第二章 蜡沉积的机理和影响因素
实验室条件下的流体环道实验大多为层流,影响沉积的主要机理是分子扩散。在正常操作条件下,期望在现场管道中紊流流动,此时除分子扩散外的其他机理可能会占主导地位。下面对分子扩散、剪切弥散、布朗扩散、剪切剥离、重力沉降、颗粒扩散、惯性效应及老化机理进行简要描述。 2.1蜡沉积的机理
管道上的蜡沉积，来自原油中的蜡结晶与胶质，沥青质，部分原油及其他杂质沉积在管道内壁上，增大原油摩阻，减小有效水头，降低管道输送能力。
蜡沉积的机理主要包括剪切弥散，分子扩散，布朗扩散和重力沉降。分子扩散和剪切弥散使蜡沉积增强，重力沉降和布朗运动对蜡沉积的影响较小。1980年，Bern等人在对稳定原油研究的基础上认为，分子运动是造成蜡沉积的主要原因。1981年，Burger等人通过实验及理论分析，确定分子扩散，布朗运动，重力沉降及剪切弥散是造成蜡沉积的主要原因，其中分子扩散和剪切弥散是导致蜡沉积的最主要因素，重力沉降和布朗运动对蜡沉积没有特别明显的影响。Burger等人还提出了基于分子扩散和剪切弥散的蜡沉积速率计算模型。Hamouda等人认为，剪切弥散对蜡沉降有影响，分子扩散对蜡沉积过程起主要作用，这时可以忽略剪切弥散对蜡沉积的影响，并建立了蜡沉积模型。Brown等人认为剪切弥散对蜡沉积没有影响。
黄启玉等人的环道实验，测试没有温差或者温差很小时是否有蜡
沉积析出，这时分子扩散不起任何作用，蜡的沉积完全是完全是剪切弥散的作用。该实验的结果是管壁无蜡沉积，否定了剪切弥散对蜡沉积的影响。2008年，Akbarzadeh等人指出颗粒扩散，惯性作用，剪切剥离及老化都会对蜡沉积产生影响，他们认为在实际输送条件下，颗粒扩散和惯性效应对蜡沉积将产生重要影响。
现在较为一致的观点认为分子扩散是管壁沉蜡的主要原因，重力因素，剪切弥散对管壁沉蜡的作用可以忽略。很多学者认为布朗扩散对蜡沉积的影响很小。 2.1.1分子扩散沉积
分子扩散沉积是含蜡原油中蜡沉积的主要机理之一。浓度梯度是分子扩散沉积的驱动力，这种浓度梯度是由于温度梯度的存在而建立起来的。原油在管道流动时，生产油管中部的饱和原油温度最高，溶解的石蜡浓度较大，而靠近管壁一侧的温度较低，溶解的石蜡浓度较小，因此,溶解的石蜡将向输油管的管壁扩散。一般情况下，原油在管道流动中，周围环境温度低于油温，管内油流被冷却。当管壁温度达到蜡析出温度时，由于扩散而引起的质量交换将使石蜡的浓度甚至超过溶解上限,出现这种情况时,析出的石錯粘附在生产油管的内壁上,进而形成石蜡沉积块。在原油体系内部与壁面间蜡浓度梯度的推动下,溶解于原油中的蜡分子以分子扩散机理向壁面迁移,浓度梯度促使蜡分子径向扩散,即分子扩散或浓差扩散,这种扩散符合Fick定律,即:
式中
d𝑊𝑚dt
d𝑊𝑚dt
=ρ𝐷𝑚A
dr
dC
----分子扩散速度(𝑚2/s);
ρ—蜡密度(kg/𝑚3);
𝐷𝑚 ——蜡分子扩散系数(𝑚2/s);其中𝐷𝑚=.,其中B为常数, μ为动
𝜇𝐵
力粘度(Pa·S)；
15
式中√𝑑4------15度时原油的相对密度；
A------蜡沉积表面积（𝑚2）；
dCdr
----径向浓度梯度（1/m）；
r-------管壁半径（m）；
蜡分子在原油中的扩散系数只与原油粘度相关,粘度越小,温度梯度越大,蜡沉积速度越快。径向温度梯度增大,錯分子扩散速度也变大,结錯速度相应增加。
扩散机理引起的錯沉积主要发生在高温I即油温在原油析蜡点以上而壁温低于析蜡点的情况下。 2.1.2剪切弥散下的蜡沉积
在油流的剪切作用下,速度场中的錯晶粒子除了沿流线方向运动,还会以一定的角速度由髙速处向低速处迁移,并最终在壁面上停止不动(壁面油流的剪切作用基本为零)。赌晶粒子借分子间范德华力向管壁运动并沉积于管壁上的过程即为剪切弥散。
原油呈层流状态时,流体中任一位置的蜡分子浓度基本一致,但在原油为瑞流状态时,流体存在速度梯度,油流剪切效应开始起作用,中心油流速度最大,由于分子间范德华引力蜡晶由输油管中心处向油壁处迁移并最后沉积于管壁上。若原油流速增加到足以破坏蜡沉积时,由于冲刷作用,蜡沉积将会减少。一般情况下,原油粘度越高,流速越
低。输油温度对粘度也有影响,同一种原油的粘度随着油温的升高而降低。剪切作用下,蜡沉积的快慢与剪切速率成正比。
式中
d𝑊𝑗dt
d𝑊𝑗dt
=ρ𝐷𝑗A
dr
dC
-----剪切扩散速度(𝑚2/s);
𝐷𝑗 ——蜡分子扩散系数(𝑚2/s);其中𝐷𝑗=0.1𝑟2τ𝐶𝑣; A------蜡沉积表面积（𝑚2）；
dCdr
----径向浓度梯度（1/m）；
r-------管壁半径（m）； 2.1.3布朗运动下的蜡沉积
当微小的固体蜡晶悬浮于油中时,它们会受到热搅动的油分子持续冲击。这样的碰撞会使悬浮的颗粒发生轻微的随机布朗运动。这些颗粒存在浓度梯度时,布朗运动会导致一种类似于扩散的网状输送。由于布朗运动的作用,蜡分子从浓度高处向浓度低处迁移,形成布朗扩散。布朗扩散产生的蜡晶分子的横向迁移,可以向湍流中心迁移,也可以向管壁迁移,但相比其他两种机理布朗扩散所形成的蜡沉积远小于Fick扩散或者剪切弥散作用,故本文对其忽略不计。
其径向迁移速度为: 式中
d𝑊𝑏dt
d𝑊𝑏dt
=ρ𝐷𝑏A
dr
dC
-----布朗扩散速度(kg/s);
𝐷𝑏 ——布朗扩散系数(𝑚2/s);
Buger等人指出了因剪切分散和布朗扩散引起的蜡沉积速率为： 𝑊sb=𝜌𝑟（𝐷𝑏+𝐷𝑠）（
dCdr
）
𝑤
𝑊sb−−−因剪切分散和布朗扩散引起的蜡沉积速率 𝐷𝑏 -------布朗扩散系数 𝐷𝑠 -------剪切分散系数 （
dCdr
）-----壁面处蜡晶浓度梯度
𝑤
Burger等人根据一系列假设进一步指出，𝑊sb与壁面处的剪切速率𝛾∗成正比，与壁面处蜡晶浓度𝐶∗成正比，即 𝑊sb=𝐾∗𝐶∗𝛾∗ 式中𝐾∗---沉积速率常数
在此处键入公式。
综上所述,温度高时,分子扩散为赔沉积主要作用;温度较低且流量较大时,剪切弥散为蜡沉积主要原因;布朗扩散使蜡晶粒子作横向迁移,产生的错沉积十分微小可以忽略不计。
因此,本文主要研究分子扩散下的原油錯沉积,估算出蜡沉积速度。 2.1.4重力沉降下的蜡沉积
析出的蜡晶比油相密度更大,因此重力沉降可能是导致沉积的原因之一。然而研究结果表明,重力沉降对沉积总量并无显著影响。一些学者指出,剪切弥散会使流动中沉降的固体再次分散,并由此消除了重力沉降的影响。
Burger等人认为，在高温和高热流条件下，分子扩散起主要作用，而在温度较低和低热流的情况下，剪切弥散是引起蜡沉积的主要机理布朗扩散和重力沉降与以上两个机理相比较，影响要小得多，特别是在流动条件下。
Bern等人认为蜡沉积的两大机理，即分子扩散和剪切弥散。他们还指出，影响剪切分散的参数可能为管壁处的剪切速率，原油的蜡含量及蜡晶的大小和形状。Weingarten等人赞同Burger等人的观点。认为剪切分散其主要作用，并在其自行研制的扩散沉积实验装置和剪切沉积实验装置上进行了验证。
Brown等人认为剪切分散不起作用，理由有两点。一是在恒定的温度条件下，对不同原油进行多个剪切速率的沉积实验，结果表明蜡沉积速率随剪切速率的增加而减少，与Burger等人给出的关系式相反；二是在零热流下进行蜡沉积测试，Brown等人认为，在此种条件下，分子扩散不起作用，而剪切分散不受影响，测试结果是没有蜡沉积。
与Brown等人持有相同的观点的还有Majeed等人和Ribeiro等人。他们认为管壁处的蜡晶浓度比管中心的要高，蜡晶会背离管壁向管中心迁移。
Hamouda等人通过实验发现，在小剪速范围内，蜡沉积速率随剪切速率的增加而增加，仅当剪速足够大时，蜡沉积速率才随剪切速率的增加而减少，这其中牵涉到油流对沉积层的冲刷作用。无疑，剪速越大，蜡晶的分散速率越快，而油流对沉积层冲刷作用也越强。实际的蜡沉积速率是这两种相反作用的动平衡值。 2.1.5颗粒扩散下的蜡沉积
在流体流动过程中,錯颗粒的存在使沉积过程复杂化。其复杂性及缺少实验证明是通常在沉积模型中忽略油管中颗粒扩散的原因。该假
设在层流中可以接受,但在紊流中,大润流及游祸中包含的赌颗粒会撞击管壁并轻易穿透边界层。 2.1.6惯性效应下的蜡沉积
假设紊流漩涡携带的蜡颗粒在紊流和布朗扩散的结合作用下向临近管壁的更平静区域迁移。紊流游润消散但颗粒由于惯性作用继续向管壁运动,最终会沉积在管道表面。颗粒越大,其惯性效应越明显,并且由惯性效应所导致的颗粒沉积速率越快。具有较大惯性的颗粒会到达管壁并粘附在上面。颗粒是否会粘附在管壁上取决于剪切作用、颗粒尺寸及沉积粘合强度。 2.1.7剪切剥离下的蜡沉积
沉积厚度随时间增加会导致管道有效内径减小,恒定流量时,管内流速增加会导致管壁剪切应力的增加。如果在沉积接触面上由流体流动施加的剪切应力足够高,那么部分沉积会被机械清除。塔尔萨大学的研究结果表明层流实验中沉积物较厚处的剪切速率较低。Hsu等人(1994)得出结论,紊流条件下由剪切作用移除沉积物对錯沉积速率有显著影响,此时剪切剥离不容忽视。 2.1.8老化
老化机理使沉积物的硬度随时间增加而增大。管壁处沉积的蜡将油圈闭在蜡质网状结构中。重质分子穿过圈闭的油扩散进入沉积的凝胶结构,而被圈闭的油在逆扩散作用下从沉积物中扩散出来。这导致沉积物中固体錯组分增加,从而使凝胶结构的硬度随时间的增加而增大。
2.2蜡沉积的影响因素
原油温度，原油与管壁的温差，流速，管壁的材质以及运行时间，原油的组成都对管壁的结蜡有影响。而且这些因素共同作用于实际运行管道的蜡沉积的影响。 2.2.1温差对结蜡的影响
当管壁温度低于析蜡点温度时，随着管壁温度与原油之间的温差愈大，蜡分子浓度梯度就越大，使分子扩散作用增强。利用Fick扩散定律变形加以描述：
dGdt
=𝜌𝑊𝐷𝑚
dCdr
=𝜌𝑊𝐷𝑚
dCdTdTdr
当管壁温度高于原油温度时，即使油温在蜡沉积高峰区内，因浓度差的存在，使得蜡分子运移的方向为管壁趋向中心油流，管内壁也不会产生蜡沉积。
2.2.2原油温度对管壁结蜡的影响
在原油输送过程中，油温接近析蜡温度较高时，或接近凝点较低时，管道中的结蜡现象较轻，但蜡沉积较严重在两者中间的温度区域内。根据蜡沉积的机理可以解释这种现象的原因：沉积在油温较高的管段的结蜡量不多，这是因为管内壁温度较高，管内壁温度与油温都比较高，蜡分子的浓度梯度比较小，蜡分子在油流中间向管壁处迁移的动力较小，与此同时，由于管流的剪切应力较大，原油粘度较大，作为蜡沉积过程第一步的沉积层表面凝油层易被冲刷掉。 2.2.3流速对管壁结蜡的影响
流速对管壁结蜡的影响主要表现为：随着流速的增大，管壁蜡沉
积速度减弱。随着流速的增大，原油与管壁的温差减小，管壁处剪切应力增大，紊流时的蜡沉积比层流轻，Re数越大，蜡沉积越小。这都是减少蜡沉积的原因。 2.2.4管壁温度对结蜡速率的影响
当原油温度一定时，结蜡速率随着管壁温度的下降逐渐增大。另外，在管壁温度接近或超过原油析蜡点的管壁温差约5度时，结蜡速率逐渐下降。在管壁温度相同时，随着油壁温差增大，即管输原油温度升高，蜡沉积速率逐渐增大。这是因为原油温度升高时，油壁温差增大，形成有利于蜡沉积的径向温度梯度，结蜡速率就逐渐增大。当原油温度相对较低时，虽然蜡沉积颗粒比较多，但是由于低碳分子所占比例比较大，沉积的概率比较大，低碳原子的粘附力都较小；原油温度低且管壁的剪切应力和原油粘度都比较大，致使沉积的蜡被冲刷掉，使蜡沉积速率偏低；当管壁温度接近凝固点时，结蜡速率不断上升。
除此以外，原油的组成，管壁的材质以及运行时间都会对管壁结蜡产生重要影响。
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