颖， 彭波作者单位： 王兵,李长俊,廖柯熹,徐庆磊,刘颖(西南石油大学石油工程学院)， 彭波(重庆气矿长寿运销部)刊名： 油气储运英文刊名： OIL Gijs Ooms Acoustic Removal of Colloidal Particles From Berea SandstoneSPE 864903.许福东;原武明;孟春晖 管道内移动式除垢机具的发展与应用前景期刊论文-石油机械 2001(07)4.万里平;唐酞峰;孟英峰 长庆油田油井井筒腐蚀机理与防护措施期刊论文-石油与天然气化工 2006(04)5.邢晓凯;马重芳;陈永昌 溶液Ph值对碳酸钙结垢的影响期刊论文-
17、石油化工设备 2004(05)6.蔡爱斌;吴建军 中原油田回注水结垢问题分析期刊论文-石油化工腐蚀与防护 2004(02)7.Morizot A P;Neville A Heriot-Wart U:Using an Electrochemical Approach for Monitoring Kinetics ofCaCO3 and BaSO4 Scale Formation and Inhibition on Metal SurfacesSPE 71712引证文献(5条)1.刘洁.袁建军 硫酸钙结垢及其防治技术应用进展期刊论文-天津化工 2010(2)2.丁金华.王玉.彭彦平.孙秋花.王辉.杨振国.韩广鑫.张波 电磁管道抗垢装置的功放及回馈电路关键技术期刊论文-大连工业大学学报 2010(4)3.陈微.张秋实 三元复合驱注采系统结垢现状及影响因素分析期刊论文-化学工程师 2010(12)4.侯光祥 输油管道中防除垢技术的研究进展期刊论文-内蒙古石油化工 2008(21)5.蒋官澄.廖翰明.廖翰农.李娜.张秀君 结垢趋势预测软件在孤东油田各注水系统中的应用期刊论文-石油天然气学报 2008(6)本文链接：http:/
