趙德喜 徐振東

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452）

Cu-Zn-X合金是一種具有多種特殊功能的合金，其防垢功能已成功應(yīng)用于循環(huán)冷卻水的處理。防垢機(jī)理表明：當(dāng)合金與水接觸時(shí)，由于其整體電負(fù)性比水的小，合金可向水中釋放電子，由于電子的遷移運(yùn)動(dòng)使合金周圍形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下使水產(chǎn)生極化效應(yīng)，改變水的靜電動(dòng)勢(shì)，使水中各種物質(zhì)分子之間結(jié)合力場(chǎng)發(fā)生改變，水中的固相顆粒受其作用的影響始終處于懸浮和溶解狀態(tài)，有效抑制水垢的形成及分散和溶解沉積的水垢，達(dá)到防垢的目的。

但Cu-Zn-X合金的防垢效果不僅與其自身的物理化學(xué)性能有關(guān)，還受使用條件的影響，當(dāng)使用條件發(fā)生變化時(shí)，其防垢效果會(huì)存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象。本文在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下，采用循環(huán)水模擬裝置研究了流體流速對(duì)Cu-Zn-X合金防垢效果的影響，為其實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 裝置

圖2 防垢器裝配模型圖

圖3 溶液中Ca2+濃度變化曲線

為了在動(dòng)態(tài)下研究Cu-Zn-X合金防垢，設(shè)計(jì)了循環(huán)水Cu-Zn-X合金防垢實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。水箱內(nèi)安裝有電熱絲加熱，溫度可實(shí)現(xiàn)20～80℃之間控制，系統(tǒng)中流體流量可調(diào)，實(shí)驗(yàn)管件可拆卸，熱電偶1和2用來(lái)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)管的入口和出口溫度，主管道直徑為φ20mm。

防垢器裝配模型如圖2所示，總片數(shù)為6片，片間距28mm。防垢片外徑φ125mm，內(nèi)徑φ70mm，防垢片上的孔沿著周向均勻分布30列，孔徑φ8mm。

1.2 試驗(yàn)方法

參照標(biāo)準(zhǔn)SYT0600-1997《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》和SYT0600-1997《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》配置總硬度（以CaCO3計(jì)）為3.4mmol/L的實(shí)驗(yàn)用水。應(yīng)用MP523型離子濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量測(cè)定水中鈣離子濃度，其最大量程1mol/L，精度為0.1mmol/L。采用METTLERTOLEDO—AL204電子天平測(cè)量掛片質(zhì)量，其最大稱量210g，精度為0.1mg。

實(shí)驗(yàn)參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5673-93《抑制硫酸鈣垢形成標(biāo)準(zhǔn)的方法》，采用掛片法在循環(huán)水箱中進(jìn)行。防垢率的計(jì)算公式為：g。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 Ca2+濃度

分別選擇流速為30m/h、60m/h、90m/h、120m/h和 150m/h，在室溫 20℃和加熱至70℃條件下進(jìn)行防垢循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間250min，每隔30min測(cè)量溶液中Ca2+濃度，不同流速下溶液中Ca2+濃度隨時(shí)間的變化如圖3。

2.1.2 防垢率

試驗(yàn)后前后測(cè)量掛片的質(zhì)量，根據(jù)式（1）計(jì)算不同流速下的防垢率，結(jié)果如圖4。

從圖3可以看出，不同流速下溶液中Ca2+濃度均表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，即溶液中Ca2+濃度隨時(shí)間的增加逐漸下降，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到120min時(shí)開(kāi)始趨于穩(wěn)定。但不同流速下Ca2+濃度隨時(shí)間的增加下降的幅度存在一定區(qū)別，當(dāng)流速為30m/h時(shí)，曲線位于最下方，Ca2+濃度

式中：E—為防垢率，%；

Δm1—為未經(jīng)合金處理的結(jié)垢質(zhì)量，g；

Δm2—為經(jīng)合金處理后的結(jié)垢質(zhì)量，下降幅度最大，其次是60m/h、90m/h、120m/h，當(dāng)流速為150m/h時(shí)，Ca2+濃度下降幅度最小?？梢?jiàn)，隨著流速的增加，試驗(yàn)后殘余在溶液中的Ca2+濃度亦增加。溶液中殘余的Ca2+濃度越大，結(jié)垢越少，Cu-Zn-X合金防垢越好，因此流速的增加改善了。

圖4 不同流速下防垢率

圖5 防垢裝置內(nèi)流場(chǎng)局部流速分布圖

Cu-Zn-X合金防垢效果。同時(shí)，從圖3還可以看出，當(dāng)流速增加到90m/h以上時(shí)，曲線比較靠近，即溶液中殘余的Ca2+濃度接近，表明當(dāng)流速增加到90m/h以上時(shí)，流速對(duì)Cu-Zn-X合金的防垢影響減弱。

對(duì)比圖3（a）和（b），還可以看出，當(dāng)試驗(yàn)溫度為70℃時(shí)，試驗(yàn)后各流速下溶液中殘余的Ca2+濃度均低于室溫20℃的，表明溫度升高會(huì)促進(jìn)Ca2+和CO32-的結(jié)合，加速水結(jié)的形成。但不同流速下Ca2+濃度的隨時(shí)間的變化規(guī)律與20℃時(shí)相似，即隨著流速的增加，試驗(yàn)后殘余在溶液中的Ca2+濃度亦增加，流速的增加可改善Cu-Zn-X合金防垢效果。

從圖4可以看出，隨流速的增加，Cu-Zn-X合金防垢率明顯增大，當(dāng)流速達(dá)到90m/h時(shí)，曲線變

得平緩，防垢率保持穩(wěn)定。試驗(yàn)溫度70℃與20℃相比，曲線在下方，防垢率降低。防垢率試驗(yàn)結(jié)果與Ca2+濃度試驗(yàn)結(jié)果吻合。

2.2 分析與討論

由試驗(yàn)結(jié)果可知，流速的增加可改善Cu-Zn-X合金的防垢效果，其原因與Cu-Zn-X合金的防垢機(jī)理密切相關(guān)。Cu-Zn-X合金的防垢機(jī)理是通過(guò)電化學(xué)方式使流體產(chǎn)生極化效應(yīng)，改變流體的靜電動(dòng)勢(shì)，使流體中各種物質(zhì)分子之間結(jié)合力場(chǎng)發(fā)生改變，流體中的固相顆粒受其作用的影響始終處于懸浮和溶解狀態(tài)，有效抑制水垢的形成及分散和溶解沉積的水垢。因此，要發(fā)揮Cu-Zn-X合金的防垢作用，必須使流體與Cu-Zn-X合金充分接觸，而流體與Cu-Zn-X合金是否充分接觸與防垢裝置內(nèi)液流流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。當(dāng)防垢裝置內(nèi)的液流紊亂程度越高時(shí)，流體與Cu-Zn-X合金接觸越充分，反之接觸不充分。

為研究不同流速時(shí)防垢裝置內(nèi)液流流動(dòng)狀，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)防垢裝置內(nèi)液體流場(chǎng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：當(dāng)液體流速小于90m/h時(shí)，液體從防垢片的孔中貫穿通過(guò)，液流的方向變化幅度很小，流體分層流動(dòng)，互不混合，為層流狀態(tài)，如圖5（a）。在層流狀態(tài)下，防垢裝置內(nèi)液流難以與防垢片的壁面充分接觸，防垢效果差。當(dāng)液體流速大于90m/h時(shí)，液體穿過(guò)防垢片后，液流的方向發(fā)生劇烈變化，出現(xiàn)強(qiáng)制轉(zhuǎn)向，流體的流線不再清楚可辨，流場(chǎng)中有許多小漩渦出現(xiàn)，防垢裝置內(nèi)流體出現(xiàn)紊流狀態(tài)，如如圖5（b）。在紊流狀態(tài)下，防垢裝置內(nèi)液流可充分與防垢片的壁面接觸，Cu-Zn-X合金的防垢效果提高。

3 結(jié)論

（1）溫度影響Cu-Zn-X合金的防垢效果，當(dāng)試驗(yàn)液體溫度升高時(shí)，可加速Ca2+和CO32-的結(jié)合，溶液中Ca2+濃度降低，防垢率亦下降。

（2）在相同試驗(yàn)條件下，液體的流速影響Cu-Zn-X合金的防垢效果，隨著流速的增大，流場(chǎng)的紊亂程度增加，流體與防垢片接觸的幾率增大，使得Cu-Zn-X合金的防垢功能充分發(fā)揮，防垢率上升，防垢效果好。

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