（中国石化销售有限公司华南分公司）
摘要：减阻剂在注入成品油管道后，因为已影响了流体流态，常用的摩阻计算公式不能准确计算出管线压力，本文以西南成品油管道茂名至玉林段为试验管道，研究减阻剂对成品油管道摩阻的影响规律，并校核出切实可用的摩阻计算公式。
一、前言
近年来，我国的成品油管道事业取得飞速发展，已建成的成品油管线已达到1W多公里，由于部分管线建成年代已久导致设备老化，而当地市场成品油需求量逐年增加，现有成品油管线已逐渐无法满足管输要求，新建管道耗时耗力，而加注减阻剂作为管道增输提量性价比最高的手段，已逐渐在各段成品油管道上投入使用。
西南成品油管道作为国内管线最长的成品油管线，已熟练运用减阻剂作为管道增输降耗的手段多年。经过实际应用发现，成品油管线在加注减阻剂后，用原始的油品流动阻力公式计算管线某点压力时和实际值相差较大，特别在减阻剂加注浓度或管输流量较大时，这一差值更大，根据伯努利方程，在高程差一定的情况下，管线两点压差值只与管线摩阻有关，可推出加注减阻剂后，管道摩阻的变化已不能用原有阻力公式来进行计算，摸清管线摩阻变化规律并校核出适用减阻剂加注管道的摩阻经验公式，对外线带压施工、运行工况优化、异常压力排查等常规管道生产任务具有不可或缺的作用。
二、减阻剂的减阻原理
减阻剂是一种能减少流体在输送时所受阻力的试剂，分为水溶性减阻剂和油溶性减阻剂。在成品油管线中多用油溶性减阻剂，在实际应用中，只需在管线中注入微量的减阻剂，便可获得明显的减阻增输效果。其减阻原理经过前人多次实验研究，已有较科学的解释说明。
最新的研究结果表明，减阻剂在加入流体管道后，并没有减少油品粘度，而是靠改变流体流态来实现减阻作业的，南输成品油管线减阻剂实验已经证明这一点（文献1）。因为减阻剂是一种高分子聚合物，具有很大的分子量，在物理形态上表现为长链分子，在流体管线中，减阻剂通过特殊注入头注入流体后，能有效的限制油品分子的径向运动，使之沿减阻剂长链分子方向运动，即沿管线方向运动，从而有效的减小流体的紊流程度。从流体力学公式可知，层流趋势越高，摩阻系数越小，减阻剂因此大幅降低了流体阻力，增加了管线输量。
根据文献2所述的减阻机理，减阻剂摩尔质量需要大于 才具有减阻效果,且摩尔质量越大,减阻率越高,因此在实际应用过程中,保证减阻剂不降解才能最大化的利用其效果,而高速剪切是减阻剂分子降解的主要原因。由于流体边界层是剪切速率最大的区域，所以在输油管道系统中，最强烈的剪切发生在离心泵的叶片表面和过滤器的栅网附近，其次是管壁发生局部形变的地方，例如阀门、弯头、变径管等，再次是直管段的壁面附近。
三、试验管道的适用条件
由上述减阻原理可知，减阻剂一定程度上已经改变了管线流体流态，所以运用常规的沿程摩阻计算公式已经不能准确的计算出管线摩阻，需要对原有公式进行校核。但在校核前，还需保证管道流体具备以下条件：
（1）管道流体必须处于紊流流态。减阻剂是通过减小紊流程度来降低摩阻的，在流体处于层流流态时，失去减阻作用。
（2）管道流体不可经过高速剪切。即不可通过主输泵、截断阀、弯头等区域，过多的剪切会使减阻剂摩尔质量逐渐减小，当其摩尔质量小于 时，减阻剂的减阻功能将失效。
试验管道及流体必须满足以上两点，才能使减阻剂发挥应有的减阻作用，从而真实的判断减阻剂对管道摩阻的影响，并校核出切实可用的摩阻计算经验公式。根据现有情况，选用茂名至玉林段成品油管道作为模版来进行校核试验。
四、管道实验数据
茂名至玉林段成品油管道地跨广东、广西两省区，全长161.086km，管道外径508mm，壁厚为7.1mm，中间设有六座截断阀室，起始站静压头约-52.75m。为了增输降耗，该管段于2007年起便开始在柴油介质中加注减阻剂。
试验时管道输送V0#柴油,其运动粘度约为3mm2/s,茂名站加注贝克休斯牌的减阻剂，加注浓度分别为4.5ppm、5.0ppm、5.5ppm,外输流量在900m3/h～1250m3/h之间，根据雷诺数计算公式 ,可算出试验管道运行时雷诺数Re约为2.1× 至2.3× ，处于紊流水力光滑区。因减阻剂加注一定时间后，其效果会不断衰减，为了实验的一致性和准确性，实验所取数据以减阻剂开始充满管道后的两个小时为准,取茂名外输流量、茂名站出站压力、玉林站进站压力进行对比,最终得出实验结果，具体实验所得数据如下表所示:
注：表格中的管道摩阻值为两站压差加上起始站静压头-52.75m所得。
计算油品摩阻的常用公式为列宾宗公式：
其中h—管线摩阻（m）；
Q—流量（m3/s）；
—油品粘度（m2/s）；
d—管线内径（m）；
L—管线长度（m）
在流体流态处于紊流水力光滑区时，A值取0.3164，m值取0.25，因为柴油在添加减阻剂后，降低了紊流程度，但大致还是处于水力光滑区的范围，A值可0.3164不变，m值反映的是紊流程度，其值越大紊流程度就越低，添加减阻剂后会发生改变，我们将通过实验数据来计算m值。
对于一条固定的管道，其L和d值是确定不变的，γ为 3.0mm2/s，带入L、d、A、γ值，可将列宾宗公式简化为：
将表1中的Q和h值带入上述公式，算出减阻剂不同加注浓度、不同流量下的m值，同时取m=0.25，算出不加减阻剂时管道的原有摩阻值，从而算出不同加注浓度、不同流量下减阻剂的减阻率，其计算结果如下所示：
根据表2所得数据，可以看出随着减阻剂加注浓度和外输流量的增加，减阻率和m值都相应增加，即减阻效果越来越好。这是因为根据雷诺数计算公式 ，管道和流体一定的情况下，流体流量越大，雷诺数越大，其紊流程度就越高，而减阻剂能减小流体紊流程度，所以理论上流量越大、加注浓度越大，减阻效果就越好。但是根据流体力学的基础知识，管道流体壁面切应力与雷诺数成正比，当雷诺数足够大时，壁面切应力的高速剪切作用开始使减阻剂分子降解，长链分子被“拉断”，使其摩尔质量逐渐减小，当摩尔质量小于 时，减阻剂将失去作用，所以存在雷诺数临界值，即当输送同一性质的油品时，外输流量超过某一临界值时，减阻率不再增加，减阻剂开始失去作用。西南管道当前最大外输流量为1250m3/h,根据实验结果，该流量未超过临界值。
五、试验管道摩阻校核
根据表2所得不同加注浓度、不同流量下的m值，分别对三种加注浓度下的Q和m进行线性回归，回归趋势如下图所示：
图1 4.5ppm时m随Q的变化
图2 5.0ppm时m随Q的变化
根据m—Q的回归公式，我们可大体算出在不同加注浓度下、不同流量下的m值，从而进一步计算出相应的管道摩阻值，与实际管道摩阻值进行对比，如下表所示：
根据表3比对数据可以看出，用m—Q回归公式计算出的茂名—玉林段管道摩阻值与实际摩阻值相差不大，误差率在±3%左右，可基本满足日常工艺的计算需要，其他管段如需校核可用同样方法。
六、结论
根据西南成品油管道茂名—玉林段的减阻剂试验，可验证减阻剂的减阻机理，并得出减阻剂在成品油管道中对管道摩阻的影响规律，即管道和外输油品性质一定时，在不超过临界外输流量的前提下，随着外输流量和减阻剂加注浓度的增大，管道摩阻的减小比率越来越大，减阻率越来越高。同时通过线性回归的计算方法，可较准确的校核出在不同减阻剂加注浓度下，管道每点的压力值，切实解决原有摩阻计算公式计算不准的问题，给外线带压施工等日常工作带来便利。
参考文献：
[1]王贺友，才德权，潘子嶓等，国产减阻剂在南输成品油管道上的应用及特性分析，油气储运，2004，23（7）：59-62。
[2]戴福俊，鲍旭晨等，成品油管道应用减阻剂研究，油气储运，2009，28（1）19-23。
论文作者:李森
论文发表刊物:《科技中国》2017年2期
论文发表时间:2017/5/3
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