【導(dǎo)讀】裝方法有一個基本概述。巨大的損失．也給生產(chǎn)和生活造成極大的困難。鋼管在自然條件下（大氣、天然水體、進(jìn)行的無謂的消耗。其根本原因鋼質(zhì)管道是因為處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，在上述條件。這一過程就是金屬的腐蝕過程。根據(jù)統(tǒng)計，我國鋼鐵年產(chǎn)量億噸．每年因。腐蝕而損耗6千多萬噸。差不多等于上海寶鋼鋼鐵總廠的年產(chǎn)量。腐蝕產(chǎn)物形成垢層，損失高達(dá)2800億元，比每年風(fēng)災(zāi)，水災(zāi)、地震、火災(zāi)等自然災(zāi)害的總和還要多。

　　

【正文】 英國凈元電子感應(yīng)防垢儀 英國凈元電子感應(yīng)水處理器通過主機在水中產(chǎn)生一個 頻率、強度都按一定規(guī)律變化的感應(yīng)電磁場，使水中成垢離子結(jié)合成大量的文石晶核，當(dāng)水中礦物質(zhì)含量超過水的飽和溶解度時，成垢離子就會析出并優(yōu)先生長在這些文石晶體上，這樣向容器壁析出水垢的趨勢被轉(zhuǎn)化成向懸浮在水中的大量文石晶核上析出，形成文石晶體。由于其粘附性很弱，懸浮于水中，容易被水流挾帶，從而達(dá)到防垢目的。而器壁上原有的垢在不斷的向水中溶解，成垢離子向器壁上的析出變成向懸浮在水中的大量文石上析出，原有粘結(jié)水垢逐漸溶解。由于溶解速度不均，垢變得疏松并脫落達(dá)到除垢效果。 （ 2） 韓國 World Magic 產(chǎn)品 為采用 PBI（ 聚苯并咪唑）材料的特殊永久磁鐵。不僅具有強磁場帶來的防垢效果，同時由于采用了 PBI 技術(shù)，使得產(chǎn)品磁場穩(wěn)定性較高。 （ 3） 德國 Scalebuster 產(chǎn)品內(nèi)部形成的鋅陽離子 （ Zn2+）溶化于水中，由于靜電的引力，周圍很多陰電荷離子（ Cl， NO3， SO42， PO43等） 向鋅的中心聚集。而且，聚集于鋅中心的陰電荷離子，形成帶有陰電荷的聚集，將周圍的陽電荷的離子，用靜電引力拉過來，形成很大的離子載體，暫時減少水中形成垢的 Ca2+和 Mg2+。通過這一軟化水效果，抑制垢的產(chǎn)生。除本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 垢器釋放的大量鋅 離子，對管壁上上硬垢具有緩使其軟分離水垢的陰陽離子結(jié)合，解散水垢組織。通過球狀粒子不斷敲打管壁內(nèi)水垢，水垢被慢慢清除掉，實現(xiàn)除垢效果。 在線評價測試方法 根據(jù)物理防垢儀的防垢原理，評價指標(biāo)確定為“加熱濃縮狀態(tài)”、“成垢離子變化”、“防垢率”三項主要指標(biāo)。上述三種物理防垢裝置機理均適合此類評價測試方法。 （ 1） 加熱濃縮狀態(tài)測試 水經(jīng)電、磁、超聲波等物理防垢儀處理后，可以引起電子激發(fā)，影響所析出沉淀的離子鍵，致使所生成的沉淀物結(jié)合強度低，不再是致密的結(jié)晶，而是像雪花那樣松散的堆積。由于沉積物和器壁的結(jié)合力很弱， 可不附在器壁上而隨水流沖走，處理后的水經(jīng)加熱濃縮后，析出的沉淀應(yīng)呈絮狀聚集在底部。如果裝置防垢效果差或無效，則容器壁上附著硬質(zhì)水垢。此方法最直觀反映防垢效果。 （ 2） 成垢離子變化 因物理防垢儀特有的性質(zhì)，經(jīng)過其處理的液體物理形態(tài)和化學(xué)性能有所改變，直接影響到溶液中離子的含量。 （ 3） 防垢率 防垢率測試采用現(xiàn)場掛片法，利用空白管段與試驗管段上掛片結(jié)垢量的對比確定垢率。實驗后期，取下掛片于 100℃ 烘干后稱量，測得結(jié)垢量和結(jié)垢率。 超聲波防垢的研究 采用加熱棒加熱， 20~70℃每五度取一個點。實驗是在鐵質(zhì) ，圓筒形，上邊有開口的槽中進(jìn)行，半徑約 35厘米，長 200 厘米左右，中間另有半徑 5厘米的中空鐵管，并與筒內(nèi)聯(lián)通。兩個加熱棒，鐵管內(nèi)外各一個，超聲防垢器在另一端。對水中離子的測定，均根據(jù)《油田水分析方法》進(jìn)行測定。 成垢趨勢的預(yù)測 有效防垢的前提除了掌握垢物形成機理和現(xiàn)場實際情況外，還需依靠有效的結(jié)垢預(yù)測技術(shù)。垢的預(yù)測對油田結(jié)垢的預(yù)防和治理是非常有必要的。此項研究是根據(jù)DavisStiff 飽和指數(shù)法和 Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法，結(jié)合現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)，來預(yù)測薩南油田的結(jié)垢趨勢。 計算所需的數(shù)據(jù)見表 41。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 表 41 預(yù)測所需數(shù)據(jù) PH Ca平均濃度（ mol/L） 總堿度（ mol/L） HCO3 的電離常數(shù) 碳酸鈣的濃度積 103 103 1011 109 DavisStiff 飽和指數(shù)法 Stiff 和 Davis 于 1952 年提出的穩(wěn)定指數(shù)法是預(yù)測油田水中 CaCO3 結(jié)垢趨勢較成功的方法之一。此法方便簡單，應(yīng)用較廣。 穩(wěn)定指數(shù) SI=pHpHs=pH（ K+pCa+pAlk） （ 41） pH 是水體系實測 pH值 ， pHs 是水體系中 CaCO3 達(dá)飽和時的 pH值， pCa 代表鈣離子濃度（ mol/L）的負(fù)對數(shù)， pAlk 代表總堿濃度（ mol/L）的負(fù)對數(shù)。即： pCa=lg[Ca2+]pAlk=lg[2CO32+HCO3] （ 42） K是與離子強度、溫度有關(guān)的常數(shù)， K=pK2pKsp，其中 K2為碳酸氫跟的電離常數(shù)；Ksp 為碳酸鹽的溶度積。 判斷標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng) SI0 時，碳酸鹽處于欠飽和狀態(tài)，不結(jié)垢；當(dāng) SI=0 時，碳酸鹽處于固液平衡狀態(tài)，無結(jié)垢趨勢；當(dāng) SI0 時，碳酸鹽處于飽和狀態(tài)，有結(jié)垢趨勢 。 根據(jù)表 41 數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算 pCa=lg[Ca2+]=lg[10 3] pAlk=lg[2CO32+HCO3]=pAlk=lg[10 3] pK2=lg[K2]=lg[10 11] pKsp=lg[Ksp]=lg[10 9] SI=pHpHs=pH（ K+pCa+pAlk） =(lg[10 11]+lg[10 9]lg[10 3]lg[10 3]) =0 可以看出，薩南油田水驅(qū) CaCO3有嚴(yán)重的結(jié)垢趨勢。 Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法 為了確定預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，再用 Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法對薩南油田水驅(qū)進(jìn)行 預(yù)測方程式如下： SAI=2pHspH=2（ K+pCa+pAlK） pH (43) 判斷標(biāo)準(zhǔn)： SAI6，無結(jié)垢趨勢； SAI6，有結(jié)垢趨勢； SAI5，結(jié)垢嚴(yán)重。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 SAI=2pHspH=2（ K+pCa+pAlK） pH =2(lg[10 11]+lg[10 9]lg[10 3]lg[10 3]) =6 由此可見，有結(jié)垢趨勢，且 SAI 值接近 5 說明結(jié)垢趨勢非常嚴(yán)重。經(jīng)過 DavisStiff飽和指數(shù)法和 Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法的預(yù)測，可見薩南油田水驅(qū)中 CaCO3結(jié)垢趨勢嚴(yán)重，已經(jīng)到了非治理不可的地步。 2021 年，為實現(xiàn)方便、高速、全方位地進(jìn)行防垢裝置技術(shù)效果評價，有利于進(jìn)行多種防垢技術(shù)綜合性篩選，研制防垢 在線實驗平臺。 （ 1）加熱濃縮狀態(tài) 目前公認(rèn)的定性、直觀的判斷防垢儀處理效果好壞的室內(nèi)試驗為“加熱濃縮狀態(tài)”，若處理后的水經(jīng)加熱濃縮后，析出 的沉淀呈絮狀聚集在底部，說明處理效果較好，如果裝置防垢效果差或無效，則容器壁上附著致密硬質(zhì)水垢。硬質(zhì)水垢為附著力強的方解石結(jié)構(gòu)，而松散狀沉淀為附著力弱的霰石結(jié)構(gòu)，不易附著在管壁上，即使附著，流速較快時也易被水流沖走。 經(jīng)過近 1 個月 3 個周期間斷加熱濃縮試驗，三種防垢裝置處理后水以及空白實驗水 均具有以下表觀現(xiàn)象： A項燒杯中，存在大顆粒沉淀物，有明顯沉積漂浮現(xiàn)象，搖晃燒杯底部有大量懸浮物。 B項燒杯中，有細(xì)微的漂浮物，且有少量粘結(jié)現(xiàn)象，搖晃燒杯底部有一些懸浮物。 C項燒杯中，有大量細(xì)小的沉淀物，呈沉積漂浮狀態(tài) ，搖晃燒杯底部有大量懸浮物。 D項燒杯中，底部不透明，沉積物粘結(jié)嚴(yán)重，搖晃燒杯有少量懸浮物。 從實驗效果來看， Scalebuster、英國凈元電子感應(yīng)處理后水質(zhì)具有較強的絮凝沉積作用，尤其 Scalebuster 實現(xiàn)了與其機理相對應(yīng)的大顆粒沉積物。 （ 2）成垢離子變化分析 每一批次防垢設(shè)備處理后水樣，過濾后放置在恒溫水浴中，間隔 0h、 1h、 2h、 3h、4h、 5h 進(jìn)行測試，從試驗結(jié)果可以明顯看出處理前后水中的成垢離子（ Ca2+）濃度變化趨勢，見圖 41。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 41 處理水中 Ca2+濃度變化對比圖 由圖 41可見，與空白試驗相比，經(jīng)三種物理防垢儀處理后的采出液中 Ca2+的含量在不同程度上都有所增加，說明三種防垢儀對成垢離子都有增溶作用，其中Scalebuster、英國凈元電子感應(yīng)防垢儀要比韓國 World Magic 增溶效果好；由圖中曲線可以看出 Ca2+含量隨著時間而減少，說明在脫離防垢儀的作用后，防垢作用在逐漸減弱，三種物理防垢儀的最佳有效性時間為 2h，根據(jù)現(xiàn)場流速 ，有效距離可達(dá)到 9800m，即在這段距離內(nèi)，成垢離子將在水溶液中保持較穩(wěn)定狀態(tài)。 階段性小結(jié) 通過物理防垢裝置在線評價 實驗平臺以及各類標(biāo)準(zhǔn)評價方法的應(yīng)用，較好地對不同機理的物理防垢裝置在油田應(yīng)用的適應(yīng)性進(jìn)行評價，實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計功能。而且通過此套試驗平臺，對以水質(zhì)離子化調(diào)整、提高成垢離子溶解性、快速結(jié)晶沉積等方面物理防垢技術(shù)評價提供了較好的試驗空間和適宜的評價程序，這也為今后全面解決油田地面設(shè)施結(jié)垢提供了寶貴的現(xiàn)場試驗經(jīng)驗。 超聲波防垢的研究 超聲波防垢也是一種新型的防垢技術(shù)，它具有投資小，處理水量大，自動化程度高，施工簡潔，對垢物類型無選擇等特點，對于降低減緩結(jié)垢速度，延長管道及設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備運行效率具有顯著 的經(jīng)濟效益。本實驗通過分析超聲波處理前后水中成垢離子的變化，來研究超聲波對 CaCO3成垢的影響。下面引用大慶油田采油二廠超聲波成垢離子實驗，研究超聲波對成垢離子的影響。 南 32站現(xiàn)場應(yīng)用分析 這個實驗的水取自南 32 站污水外輸泵出口處未處理水，然后加入過量碳酸鈉和本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 氯化鈣，以保證水中碳酸根離子和鈣離子的過飽和度。我們對有無超聲實驗進(jìn)行了對比，以了解超聲波防垢、除垢的效果。 （ 1）鈣離子討論 圖 42 在無超聲條件下，鈣離子濃度隨溫度升高的變化趨勢圖 從圖中可知未過濾的離子含量大于過濾的離子含量 ，并隨溫度的升高有靠近的趨勢，說明水中有微晶的存在，圖 42 無超聲鈣離子濃度隨溫度的變化且隨著溫升向沉淀或離子轉(zhuǎn)化。無超聲情況下，在 70℃ 時，過濾與不過濾鈣離子量非常接近，說明在這兩種情況下，微晶的含量已很少，大部分轉(zhuǎn)化為了沉淀。 圖 43 是在超聲作用下，鈣離子濃度隨溫度升高的變化趨勢，相比于圖 42，鈣離子濃度下降的程度小得多，微晶的量略有減少，說明超聲波在很大程度抑制了鈣離子向微晶轉(zhuǎn)化和微晶增長為沉淀的趨勢。延長了結(jié)垢誘導(dǎo)期，結(jié)垢速度非常緩慢。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 43 超聲波作用下鈣離子濃度隨溫度的變化圖 （ 2） 鎂離子討論 圖 4圖 45分別是有無超聲波作用的情況下，鎂離子的濃度隨溫度升高的變化趨勢圖。 兩組實驗中過濾與不過濾的差別不大，可知鎂離子基本不以微晶形式存在。單超聲情況下，鎂離子含量隨溫度升高的變化不大，說明由于超聲波的作用，鎂離子基本不隨溫升而產(chǎn)生沉淀以致結(jié)垢。無超聲在 55~70℃ 時，鎂離子量大量降低，開始沉淀并形成垢。 圖 44 無超聲鎂離子濃度變化圖 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 圖 45 超聲波作用下鎂離子濃度變化圖 小結(jié) （ 1）通過 DavisStiff 飽和指數(shù)法和 Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法對薩南油田水驅(qū)的預(yù) 測可知，薩南油田水驅(qū)中 CaCO3結(jié)垢趨勢嚴(yán)重，已經(jīng)到了非治理不可的地步。 （ 2）由防垢率可知，英國凈元電子感應(yīng)防垢儀和德國 Scalebuster 防垢儀對水驅(qū)的防垢效果較好，防垢率分別達(dá)到了 %、 %，而 World Magic 的防垢儀防垢率只有 %。 （ 3）超聲波具有活化作用，能增大成垢離子的溶解度，延緩了 Ca2+， Mg2+和 CO32的結(jié)垢誘導(dǎo)期。 （ 4）超聲波具有抑制效應(yīng)，使 CaCO3以微晶形式存在，抑制晶核生成速度和晶粒長大速度，延長結(jié)垢誘導(dǎo)期。 2. 高頻電磁水處理技術(shù)在采暖 系統(tǒng)阻垢防腐上的應(yīng)用 黑龍江大慶地區(qū)是屬于鹽堿地區(qū)，大部分換熱站采暖系統(tǒng)用水為井水或地表水，由于其特殊的地理結(jié)構(gòu)決定了用水硬度大、含堿度高，總硬度為 330～ 420mg/L（ 以 CaCO3計 ） ，總堿度為 370～ 440mg/L（ 以 CaCO3計 ） 。由于水的硬度堿度高，在采暖期內(nèi)，若不采取任何水處理措施，管板式換熱器一個月就要除垢一次，整個系統(tǒng)則每個采暖期就必須清洗一次，同時由于結(jié)垢嚴(yán)重，高效的板式換熱器根本無法使用，另外由于用水堿度大，設(shè)備腐蝕也特別嚴(yán)重。采用傳統(tǒng)的離子穩(wěn)定器、預(yù)膜法或化學(xué)投藥等方法費用都較高，一個 小的換熱站一個采暖期的費用就要十幾萬元，并且維護(hù)量大，管理困難。針對以上問題，目前大慶市部分換熱站嘗試在采暖系統(tǒng)中加裝高頻電磁水處理本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 器進(jìn)行防腐防垢，收到了良好的效果。 基本原理 高頻電磁水處理器通過換能器產(chǎn)生的高頻電磁場作用，在分子水平上改變水的物理特性，從而使其具有一定的阻垢除垢及防腐作用。 阻垢除垢原理 在高頻電磁場的作用下，水分子被激活形成偶極矩分子，對周圍帶電粒子的靜電引力增強，使水分子和水中的雜質(zhì)離子 （ 如 Ca2+、 Mg2+） 等，形成水合離子 [Ca（ H2O） 4]2+，這種水合離子的形成起著阻 垢除垢作用，因為 Ca2+、 Mg2+處于水分子的包圍中，不易形成水垢。另一方面，水合作用可以增強其溶解力，所以已經(jīng)形成的老垢會逐漸松散、剝落，達(dá)到除垢的作用。 防腐原理 水與金屬接觸產(chǎn)生的腐蝕，從原理上講是電化學(xué)腐蝕即“微電池效應(yīng)”，高頻電磁水處理器在特定的頻譜電磁場作用下，激發(fā)出大量電子，依據(jù)“附肌效應(yīng)”原理在水管內(nèi)壁形成動態(tài)的負(fù)電荷富態(tài)層，消弱抑制電化學(xué)腐蝕。同時水中 O2+e→ O2，由