朱方達(dá) 任翌劼

摘 要：油蠟混合物性質(zhì)的研究是制定清管方案的基礎(chǔ)。目前，一些實(shí)驗(yàn)通過(guò)原油和白蠟摻混制備混合物進(jìn)行模擬，但物性與實(shí)際管道蠟沉積物有所差別。為了使研究結(jié)果更貼近實(shí)際，以管輸原油和球前蠟沉積物為實(shí)驗(yàn)原料。通過(guò)研究熔蠟溫度對(duì)油蠟混合物析蠟特性、顯微特性和屈服特性的影響，發(fā)現(xiàn)熔蠟溫度越高，蠟晶在混合物中溶解越充分，微觀條件下混合物的長(zhǎng)徑比增大，盒維數(shù)減小，導(dǎo)致低溫下相同條件油蠟混合物的強(qiáng)度降低屈服應(yīng)力減小。從宏觀和微觀角度對(duì)油蠟混合物的性質(zhì)進(jìn)行分析，對(duì)于制定清管方案具有一定意義。

關(guān) 鍵 詞：析蠟特性；顯微特性；屈服特性

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-1732-04

Abstract： Research on properties of the wax-oil mixture is the foundation to develop pigging plan. At present， the mixture of white oil and candle wax is always used in the experiments， but its properties are different from wax deposits in actual pipeline. To make the experiment more close to the actual condition， crude oil and field wax deposit were used as raw materials. The impact of wax melting temperature on wax precipitation characteristics， microscopic characteristics and yield characteristics of the mixture was studied. The results show that， the higher the wax melting temperature is， the better the wax melting effect is. The aspect ratio of wax crystal particles increases， meanwhile， the area fraction and yield stress decrease. Analysis on properties of the wax-oil mixture from macro and micro perspectives has certain significance for making pigging plan.

Key words： wax precipitation characteristics；microstructure characteristics；yield characteristics

目前，管輸含蠟原油主要采用加熱輸送工藝，較高的輸油溫度將會(huì)導(dǎo)致能耗增加，而較低的輸油溫度將會(huì)使得原油中的蠟晶析出附著于管壁上，易造成蠟堵事故，從而增加了管道的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。為了確保管道安全運(yùn)行，合理制定清管方案，需要綜合衡量含蠟原油的熱歷史和含蠟量對(duì)其流變特性和屈服特性的影響。

前人針對(duì)熱歷史和含蠟量對(duì)于原油物性的影響已經(jīng)有了一定程度的研究[1，2]，但較少有人結(jié)合蠟晶的微觀形態(tài)，分析蠟晶微觀結(jié)構(gòu)與原油析蠟特性和屈服特性之間的相互影響。對(duì)于目前出現(xiàn)的低輸量及降溫輸送高含蠟原油的情況，管輸含蠟原油流動(dòng)安全保障變得尤為重要，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行過(guò)一些探索性研究。但是，這些研究尚不具有普遍適用性，有待進(jìn)一步研究。文章從含蠟原油析蠟特性、顯微特性和屈服特性出發(fā)，探討了熱歷史和含蠟量對(duì)于含蠟原油物性的影響，研究成果對(duì)于制定清管方案、確保管道安全運(yùn)行具有一定意義。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)原料的準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)油樣取自現(xiàn)場(chǎng)原油管道。實(shí)驗(yàn)蠟樣取自管道清管球前堆積的蠟沉積物。油樣和蠟樣的常規(guī)物性分別見(jiàn)表1和表2。將蠟樣切至薄片，油樣用1 000 mL燒杯裝樣固定于恒溫水浴中預(yù)熱5 min，水浴溫度為實(shí)驗(yàn)溫度。預(yù)熱完成后啟動(dòng)攪拌裝置，將薄片蠟樣以恒定速度逐步加入燒杯中制備油蠟混合物，攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min，使用四葉槳式轉(zhuǎn)子，葉片直徑為50 mm。蠟樣全部投入油樣后，延長(zhǎng)10～15 min加熱時(shí)間，保證蠟樣的溶解效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

（1）差示掃描量熱（DSC）實(shí)驗(yàn)：采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的TA 2000/MDSC 2910差示掃描熱量?jī)x，控溫精度為±0.1 ℃，熱流精度為0.1 μW。DSC用來(lái)測(cè)量油蠟混合物的析蠟點(diǎn)和含蠟量[3]。用鋁制坩堝裝樣4～8 mg，壓實(shí)密封后放入DSC坩堝池中加熱至80 ℃，恒溫1 min后勻速降溫至-25 ℃，降溫速率為5 ℃/min。測(cè)試完成后，經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到油蠟混合物的析蠟點(diǎn)、含蠟量以及相關(guān)析蠟特性數(shù)據(jù)。

（2）顯微觀察實(shí)驗(yàn)：采用日本Nikon公司生產(chǎn)的OPTIPHOT2-POL型透射光偏光顯微鏡，配套Linkam PE60冷熱臺(tái)，控溫精度為±0.1 ℃。顯微觀察實(shí)驗(yàn)用于觀察蠟晶微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)前將載玻片置于顯微鏡冷熱臺(tái)上預(yù)熱至熔蠟實(shí)驗(yàn)溫度，恒溫1～2 min后用細(xì)胞刮子蘸取試樣進(jìn)行刷片，靜置2 min待試樣均勻散開(kāi)，以1 ℃/min的速率降溫至40 ℃，靜置兩分鐘后，選擇載玻片不同區(qū)域進(jìn)行顯微拍攝。將所拍攝的蠟晶顯微圖像保存后，導(dǎo)入基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像處理軟件ImageJ，進(jìn)行蠟晶形態(tài)相關(guān)定量參數(shù)的提取[4]。

（3）屈服應(yīng)力實(shí)驗(yàn)：采用德國(guó)Anton Paar GmbH公司生產(chǎn)的控制應(yīng)力流變儀RheolabQC，四葉漿式轉(zhuǎn)子（vane），測(cè)試系統(tǒng)為 ST10-4V-8.8-SN20662，其原理見(jiàn)文獻(xiàn)[5]?？販厮榈聡?guó)Julabo公司生產(chǎn)的F32-ME水浴，控溫精度為±0.1 ℃。將制備好的油蠟混合物倒入事先已預(yù)熱至熔蠟試驗(yàn)溫度的配套轉(zhuǎn)筒中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)卡口固定于流變儀中，恒溫2 min，以1 ℃/min的速率勻速降溫至測(cè)試溫度，恒溫60 min，開(kāi)始屈服應(yīng)力測(cè)試程序。程序采用控制應(yīng)力對(duì)數(shù)加載方式，初始測(cè)試應(yīng)力0.1 Pa。應(yīng)變曲線由平緩至陡升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力稱為試樣的屈服應(yīng)力，圖1中已用黑色方框標(biāo)注出來(lái)。

2 油蠟混合物的制備敏感性實(shí)驗(yàn)研究

油蠟混合物的物性受到多種因素的影響，為了研究摻蠟比例、熔蠟溫度、終冷溫度對(duì)混合物的析蠟特性、顯微特性以及屈服特性的影響，將進(jìn)行一下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件包括，按質(zhì)量比例30%、50%、70%分別取油樣和蠟樣若干克分別稱重，保證兩者總質(zhì)量為600 g制備油蠟混合物；熔蠟溫度為60、70、80 ℃；終冷溫度為20、30 ℃。

2.1 析蠟特性研究

熔蠟溫度較低時(shí)，油蠟溶液的飽和溶解蠟晶含量較小，因此摻蠟比例50 %、70 %的油蠟混合物中的大量蠟晶無(wú)法充分溶解以形成均一的油蠟溶液，為了保證較好的熔蠟效果。在60 ℃下制備摻蠟比例30 %的油蠟溶液一組，70 ℃下制備摻蠟比例30 %、50 %的油蠟溶液各一組，80 ℃下制備摻蠟比例30 %、50 %、70 %的油蠟混合物各一組，油蠟溶液制備完成后立即取樣進(jìn)行差示掃描量熱（DSC）實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，不同熔蠟溫度下制備得到的油蠟混合物的析蠟點(diǎn)、析蠟高峰點(diǎn)和含蠟量隨熔蠟溫度的升高而增大，且含蠟量越高，析蠟點(diǎn)越高。造成以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因主要是：在一定溫度下，飽和的油蠟溶液中的蠟晶含量是一定的，且溫度越高，溶解的蠟晶會(huì)越多，因此隨著熔蠟溫度的升高，同一摻蠟比例下的油蠟溶液含蠟量越大。熔蠟溫度較低時(shí)，雖然油蠟溶液中已經(jīng)沒(méi)有肉眼能觀察得到的未溶解的蠟晶顆粒團(tuán)，但是其相比于高溫下的熔蠟效果，溶解的蠟晶顆粒較大，且蠟晶顆粒分散度的均勻性較差，由于DSC測(cè)試試樣在mg數(shù)量級(jí)上，因此測(cè)試結(jié)果的含蠟量偏低。

2.2 蠟晶顯微特性研究

在60、70、80 ℃下制備三組摻蠟比例30%的油蠟混合物，70、80 ℃下制備兩組摻蠟比例50%的油蠟混合物，80 ℃下制備一組摻蠟比例70%的油蠟混合物。每次熔蠟實(shí)驗(yàn)完成后，立即取樣進(jìn)行顯微觀察實(shí)驗(yàn)，摻蠟比例30 %、50 %的油蠟混合物在40 ℃下的顯微測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

面積盒維數(shù)和周界盒維數(shù)反應(yīng)了蠟晶形態(tài)與結(jié)構(gòu)的不規(guī)則特征，其數(shù)值越大表征結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。長(zhǎng)徑比定量表征蠟晶的形狀，其數(shù)值越大說(shuō)明蠟晶形狀更接近長(zhǎng)棒狀。由圖3可知，隨著熔蠟溫度的降低，相同摻蠟比例下的油蠟混合物的蠟晶盒維數(shù)增大，長(zhǎng)徑比減小，說(shuō)明熔蠟溫度越低，蠟晶顆粒相對(duì)較大，顆粒的聚集程度較大，因此邊界盒維數(shù)以及面積盒維數(shù)的數(shù)值較大，表明油蠟混合物中的蠟晶結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度越大。

2.3 屈服特性測(cè)試

在70 ℃、80 ℃下制備摻蠟比例30 %、50 %的油蠟混合物各一組。每次熔蠟實(shí)驗(yàn)完成后立即取樣進(jìn)行屈服應(yīng)力測(cè)試，摻蠟比例30 %、50 %的混合物的屈服應(yīng)力測(cè)試溫度分別為20 ℃和30 ℃，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4知，同一摻蠟比例油蠟溶液的屈服應(yīng)力值隨熔蠟溫度的升高而減小。造成上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因是：熱歷史的影響能夠影響油蠟混合物在低溫下析出蠟晶的大小、形狀、聚集狀態(tài)和蠟晶之間的相互作用，由于油蠟混合物經(jīng)歷的熱歷史不同導(dǎo)致在相同終冷溫度下的屈服值不同。結(jié)合上文蠟晶顯微實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熔蠟溫度越低，蠟晶的長(zhǎng)徑比越小，其端部與蠟晶表面之間的作用面積大，顆粒之間的作用力越大；蠟晶的盒維數(shù)越大表明其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，易形成較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致屈服應(yīng)力增大。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）相同摻蠟比例油蠟混合物的析蠟點(diǎn)、析蠟高峰和含蠟量隨熔蠟溫度的升高而增大。

（2）對(duì)于同一摻蠟比例的油蠟混合物，隨著熔蠟溫度的降低，油蠟混合物的盒維數(shù)增大，長(zhǎng)徑比減小。

（3）熱歷史的影響能夠影響油蠟混合物在低溫下析出蠟晶的大小、形狀、聚集狀態(tài)和蠟晶之間的相互作用，同一摻蠟比例油蠟溶液的屈服應(yīng)力值隨熔蠟溫度的升高而減小。

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