天然气管道减阻剂国内外技术现状.pdf

第 4 2 卷 第 9期 2 0 1 3年 9月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V 0 ] ． 4 2 ．N o ． 9 S e p t e mb e r ，2 0 1 3 天然气管道减阻剂国内外技术现状 赵 巍 ，王晓霖 ，帅 键 1 ． 中国石油化工股份有限公司 抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 中闭石油大学 北京 ， 北京 1 0 2 2 4 9 摘 要天然气管输减阻剂减阻是一项新型的管道减阻技术，也是一种重要的管道增输方式。综述了天然 气减阻剂发展的国内外技术现状，包括减阻机理，国内外的发展，减阻剂的种类及其性能 ，产业化产品的现场 实验评价等，同时还指出了天然气减阻剂的适用范围和进行深入研究减阻剂的一些建议。 关键词天然气；管道；减阻剂；合成 中图分类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 3 0 9 1 2 8 0 0 5 Te c hno l o g y Re s e a r c h o n Dr a g Re du c i ng Ag e n t s f o r Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne s ZHA0 We i ， D WANG Xi 口0 一 l i n ， S H UAIJi ， z 1 ． S i n o p e c F u s h u n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m a n d Pe t r o c h e m i c a l s ， L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， Ch i n a ； 2 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 0 2 2 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Dr a g r e d u c i n g t e c h n o l o g y f o r n a t u r a l g a s p i p e l i n e s i s a n e w me t h o d o f d r a g r e d u c i n g for p i p e l i n e s ． I t i s a l s o a n i mpo r t a nt wa y t o i nc r ea s e pi pe l i n e tra ns p or t a t i on．I n t hi s p a pe r ，t h e t e c h nol o gy r e s e a r c h o n d r a g r e du c i n g a g e nt D RA for n a t u r a l g a s p i p e l i n e s w a s r e v i e w e d ， i n c l u d i n g me c h a n i s m，d e v e l o p me n t ， s o r t s a n d p r o p e rt i e s o f d r a g r e d u c i n g a g e n t s ， a n d e v a l u a t i o n o f i n d u s t r i a l p r o d u c t s i n t h e fi e l d e x p e r i me n t a t i o n ． Ap p l i c a t i o n s c o p e o f dr a g r e d u c i n g a g e n t s wa s d i s c u s s e d ， s o me s u g g e s t i o n a b o u t f u rt h e r r e s e a r c h o n dr a g r e d u c i n g a g e n t s we r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s ； P i p e l i n e ； Dr a g r e d u c i n g a g e n t ； S y n t h e s i s 管道是天然气的主要运输方式 ，具有输量大 、 成本低 、连续性好 、安全性高等优点。随着世界能 源需求的不断增加 ，天然气管道向着大 口径 、高压 力 、高效率的方向发展 ，但是管输天然气还存在一 些问题” 。 1 输量应变能力较差。管道应在设计 输量范围内运行 ， 如果超压运行 ， 其安全风险增高 ， 同时 ，能耗过大降低效益 ； 2 水力摩阻导致沿程 压降。管道输送存在摩擦阻力 ，造成沿程压降低和 能量损失 ，因此 ，长输天然气管道需设增压站 ； 3 季节性输量调节。一些地区对天然气的需求受季节 影响 ，需要具备输量调节功能； 4 介质的性质导 致安全问题 。如腐蚀 、 积液 、 冻堵等影响管道输送 。 减阻是解决上述问题的一种技术手段 ，通过减阻可 以 1 提高内壁光滑度 ，降低管道的摩阻，减少 能量损失 ，提高输送效率 ； 2提高输量弹性 ，在 不影响工艺条件的情况下 ，能够调节管道输量 ，满 足不同地区 、不同季节输气的需要 ； 3降压不降 输量运行 ，在输量不变的前提下 ，可适当降低输送 压力 ，对于长期服役 出现腐蚀或损伤 的管道 ，降低 事故风险； 4辅助功能，可以起到防止管道 内腐 蚀等作用 1 输气管道减阻机理 1 ． 1 输气管道的能量损失 输气管道输送气体流型一般为部分 湍流和完 全湍流 ，管输动力来源于压缩机提供的机械能 ，输 送过程 中包括势能和动能 ，管壁的摩擦阻力和气体 分子与管壁 的碰撞都会造成输气能量损失 ，即动能 和势能的损耗 。 输气管道减阻的目标是降低输气能量损失 。实 现减阻的原理为光滑减阻和弹性减阻。 1 ． 2光滑减阻降低管壁粗糙度 气体在粗糙点易发生涡流现象产生压差 ，即阻 力损失。粗糙度越大，阻力损失越大 。气体流量与 管壁粗糙度关系可由下式表示 0 ． 1 1 1 f 1 Q JP l 2 - P 22D - 5 ’ 由上式可知 ， 管壁粗糙度越大 ， 气体流量越小。 基金项 目输油管道完整性管理技术研 究，项 目号3 1 2 0 2 8 。 收稿日期2 0 1 3 - 0 7 2 7 作者简介赵巍 1 9 8 3 一 ，男，辽宁抚顺人，工程师，博士学位，研究方向添加剂与材料合成。E - m a i l z h a o w ． f s h y s i n o p e c ． c o m 。 笙 鲞 笙 塑 整 壅 竺 竺 篁 里 型 里 内壁光滑有助于消除径向脉动，降低压降和能 认为向气体管道中注射液体由于各种原因是不实际 耗 ，提高输气量 。目前普遍采用的降低粗糙度的两 的。2 0世纪 8 0年代 ，开始减阻剂的研究 。 9 0年代 ， 种方法有内涂层涂覆和添加减阻剂 。 气体管道减阻方法真正形成 ，开发了天然气管道减 1 ． 3 弹性减 阻形成弹性膜 阻剂产品。 管壁金属原子属于密堆积结构 ，气体分子在输 送过程 中与管壁发生刚性碰撞并产生涡流 。如果在 管壁表面附着一层弹性膜 ，并产生气 固界面 ，则可 大大降低气体分子与金属原子的刚性碰撞产生的能 量损失和涡流程度。弹性膜可光滑管壁，降低粗糙 度，还可抑制径向脉动强度。基于以上作用，形成 弹性膜 的化合物应当具有极性端和非极性长链端 ， 兼具光滑加弹性减阻的作用 。 通过管道涂层降低 内壁 的粗糙度 ，减少摩擦阻 力 ，使天然气更容易在管内流动 ，提高输送效率 ， 增加输量。2 0世纪 5 0年代后 ，内涂层减 阻技术在 长输天然气管道上开始大规模应用。 尽管 内涂层技术已应用 的很成熟 ，但仍存在着 一 些问题 1 大口径管道 内涂覆施工设备复杂 、 价格昂贵 ，一般采用施工前单管涂覆 ，施工时分段 组合 ； 2 管道组焊对内涂层 的质量产生影响； 3 管道投用后 ，存在 内涂层磨损和脱落等问题 ，内涂 层的检测和二次修补困难 。 1 ． 4 天然气管道减 阻剂减阻 2 0世纪 9 0年代 ，美国学者提出气体管道减阻 的概念和方法 。 将表面活性剂定期注入天然气管道 ， 极性端吸附于钢铁表面，形成弹性分子薄膜 ，达到 降低管壁粗糙度 ，实现减阻。 所谓减阻剂是能降低流体流动摩阻的添加剂。 所谓的减阻是管道 中的流体在恒定压降下 ，加入减 阻剂从而导致其体积流率的增加 ，或者在恒定体积 流率下 ，加入减阻剂使其沿程压降减小。经过 2 0余 年探索 ，天然气输送减阻剂研究取得较大进展 。 从结构上看 ， 减阻剂为表面活性化合物 ， 具有极 性端和非极性端。 极性端吸附金属管壁 ， 形成光滑薄 膜 ， 非极性端形成气固界面。需要适当长度柔性长链 结构，悬浮于气体介质中，吸收气体湍流能。因此， 减阻剂的极性端要与金属有较强的吸附力 ， 能够形成 连续且稳定的膜 ； 非极性端要部分填充管壁表面的沟 槽 、凹坑等细小缺陷，降低表面粗糙度；具有较好的 稳定性 、 成膜性和时效性 。同时 ， 减阻剂要对天然气 气质影响较小，对管道没有腐蚀作用 。 美国、 加拿大、 挪威等国研制了不同类型的天然 气减阻剂，基本上都是基于缓蚀剂、润滑剂 、防冻剂 类产品，即这些管道添加剂均具有减阻、 增输的辅助 作用 。表 1 中列举出了一些相关产品的信息。 表 1 国外用于减阻剂的添加剂 Ta bl e 1 For e i gn Addi t i v e s a s DRA 产品名称 产品来源 国家 国外研究表 明， 天然气减阻剂是降低管道摩阻， 提高输气量的一种有效途径 ，减阻产品多基于缓蚀 剂开发 ，且实验多针对集输管道 ，而针对于长输干 线天然气管道减阻剂未见报道 。 2 ． 2国内发展现状 我 国天然气管输减阻剂研究不到 l 0年 ，中石 油 、石油大学 、山东大学等机构和院所研发相关产 品和技术 ，并进行了工业试验 。目前 ，所开发的天 然气减阻剂样品大致可分为胺基和酰胺化合物 ，杂 环化合物 ，磷酸酯类 ，聚合物类和共混协效类 。 2 ． 2 ． 1 胺基和酰胺化合物 最 为典 型的减阻剂产 品为 中石 油开发的 B I B Ma n n i c h碱 ，其合成过程如下 首先 ，仲胺 、吗啉 与乙醛发生胺 甲基化反应 ，生成 Ma n n i c h碱 CH3 CHO HN R2 R1 c H2 一c H N H2 o ／一、 厂～ 、 C H 3 C H O l／N ⋯C H 2 C H 户 H 2 0 其次 ，丁二酸与 Ma n n i c h碱酸碱固化反应 l H ，2 C。 。O 。O H c n c n N 、O c “ 一 c n ． R 1 9 ， R c OHNCH CH qn 2 R c H2 _， ＼ 。 H N 、 _ 一 ／O CHCH， 2 国 内 外 发 展 现 状 其 中 荐 为R ,红 R色 2固C 4体H 9。 B IB 相 关 参 数 如 2 ． 1 国外发展现状 表 2所示。 1 9 5 6 年， A P I 提出气体管道减阻可能性， 但是 中石油进行了4 次 B I B现场加注实验 1 2 0 0 9年长庆油 田采气一厂雾化注入试验 管段长为 2 5 ． 7 k m，管道规格为 0 3 2 5 X 7 m m，输送 压力 5 MP a ，注入时间为 5 h ， 共注入减阻剂 4 0 0 L ， 减阻率 1 0 ％～ 1 3 ％， 有效期 3 0 d ，平均输送效率提 高 1 0 ％。 表 2 B I B相关参数 Ta bl e 2 Par ame t e r Of BI B 22 0 1 0年兰银线现场实验 测试长度 2 0 0 k m，减阻率 1 2 ％。 3 2 0 1 1 年沧州线实验 减阻率平均为 5 ％， 由于管道多年未清管 ，效果较差。 4近期 ，与中海油进行合作实验 。 B I B产品研发成功后 ， 相继又 出现了类似于 B I B 型的 Ma n n i c h碱 ，含苯甲醛类的产品 ， ，合成过程 如下 ． 一． R R t 一 量N R 1 ／ 一 ／ ， ， ＼ ≤ R 1 z 一H一 H O H 。R 一 R2 其 中 R l R 2 i s o C 3 H 7 Rl R 2 C 4 H 9 RI R 2 C 6 H1 l 该产品为白色固体，其吸附性能与成膜稳定性 良好 ，溶解性好 ，易于雾化。制备羧酸盐类低聚物 所需的原料常见 ，价格便宜 ，且合成产物的过程相 对简单 ，所有反应均可在常规条件下完成 ，对设备 的要求低 ，适合大规模的工业化生产。 类似的还有苯 甲酸型 M a n n i e h碱⋯ ，其合成步 骤如下 C H 3 C HO H N 一 一 一 c H 2 c R2 l H2 o c cH R1 -COOH 一 。H R2 OH OH c c RR ， 1 c 。 。 H一 一 。 ‘ 一 R2 该产品为黄 白色 固体 ，此产品为羧酸盐类 ，具 有良好 的溶解性 ，易于雾化成膜 。成膜性能测试表 明，处理后 的金属表面的粗糙度有了明显的改善。 2 ． 2 ． 2 杂环化合物 此类 反应的典型产品为咪唑啉类减阻剂 的合 成 ，如硬脂酸咪唑啉 ，油酸咪唑啉和松香酸咪唑啉 等 。其合成反应式为 RCOOH N H2 CH2 CH2 N HCH2 CH2 NH2 NH2 CH2 CH2 cH2 CH2 NH 2 COR c H 2 C H 2 N H R COR 其 中 R C ， s 一。 当 R为 C ， H 合成所得到的 产 品为硬脂酸咪唑啉， 当R为 C 。 H 时， 得到的产品 为油酸咪唑啉。 硬脂酸咪唑啉产品为淡黄色固体粉末 。S E M观 察处理后的铁片 ，如图 1所示 ，在铁表面形成一 层致密完整的膜 ，使铁片表面变得较为平滑 ，其表 面粗糙程度有大大降低 ，说明硬脂酸咪唑啉在钢铁 表面具有 良好 的成膜性能。室内环道测试 中，配制 成的硬脂酸咪唑啉的浓度为 8 g ／ L， 温度越高 ，成膜 性越好 ，减阻率越大 ， 成膜时间 1 h ， 平均减阻率为 8 ． 4 ％油酸咪唑啉为深红棕色粘稠液体 ，拥有咪唑啉 环与酰胺基两个吸附位 ， 而且拥有两个 C 的含 C C 键的烷基长链 ，因而该产品兼具优良的吸附性能与 非极性长链的填充能力 ，对金属壁面能够起到明显 的光滑平整效果 。 ■ ■ a 空 白钢片表面 b 成膜后表面 图 1 硬脂酸咪唑啉处理前后 S E M 图 Fi g． 1 SEM i mag e f or s t e ar i c ac i d i mi da z o l i ne be f o r e and a fte r e x per i me nt 亲核加成一 成环反应型的减阻剂产 品还有 三氮 唑类化合物 ，如胺基巯基均三氮唑 A A M TU 5 A 6 1 ， 其化学反应式如下 N H 2 N H 2 C S 2 N H 2 N H N H N H 2 H 2 S N H N H R C O O H 一一R 一 。 ⋯2 N H2 其 中 R C l 8 _ 2 4 ， c l 6 ， l 8 ， 1 9 ， 2 2 ， 2 4 ， 2 3 2 1 2 8 4 当 代 化 工 2 0 1 3年 9月 范围广泛。对于满负荷运行的天然气管道 ，为了保 障管道安全运行 ，应用减阻剂减阻是一种有效的途 径 ，但不适用于所有 的管道；北方等地区由于气候 原因，对天然气管道 的输送需要进行季节性调峰， 开发并应用减阻剂减阻技术是很好的选择 ；节能降 耗是化学 、化工企业所追求 的目标 ，中石化作为大 型石油化工企业 ， 有必要研发并应用天然气减阻剂 ， 以保证天然气的输送达到节能降耗的 目的。减阻剂 减阻技术是一种 比较新颖的 、有潜力的节能增输技 术 ，应该对其进行开发研究 。 尽管我国对天然气减阻剂的研究 已有近 1 0年 的时间 ，但 目前还存在一些 问题 1 减阻机理方面目前虽然从不同角度提出 了减阻剂的减阻机理 ，但 尚未形成系统的理论和公 认的合理解释，大多借鉴于有机缓蚀剂的机理。 2 分子结构设计方面 极性端 的吸附能力和 非极性端的柔性是减阻剂发挥作用的关键 。吸附能 力 、耐久性 、减阻效果 ，都与极性端和长链结构个 数和大小有关 。 3 评价方法方面目前的室内环道评价系统 中，测试管道为小 口径直管 ，评价方法和分析结果 的可靠性需要验证和改进 。 4 现场应用技术方面 目前现场测试规模小 、 周期短 ，有效距离 、减阻率和增输率的评估方法需 要深入研究 ，而且没有大 口径管道现场实验。 以上都有待于我们进行更进一步的研究。 为此 ， 提出几点在今后研究工作当中的建议 1 掌握减阻机理是设计并合成减 阻剂的前 提 ，同时也对减阻剂的应用和施工工艺起到一定的 导向作用。因此 ，深入研究并掌握天然气减阻剂的 减阻机理对于今后工作的开展是极其必要的。包括 量子化学计算 ，分子力学和动力学模拟 ； 2 为了改进现有一些减阻剂在管道内壁的成 膜性 、稳定性和溶剂配伍性较差的缺点 ，有必要开 发多极性端 、 多柔性链和适当链长的天然气减阻剂 ， 以提高减阻剂的成膜性和减阻效果 。 3减 阻剂的性能评价是认证减阻剂性能的一 个重要过程。全面系统的表征减阻剂的性能 ，对评 价方法进行系统的研究是很有必要 的。 4 为了满足大 口径天然气管道减阻增输 的需 求 ，有必要对大 口径管道的加注装置和工艺 、现场 检测和评价方法进行深入探讨 ，使天然气减阻剂不 只是局限于在集输管道中的应用。 参考文献 [ 1 ] 关中原．我国油气储运相关技术研究新进展lJ 1 ． 油气储运， 2 0 1 2 ，3 l f l 1 I - 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