減阻劑是具有減少阻力作用的到高分子化合物。在流體輸送時將它加入流體中，可以取得提高流量、降低能耗等效果。
基本介紹
- 中文名：減阻劑
- 外文名：Drag-reducing additive
- 出現時間：20世紀40年代
- 性質：水溶性或油溶性的高分子聚合物
發展歷史,減阻機理,生產工藝,新動向,套用實例,優勢,
舉例
例如水溶性的聚環氧乙烷，只用25毫克/千克就能使水在管道中所受阻力下降75%，出水速率增加好幾倍，用於滅火或其他緊急用水的場合；油溶性的聚異丁烯用量為60毫克/千克時，即可使原油在管道中的輸送能力大大提高，起到增輸節能的作用。
用於降低流體流動阻力的化學劑稱為減阻劑(drag reducing agent)，簡稱DRA。減阻劑廣泛套用於原油和成品油管道輸送，它是在特定地段提高管道流通能力和降低能耗的重要手段。作者在《淺談減阻劑》一文中介紹了減阻劑的發展歷史、減阻機理、生產工藝、新動向及在國內外輸油管道套用的實例；分析了在輸油管道中套用減阻劑的優勢。
發展歷史
減阻的概念早在20世紀40年代就已經提出。20世紀初美國紐約的消防隊員曾使用水溶性聚合物增加排水系統的流量。1948年Toms在第一屆國際流變學會議上發表了第一篇有關減阻的論文，文章指出，以少量的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶於氯苯中，摩阻可降低約50%，因此，高聚物減阻又稱為Toms效應。
20世紀60年代末，美國Conoco公司研製成CDR-101型減阻劑，1972年取得專利，1977～1979年間首次商業化套用於橫貫阿斯加的原油管道的越站輸送及提高輸量方面，並取得巨大成功。1981年又研製成功CDR-102型減阻劑，比CDR-101型的性能成數倍地提高。20世紀80年代初，開展了成品油管道的減阻試驗，用於汽油、煤油、柴油和NGL、LPG的減阻，到1984年正式在成品油管道上套用。70年代中期，美國Shellco公司和加拿大Shell Inc公司提出申請減阻劑專利。1983年，美國Atlantic Richfield co公司研製出Arcoflo減阻劑產品，加入5ppm即可達到20%的減阻效果。
減阻聚合物的生產條件很難控制，國際上只有極少數公司壟斷了這項技術，其代表是美國的Conoco公司和Baker Hughes公司，他們的產品基本上代表了目前世界上減阻劑生產工藝的最高水平和發展方向。1982年，我國浙江大學開始國產減阻劑的開發和試驗工作，1985年進行了EDR型減阻劑的試生產，並在國內原油管道上進行了中型試驗，產品性能已達到國外70年代初期水平。1984年，成都科技大學也發表了PDR型減阻劑的研製成果，以上兩校的試驗，都曾採用過柴油和煤油等成品油。近年來，中國石油管道公司管道科技研究中心開展了減阻劑的研究工作，並取得了成功，其EP系列減阻劑產品的性能已經達到國際同類產品的水平。
減阻機理
減阻的機理說法很多，尚無定論。如偽塑說、湍流脈動抑制說、粘彈說、有效滑移說、湍流抑制說等等。
減阻作用是一種特殊的湍流現象，減阻效應是減阻影響湍流場的巨觀表現，它是一個純物理作用。減阻劑分子與油品的分子不發生作用，也不影響油品的化學性質，只是與其流動特性密切相關。在湍流中，流體質點的運動速度隨機變化著，形成大大小小的旋渦，大尺度旋渦從流體中吸收能量發生變形、破碎，向小尺度旋渦轉化。小尺度旋渦又稱耗散性旋渦，在粘滯力作用下被減弱、平息。它所攜帶的部分能量轉化為熱能而耗散。在近管壁邊層內，由於管壁剪下應力和粘滯力的作用，這種轉化更為嚴重。
在減阻劑加入到管道以後，減阻劑呈連續相分散在流體中，靠本身特有的粘彈性，分子長鏈順流向自然伸呈流狀，其微元直接影響流體微元的運動。來自流體微元的徑向作用力作用在減阻劑微元上，使其發生扭曲，旋轉變形。減阻劑分子間的引力抵抗上述作用力反作用於流體微元，改變流體微元的作用方向和大小，使一部分徑向力被轉化為順流向的軸向力，從而減少了無用功的消耗，巨觀上得到了減少摩擦阻力損失的效果。
在層流中，流體受粘滯力作用，沒有像湍流那樣的旋渦耗散，因此，加入減阻劑也是徒勞的。隨著雷諾數增大進入湍流，減阻劑就顯露出減阻作用。雷諾數越大減阻效果越明顯。當雷諾數相當大，流體剪下應力足以破壞減阻劑分子鏈結構時，減阻劑降解，減阻效果反而下降，甚至完全失去減阻作用。減阻劑的添加濃度影響它在管道內形成彈性底層的厚度，濃度越大，彈性底層越厚，減阻效果越好。理論上，當彈性底層達到管軸心時，減阻達到極限，即最大減阻。減阻效果還與油品粘度、管道直徑、含水、清管等因素有關。
生產工藝
減阻劑生產的技術關鍵主要包括兩個方面，一是超高分子量、非結晶性、烴類溶劑可溶的減阻聚合物的合成；二是減阻聚合物的後處理。
聚合物的合成
大量文獻資料表明，目前最有效的減阻聚合物是聚α-烯烴。早期聚α-烯烴的生產採用溶液聚合的方法進行，並將聚合產物直接用於輸油管道，由於溶液聚合產物本身粘度大，聚合物含量低，因此給運輸和使用帶來極大的困難。直到20世紀90年代中期，才發展了本體聚合的方法，從而大大提高了單體轉化率和減阻劑性能。實施本體聚合需要解決的關鍵技術是及時帶走聚合過程中產生的大量反應熱，方法之一是使用一種由高分子材料製成的反應容器，並將其設計成能將反應熱迅速釋放出來的形狀。實施聚合時，先用氮氣吹掃反應容器，然後按比例加入單體和催化劑，密封后放入低溫介質中，使其在低溫下反應3～6天的時間。一般情況下，本體聚合產物純度高，分子量也比溶液聚合產物高得多。
另外，採取溶液聚合α-烯烴減阻聚合物也有了新突破，通過在α-烯烴聚合過程中加入粘度降低劑，可以改進成品的總體流動性能和處理特性，同時可以獲得更高的聚合物分子量和更均勻的分子量分布，改進聚α-烯烴類減阻劑的溶解性。
聚合物的後處理
實際套用表明，直接將溶液聚合產物作為減阻劑使用，會給輸油生產帶來諸多不便，因而該方法現已被淘汰。為了改善減阻劑的使用性能，通常將聚合物和分散劑一起在低於其玻璃化溫度的環境中磨成粉末，並加入適當的添加劑以製成不同外觀形態的減阻劑產品。目前，在原油管道上廣泛使用的是水基乳膠狀減阻劑，它是利用穩定劑、表面活性劑等添加劑，將聚合物粉末懸浮在水或水與醇的混合物中。這種產品具有聚合物濃度高、注入方便、在原油中溶解性好等優點，但也存在儲存時間短、穩定性較差等缺點。在成品油管道中主要使用低粘度膠狀減阻劑，它是將聚合物粉末溶解在成品油或成品油和某些溶劑的混合物中。這種產品具有粘度低、注入方便等優點，但存在聚合物濃度低、運輸工作量大等缺陷。為了克服上述兩種產品的缺陷，最近研製開發了一種非水基懸浮減阻劑，它是藉助懸浮劑將聚合物粉末懸浮在醇類流體中。這種減阻劑的生產無需使用表面活性劑、殺菌劑和複雜的穩定劑體系，簡化了生產過程，具有防凍性好、聚合物濃度高、穩定性好、能防止水等雜質進入輸油管道等優點，並可同時用於原油和成品油的輸送。
本體聚合產物可以直接置於低溫環境中磨碎，溶液聚合產物則需要先將聚合物從溶劑中沉澱出來，然後粉碎。美國Conoco公司和Baker Hughes公司分別採用了將聚合物從溶液中沉澱出來的方法，用能夠沉澱聚合物而與烴類溶劑不互溶的醇類作為沉澱劑，並通過特殊的裝置使沉澱出來的聚合物形成小顆粒。值得一提的是，Baker Hughes公司通過控制向溶液聚合產物中加入沉澱劑的速度，以及適當的攪拌將沉澱出來的聚合物顆粒直徑控制在0.25cm以下，這種粒度的聚合物可直接與懸浮劑、液體醇一起製成非水基懸浮減阻劑。這種方法省去了聚合物的低溫粉碎工序，簡化了生產過程。
綜上所述，通過不同的後處理工序，可以獲得不同外觀形態和不同性能的減阻劑產品。
新動向
將高濃度減阻聚合物微粒封裝在由某些惰性物質組成的外殼內，便製成了微囊減阻劑(microencapsulated drag reducing agent)，又稱MDRA。微囊減阻劑的研製成功是減阻劑發展的一個新動向。生產微囊減阻劑的方法有很多種，主要包括靜態擠壓法、離心擠壓法、振動噴嘴法、旋轉盤法、界面聚合、多元凝聚、懸浮聚合等。生產微囊減阻劑的靜態擠壓噴嘴和微囊的形成過程見圖1。
使用這種裝置生產微囊減阻劑，是將聚合反應單體、催化劑和外殼材料分別從中心孔和外環套中加入，並以一定的速度從裝置下端擠出，形成微囊減阻劑顆粒。擠出速度非常重要，當擠出速度慢時，形成的微囊顆粒外觀規整、尺寸均勻；相反，如果擠出速度較快，將會使微囊顆粒發生粘連，造成微囊顆粒形狀異常、大小不一。在生產過程中保持一定頻率的振動，將有利於控制微囊顆粒的粒度。
由於單體是在封閉的小微囊內進行本體聚合反應，對於單個微囊，反應規模極小，因此，反應條件可以得到很好地控制，特別是反應熱能夠被及時散發掉。如果單體是σ-烯烴，通常使用齊格勒-納塔體系催化劑，並在微囊形成之前加入。由於齊格勒-納塔體系催化劑遇到氧氣會迅速失效，因此反應體系內不能有氧氣存在。某些單體可以使用紫外線引發聚合，但紫外線必須能夠穿透微囊外殼。
微囊外殼是微囊減阻劑的重要組成部分，外殼材料與微囊內芯的反應物不能相互反應或混溶。如果微囊內芯是σ-烯烴聚合反應體系，為避免催化劑失效，微囊外殼中就不能有氧氣存在，但少量的羥基和羧基對聚合反應影響不大。比較合適的外殼材料有聚丁烯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇、蠟、硬脂酸等。若微囊外殼本身是聚合物，其聚合反應可以在生產微囊減阻劑的過程中進行，但是不能制約形成微囊系統的其它技術需求。另外要求微囊外殼在運輸和儲存過程中性能穩定，其破碎或溶解殘渣對原油或石油產品的物化性質以及油品加工過程沒有影響。微囊外殼可以通過溶解在注入介質或管輸流體中、機械破碎、融化、光化學破碎、生物降解、化合等方法去除。
由於微囊減阻劑以固體顆粒的形式儲存和運輸，因此節省了運輸溶劑、漿料或其它載體的費用。注入輸油管道時，如果需要使用溶劑或其它載體(即注入介質)，則可以在當地低價採購，現場配液，而不再需要複雜的後處理工序。
套用實例
先看看國外在輸油管道上使用減阻劑的實例。美國橫貫阿À斯加的原油管道，採用加減阻劑方案，將原設計的12座泵站減為10座，日輸油量由22.26×10m增加到38.16×10m。英國北海油田某管道，原設計方案管徑為1066mm，經過方案比選，採用高峰時加減阻劑方案，使管徑改為914.4mm，大大降低了投資。美國西南部一條200mm口徑的成品油管道夏季汽油輸量增大時，曾有111km管道出現卡脖子問題。採用減阻劑後，迅速、經濟地解決了問題。管道摩擦阻力下降40%，輸量增大28%。美國中西部一條長93km口徑為200mm的輸油管道，在順序輸送中，要求柴油與汽油同步輸送，需使柴油流量增大20%。使用減阻劑後柴油的摩擦阻力下降了38%，達到了要求。
在國內，首先是利用美國Conoco公司生產的CDR102減阻劑在鐵大線、東黃線、濮臨線上進行試驗並取得了成功。如鐵大線繼1986年現場試驗成功後，在瀋陽、熊岳和復縣3個站段，間斷投用減阻劑79天，用藥97m，全線增輸原油17.667×10t，緩解了鐵大線外輸緊張局面，爭取到較大的出口換匯，為國家創造了較高的經濟效益。1987年世界油價下跌，國家出口減少，管道又恢復正常運行，停注減阻劑，非常靈活、方便。青海油田的花土溝至格爾木輸油管道，原設計輸油能力為每年
100×10t，後來油田產量上升，要求管道輸送能力增加到每年150×10t。若按傳統增加機械動力的方法，需將原來4個泵站全部改建為熱泵站，原來3個熱泵站也需要改造擴建。不僅時間不允許，而且資金投入大。他們與美國貝克管道化學品公司合作進行加減阻劑試驗。試驗結果證明，在不增加任何輸油泵的情況下，使用FLOXL減阻劑，可以很容易地實現150×10t的年輸量，其所需費用遠低於擴建泵站的投資。
優勢
隨著研究的不斷深入，減阻劑產品日趨成熟，已經進入商業實用階段。主要表現為：加入量少，減阻率高；本身具有抗剪下能力，儲運和使用過程中無明顯降解；對油品加工和油品質量無不良影響；注入設備簡單，注入工藝易行；國內已具備生產減阻劑的能力。無論是在新管線設計或現有管道運營中使用減阻劑均能獲得可觀的經濟效益和社會效益。在輸油管道上套用減阻劑的優勢主要體現在以下方面：
建設投資
新管線設計中一個重要的依據就是管道的年輸量，但對管道年輸量影響因素有許多是不確定的。如對油田儲量的估測不可能做到十分精確，市場條件要求管道輸量的變化及油品種類的改變等等。這一些不確定的因素，可根據相對經濟的數據作為設計依據，留下一部分設計餘量，用減阻劑來平衡這部分餘量。減小管徑、壓縮泵站建設規模可大大節省新管線的建設投資。我國輸油管道都是根據年輸量來設計的。選擇的管徑和壁厚、泵站及設備一般都偏大和較保守，對輸量變化的適應性差。這不僅造成投資高，而且運行也不經濟。
增加輸量
特別是在卡脖子段，加減阻劑後就可以提高輸量，使整個管道輸量增加，達到多輸快輸的要求。並可靈活地調整輸油計畫，滿足市場需求，最大限度地創造經濟、社會效益。我國油田產量變化幅度比較大，為增加管道輸送彈性，適應油田產量的變化，套用加減阻劑技術具有重大的現實意義。隨著油田產量的上升，管道需分階段應急擴建，有時，倉促上馬可能造成很大的浪費。以東營-黃島管線擴建為例，1985年油田計畫產量大幅度增加，要求該管線超輸30%，為此增建4座加壓站，工程投資2000萬元，工期半年。可是工程完成後，油田產量未能如願，4座泵站閒置。如果選用減阻劑增輸技術過渡，顯然投資可大大節省。濮臨線也同樣先擴建增壓站，然後增加副管，但實際發揮作用不大。顯然在管道輸油中，由於油田前景不清，產量變化幅度大的情況是經常發生的，如採用投注減阻劑短時間解決輸量大幅度增加的矛盾，技術上是可行的，經濟上是合理的。
降低成本
實現不停輸狀態下對泵機組或泵站進行檢修維護、更新改造，降低維修改造成本。也可以用加減阻劑的辦法停掉某些條件艱苦、環境惡劣的泵站，把人員減下來。如格爾木至拉薩的輸油管道，途徑平均海拔都在3000m以上的青藏高原，有相當多的泵站地處海拔4700m以上，人的生存非常困難。完全可以採用加減阻劑和自動化技術，把某些中間泵站關閉，把人員減下來。這不僅可獲得顯著的經濟效益，還將帶來巨大的社會效益。
提高安全可靠性
如我國東部輸油管網均已運行了30年以上，由於管道內外壁腐蝕嚴重，管道耐壓能力大大下降，降低管道工作壓力，提高系統的安全可靠性顯得尤為重要。
使用減阻劑作為一種短時間應急措施具有很大的優越性。但對於需要長期增輸的管道來說，由於需要大量的減阻劑，使其經濟效益不明顯，而且在輸油系統中增加了減阻劑注入裝置，使其整個系統的操作量、故障率有所提高，不利於日常操作管理。所以對減阻劑技術既要優先考慮，又不能盲從套用。可以預見，在不遠的未來，投注減阻劑技術作為一種新興的輸送工藝，必將為我國管道工業創造更大的經濟、社會效益。
