界面減阻的概念

      我國著名輸油工藝技術專家羅塘湖說：“在管道輸送節能挖潛方面，還有未開墾的處女地。具體來說，就是還沒有真正在管子本身作文章，還沒有真正涉足管輸工藝的一項前沿技術——界面減阻。”

      界面減阻技術涉及仿生學原理及知識。海豚和鯊魚都能在海水中高速游動，都有某種減阻的巧妙方法。生物工程專家們經過研究后認為，海豚的減阻機理與其身體附近可形成層流邊界層有關，由此啟發人們研究在管內壁涂覆或粘貼某種材料，以改變其物化性質，從而達到減阻的目的。而鯊魚的減阻機理似乎與此相反，它被認為是在其粗糙的表皮形成的湍流邊界層的條件下取得減阻效果的。鯊魚表面的結構特征與特性促使人們開展了在剛性壁面上加工溝槽的流動試驗研究。據報道，德國飛機制造商經過試驗證實，同鯊魚“皮膚”一樣的飛機機身表面能節省燃料8%。用同樣的燃料可使飛機飛得更遠更快。1992年第6期“科學發展與改革”報道，德國戈倫公司發明了一種可以減少空氣阻力的塑料薄膜，這種薄膜的正面是一種特殊形狀的軸狀條紋，可以減少空氣的阻力，將這種薄膜覆蓋在飛機的外表面，可使空氣阻力減少8%。用這種薄膜取代油漆作涂料，在同樣面積上的重量只是油漆的38%。用這種薄膜覆蓋飛機、艦艇、汽車的外表面，可以節約燃料11%左右。“仿生鯊魚皮”游泳衣的面料狀似鯊魚皮膚，其表面布滿齒狀V形凹槽。凹槽的規格經過科學計算，精確符合鯊魚皮的尺寸。這種面料能夠有效提高速度。面料印花產生的渦流與凹槽造成的渦流方向相反，最終兩股渦流生成亂流。這樣泳衣就更加貼身，從而減小水的摩擦阻力，并可增加運動員在水中的穩定性。再如高爾夫球上的凹痕的作用，人們發現表面粗糙的球比表面光滑的飛得更遠。凹痕使得球體周圍的氣流附著的時間更長，從而減少了形成阻力的空氣湍流，增加了飛行距離。

      我國江蘇工業學院油氣儲運工程中心水力學實驗室目前正在對“順流向的V形溝槽減阻”進行效能研究，在V形溝槽面的表面阻力測量實驗中獲得了最大6%的減阻效果。受原中國石油天燃氣管道局的委托，江蘇石油化工學院前幾年開展了“管道內壁改性降低輸油摩阻”的可行性研究，從傳統的流體力學理論出發，在油田集輸管道和輸氣管上加內襯涂蓋層等研究內容，用Φ9新無縫鋼管與F46(聚全氟代乙丙烯)管進行輸水對比試驗，用Φ23憎水與不憎水玻璃管進行輸水、輸羧甲基纖維素溶液、輸甘油對比試驗，用Φ22新無縫鋼管與F46管進行輸水、輸油(30號汽油、機油和N7號機油)對比試驗。結果表明，在相同的條件下，內壁改性的管道其水力摩阻減少，水力坡降和阻力系數均降低。我國天津大學力學系近年也開展了柔性壁減阻、人工溝槽減阻技術的探索性研究，并采用激光測速等先進試驗手段進行實驗。另據資料介紹，日本使用直徑50.8mm、管內側刻有“V”字形溝槽的氯乙烯管作試驗，空氣流速為1.5～13.0m/s，研究表明，有溝槽的管子確實比無溝槽的管子空氣阻力小，阻力系數最小的是溝深0.435mm、溝寬1.774mm的管子。這種管子可使氣體、液體多輸約10%，在同等的條件下，可節約管輸成本10%。

      上述的諸多界面減阻的例子說明，大自然中界面減阻的方法與客觀規律很多，隱藏在人們的意識之外而沒被人們充分認識與了解，還有待人們去發現、去利用。

      輸氣管道減阻增輸技術現狀

      有效地降低摩擦系數的一種途徑是向管道內壁涂敷內涂層以獲得相對光滑的內表面。天然氣管道的減阻，目前已知的、應用的都是化學方法，即內涂層技術。天然氣管道減阻劑(DRA)的研究應用，典型的例子是，美國Chevron石油技術公司(Chevron   Petroleum  Technology  Co.)在墨西哥灣一條長8km、直徑152mm的輸氣管道上進行了天然氣減阻劑的現場試驗。結果表明，輸量可提高10%～15%，最高壓力下降達20%。這種減阻劑的主要化學成分是聚酰胺基。通過注入系統，定期地按一定濃度將減阻劑注入到天然氣管道中，減阻劑可在管道的內表面形成一種光滑的保護膜，這層薄膜能夠顯著降低輸送摩阻。但Chevron研制的這種天然氣管道減阻劑在管內使用壽命是有限的，經過一定的時間后，薄膜會自行脫落，減阻效率亦會隨之降低，現場試驗表明，DRA的有效期可達400h。

      法國在降低輸氣管道中氣流阻力的技術研究方面，在研究克服輸氣管道內壓損失的途徑方面，利用激光的方法，使之形成脈沖流。他們發現單根管段的水力粗糙度通常是約20μm，然而在生產使用中，由于流體的復雜組分，此種粗糙度可能會超過50μm，相對于高雷諾數的光滑管壁，阻力系數將增大40%以上。最新檢索到的石油科技文獻顯示，法國石油學會(IFP)正在評價和研究與該技術相關的空氣動力學性能。輸氣管道的壓力損失，特別是由于管壁粗糙使阻力系數受到強烈影響，致使雷諾數增大的情況，而這種情況又會造成相對高的運營費用。

      綜上所述，有效地降低摩擦系數的一種途徑是向管道內壁涂敷內涂層以獲得相對光滑的內表面。其他一些技術也可用來進一步降低因管壁低于理想光滑面所要求的條件而導致的摩阻。下述是幾種可利用的先進技術：

      1.特殊結構形成的表面(螺旋狀結構表面)；

      2.多孔/滲透性涂層；

      3.特種涂敷材料；

      4.涂敷潤滑脂的管壁；

      5.柔性涂層；

      6.使之形成脈沖流；

      7.使之再層流化；

      8.粒子注射。

      法國在該專業技術方面的研究，系統、全面并卓有成效，代表了當今世界的最先進水平。據資料介紹。該國是利用激光裝置產生脈沖流的。但成本是一項很大的挑戰。迄今還沒有發現一種已投入應用的、物理的、低成本的減阻增輸方法。

      正是受到“輸氣管道脈沖流可降低管壁摩阻”的啟發，我國石油科研人員正在試驗研發管道脈沖流減阻增輸技術，對該技術進行攻關，并取得了重大進展。目前已完成了旁通試驗與主輸氣管道試驗。現場工業試驗表明，脈沖流減阻增輸器在輸氣管線上減阻增輸的效果相當好(與化學減阻增輸技術呈現出的增輸特征完全相同)。該管道增輸器是根據空氣動力學理論設計的，充分借鑒了吳云鵬教授的脈搏波高效傳輸原理及廖振方教授的微觀振動減阻理論，只需在輸氣管道的適當位置安裝管道增輸器，不需要增加任何外加輔助裝置，依靠增輸器自身腔室的特殊幾何形狀和特定的邊界條件，就可將連續氣體流動轉變成脈沖流，發生器的出口壓力的幅值也有所增大，其出口壓力的幅值可增大10%～35%。在不改變管道直徑和安設增壓站的條件下，管道增輸器能顯著提高管道的輸氣量，且增輸器的制造費用低廉，無運動件，運行可靠，拆裝簡便，這種更加簡單和廉價的技術，使得所有的天然氣管道都能盡快投入使用成為可能。因此該技術推廣應用價值較高，這就是其意義所在。

      天然氣管道施加內涂層后的增輸率

      通過對油氣管道減阻增輸機理的研究，可對油氣管道的減阻技術進行分類。各種減阻增輸措施可分為兩大類，一類是減小du/dry處流體的粘度或當量粘度，例如，加熱、添加降凝劑或減粘劑、乳化、懸浮、磁化、低粘液環等，具體有：降粘輸送(加熱、添加降凝劑、熱處理、添加降粘劑、去蠟改質*、裂化改質*、微生物降解*、磁處理*、壓力處理*、微波處理*、超聲波處理*等)、摻稀輸送(稀釋、乳化、懸浮、氣飽合*等)、低粘液環輸送(水環、稀油環*)；另一類是降低湍流附加應力，特別是降低管壁附近的湍流附加應力，(即抑制徑向脈動)，例如，添加減阻劑、施加內涂層及彈性膜(即注入柔性單長鏈高聚物、形成彈性壁面)、注入高聚物*等。其他的減阻原理，如增大管道通徑，石油管道包括清管器清管、大排量沖洗、避開析蠟高峰溫度區，天然氣管道則包括清管器清管、干燥天然氣、加入化學劑、降壓。石油管道的壁面改性*，其機理屬于流體相對壁面滑動。因此，輸送工藝可劃分為：降粘減阻增輸、抑制徑向脈動減阻增輸、壁面改性減阻增輸、減少壁面沉積物增輸這四大類。針對天然氣管道，“使之形成脈沖流*”的減阻機理就是屬于第二類的，即通過抑制管壁附近的徑向脈動來達到其減阻的目的。(注：*是尚處在理論研究、室內試驗或現場試驗階段的減阻增輸技術。)

      一般裸管的絕對當量粗糙度為20～50μm，施加內涂層后的絕對當量粗糙度為5～10μm  ，取其平均值(δ=35μm，  δ涂=7μm)，可計算天然氣管道施加內涂層后的增輸率。通過對天然氣管道增輸率的研究發現，增輸率隨管徑和雷諾數的變化有如下規律：對于同一條管道，增輸率隨雷諾數或輸量的增加而提高；當雷諾數相同時，增輸率隨管徑減小而提高；對于大管徑(2r0≥500mm)天然氣管道，當Re＜105時，增輸率小于1%。在5×105＜Re＜5×107范圍內，增輸率明顯地隨Re增加而提高。一般天然氣干線管道的雷諾數為106～107，采用內涂層后增輸率一般為4%～8%。對于管徑為500～1400  mm的天然氣管道，其增輸率約為2%～11%。順流的V形溝槽面有明顯的減阻效果。這是20世紀60年代NASA蘭利研究中心的Walsh等人通過實驗發現的。據近期的文獻介紹，我國江蘇工業學院油氣儲運工程中心水力學實驗室，借助熱線風速儀(HWA)和激光多普勒(LDV)分別對V形溝槽面形狀參數(高度、間距、夾角)以及溝槽湍流邊界層的湍動特性，猝發特性、頻率以及條帶結構進行了有價值的研究。他們利用PIV實驗技術，得到了最大5.89%的減阻率。現場試驗初步測試，脈沖流增輸器的增輸率約為2.4%，減阻率約為5.0%。這是一個不錯的減阻效果，是一個驚喜的發現，意義重大。

      綜上所述，界面處理減阻是新興的前沿技術。基于仿生學原理及有關先進理論，研究和開發界面減阻技術，降低能耗，提高效率，具有很好的發展前景。界面減阻技術也是當今國際研發與應用新技術新動向之一。加強和重視界面減阻技術研究，具有重要作用與意義。廣泛采用內涂層減阻技術，提高輸送能力，是國外輸氣管道技術當前發展的特點之一。