谈谈天然气管道的界面减阻技术

      界面减阻的概念

      我国著名输油工艺技术专家罗塘湖说：“在管道输送节能挖潜方面，还有未开垦的处女地。具体来说，就是还没有真正在管子本身作文章，还没有真正涉足管输工艺的一项前沿技术——界面减阻。”

      界面减阻技术涉及仿生学原理及知识。海豚和鲨鱼都能在海水中高速游动，都有某种减阻的巧妙方法。生物工程专家们经过研究后认为，海豚的减阻机理与其身体附近可形成层流边界层有关，由此启发人们研究在管内壁涂覆或粘贴某种材料，以改变其物化性质，从而达到减阻的目的。而鲨鱼的减阻机理似乎与此相反，它被认为是在其粗糙的表皮形成的湍流边界层的条件下取得减阻效果的。鲨鱼表面的结构特征与特性促使人们开展了在刚性壁面上加工沟槽的流动试验研究。据报道，德国飞机制造商经过试验证实，同鲨鱼“皮肤”一样的飞机机身表面能节省燃料8%。用同样的燃料可使飞机飞得更远更快。1992年第6期“科学发展与改革”报道，德国戈伦公司发明了一种可以减少空气阻力的塑料薄膜，这种薄膜的正面是一种特殊形状的轴状条纹，可以减少空气的阻力，将这种薄膜覆盖在飞机的外表面，可使空气阻力减少8%。用这种薄膜取代油漆作涂料，在同样面积上的重量只是油漆的38%。用这种薄膜覆盖飞机、舰艇、汽车的外表面，可以节约燃料11%左右。“仿生鲨鱼皮”游泳衣的面料状似鲨鱼皮肤，其表面布满齿状V形凹槽。凹槽的规格经过科学计算，精确符合鲨鱼皮的尺寸。这种面料能够有效提高速度。面料印花产生的涡流与凹槽造成的涡流方向相反，最终两股涡流生成乱流。这样泳衣就更加贴身，从而减小水的摩擦阻力，并可增加运动员在水中的稳定性。再如高尔夫球上的凹痕的作用，人们发现表面粗糙的球比表面光滑的飞得更远。凹痕使得球体周围的气流附着的时间更长，从而减少了形成阻力的空气湍流，增加了飞行距离。

      我国江苏工业学院油气储运工程中心水力学实验室目前正在对“顺流向的V形沟槽减阻”进行效能研究，在V形沟槽面的表面阻力测量实验中获得了最大6%的减阻效果。受原中国石油天燃气管道局的委托，江苏石油化工学院前几年开展了“管道内壁改性降低输油摩阻”的可行性研究，从传统的流体力学理论出发，在油田集输管道和输气管上加内衬涂盖层等研究内容，用Φ9新无缝钢管与F46(聚全氟代乙丙烯)管进行输水对比试验，用Φ23憎水与不憎水玻璃管进行输水、输羧甲基纤维素溶液、输甘油对比试验，用Φ22新无缝钢管与F46管进行输水、输油(30号汽油、机油和N7号机油)对比试验。结果表明，在相同的条件下，内壁改性的管道其水力摩阻减少，水力坡降和阻力系数均降低。我国天津大学力学系近年也开展了柔性壁减阻、人工沟槽减阻技术的探索性研究，并采用激光测速等先进试验手段进行实验。另据资料介绍，日本使用直径50.8mm、管内侧刻有“V”字形沟槽的氯乙烯管作试验，空气流速为1.5～13.0m/s，研究表明，有沟槽的管子确实比无沟槽的管子空气阻力小，阻力系数最小的是沟深0.435mm、沟宽1.774mm的管子。这种管子可使气体、液体多输约10%，在同等的条件下，可节约管输成本10%。

      上述的诸多界面减阻的例子说明，大自然中界面减阻的方法与客观规律很多，隐藏在人们的意识之外而没被人们充分认识与了解，还有待人们去发现、去利用。

      输气管道减阻增输技术现状

      有效地降低摩擦系数的一种途径是向管道内壁涂敷内涂层以获得相对光滑的内表面。天然气管道的减阻，目前已知的、应用的都是化学方法，即内涂层技术。天然气管道减阻剂(DRA)的研究应用，典型的例子是，美国Chevron石油技术公司(Chevron   Petroleum  Technology  Co.)在墨西哥湾一条长8km、直径152mm的输气管道上进行了天然气减阻剂的现场试验。结果表明，输量可提高10%～15%，最高压力下降达20%。这种减阻剂的主要化学成分是聚酰胺基。通过注入系统，定期地按一定浓度将减阻剂注入到天然气管道中，减阻剂可在管道的内表面形成一种光滑的保护膜，这层薄膜能够显著降低输送摩阻。但Chevron研制的这种天然气管道减阻剂在管内使用寿命是有限的，经过一定的时间后，薄膜会自行脱落，减阻效率亦会随之降低，现场试验表明，DRA的有效期可达400h。

      法国在降低输气管道中气流阻力的技术研究方面，在研究克服输气管道内压损失的途径方面，利用激光的方法，使之形成脉冲流。他们发现单根管段的水力粗糙度通常是约20μm，然而在生产使用中，由于流体的复杂组分，此种粗糙度可能会超过50μm，相对于高雷诺数的光滑管壁，阻力系数将增大40%以上。最新检索到的石油科技文献显示，法国石油学会(IFP)正在评价和研究与该技术相关的空气动力学性能。输气管道的压力损失，特别是由于管壁粗糙使阻力系数受到强烈影响，致使雷诺数增大的情况，而这种情况又会造成相对高的运营费用。

      综上所述，有效地降低摩擦系数的一种途径是向管道内壁涂敷内涂层以获得相对光滑的内表面。其他一些技术也可用来进一步降低因管壁低于理想光滑面所要求的条件而导致的摩阻。下述是几种可利用的先进技术：

      1.特殊结构形成的表面(螺旋状结构表面)；

      2.多孔/渗透性涂层；

      3.特种涂敷材料；

      4.涂敷润滑脂的管壁；

      5.柔性涂层；

      6.使之形成脉冲流；

      7.使之再层流化；

      8.粒子注射。

      法国在该专业技术方面的研究，系统、全面并卓有成效，代表了当今世界的最先进水平。据资料介绍。该国是利用激光装置产生脉冲流的。但成本是一项很大的挑战。迄今还没有发现一种已投入应用的、物理的、低成本的减阻增输方法。

      正是受到“输气管道脉冲流可降低管壁摩阻”的启发，我国石油科研人员正在试验研发管道脉冲流减阻增输技术，对该技术进行攻关，并取得了重大进展。目前已完成了旁通试验与主输气管道试验。现场工业试验表明，脉冲流减阻增输器在输气管线上减阻增输的效果相当好(与化学减阻增输技术呈现出的增输特征完全相同)。该管道增输器是根据空气动力学理论设计的，充分借鉴了吴云鹏教授的脉搏波高效传输原理及廖振方教授的微观振动减阻理论，只需在输气管道的适当位置安装管道增输器，不需要增加任何外加辅助装置，依靠增输器自身腔室的特殊几何形状和特定的边界条件，就可将连续气体流动转变成脉冲流，发生器的出口压力的幅值也有所增大，其出口压力的幅值可增大10%～35%。在不改变管道直径和安设增压站的条件下，管道增输器能显著提高管道的输气量，且增输器的制造费用低廉，无运动件，运行可靠，拆装简便，这种更加简单和廉价的技术，使得所有的天然气管道都能尽快投入使用成为可能。因此该技术推广应用价值较高，这就是其意义所在。

      天然气管道施加内涂层后的增输率

      通过对油气管道减阻增输机理的研究，可对油气管道的减阻技术进行分类。各种减阻增输措施可分为两大类，一类是减小du/dry处流体的粘度或当量粘度，例如，加热、添加降凝剂或减粘剂、乳化、悬浮、磁化、低粘液环等，具体有：降粘输送(加热、添加降凝剂、热处理、添加降粘剂、去蜡改质*、裂化改质*、微生物降解*、磁处理*、压力处理*、微波处理*、超声波处理*等)、掺稀输送(稀释、乳化、悬浮、气饱合*等)、低粘液环输送(水环、稀油环*)；另一类是降低湍流附加应力，特别是降低管壁附近的湍流附加应力，(即抑制径向脉动)，例如，添加减阻剂、施加内涂层及弹性膜(即注入柔性单长链高聚物、形成弹性壁面)、注入高聚物*等。其他的减阻原理，如增大管道通径，石油管道包括清管器清管、大排量冲洗、避开析蜡高峰温度区，天然气管道则包括清管器清管、干燥天然气、加入化学剂、降压。石油管道的壁面改性*，其机理属于流体相对壁面滑动。因此，输送工艺可划分为：降粘减阻增输、抑制径向脉动减阻增输、壁面改性减阻增输、减少壁面沉积物增输这四大类。针对天然气管道，“使之形成脉冲流*”的减阻机理就是属于第二类的，即通过抑制管壁附近的径向脉动来达到其减阻的目的。(注：*是尚处在理论研究、室内试验或现场试验阶段的减阻增输技术。)

      一般裸管的绝对当量粗糙度为20～50μm，施加内涂层后的绝对当量粗糙度为5～10μm  ，取其平均值(δ=35μm，  δ涂=7μm)，可计算天然气管道施加内涂层后的增输率。通过对天然气管道增输率的研究发现，增输率随管径和雷诺数的变化有如下规律：对于同一条管道，增输率随雷诺数或输量的增加而提高；当雷诺数相同时，增输率随管径减小而提高；对于大管径(2r0≥500mm)天然气管道，当Re＜105时，增输率小于1%。在5×105＜Re＜5×107范围内，增输率明显地随Re增加而提高。一般天然气干线管道的雷诺数为106～107，采用内涂层后增输率一般为4%～8%。对于管径为500～1400  mm的天然气管道，其增输率约为2%～11%。顺流的V形沟槽面有明显的减阻效果。这是20世纪60年代NASA兰利研究中心的Walsh等人通过实验发现的。据近期的文献介绍，我国江苏工业学院油气储运工程中心水力学实验室，借助热线风速仪(HWA)和激光多普勒(LDV)分别对V形沟槽面形状参数(高度、间距、夹角)以及沟槽湍流边界层的湍动特性，猝发特性、频率以及条带结构进行了有价值的研究。他们利用PIV实验技术，得到了最大5.89%的减阻率。现场试验初步测试，脉冲流增输器的增输率约为2.4%，减阻率约为5.0%。这是一个不错的减阻效果，是一个惊喜的发现，意义重大。

      综上所述，界面处理减阻是新兴的前沿技术。基于仿生学原理及有关先进理论，研究和开发界面减阻技术，降低能耗，提高效率，具有很好的发展前景。界面减阻技术也是当今国际研发与应用新技术新动向之一。加强和重视界面减阻技术研究，具有重要作用与意义。广泛采用内涂层减阻技术，提高输送能力，是国外输气管道技术当前发展的特点之一。