标题：减阻剂
简介
例如水溶性的聚环氧乙烷，只用25毫克/千克就能使水在管道中所受阻力下降75%，出水速率增加好几  倍，用于灭火或其他紧急用水的场合；油溶性的聚异丁烯用量为60毫克/千克时，即可使原油在管道中的输送能力大大提高，起到增输节能的作用。 
用于降低流体流动阻力的化学剂称为减阻剂(drag reducing agent)，简称DRA。减阻剂广泛应用于原油和成品油管道输送，它是在特定地段提高管道流通能力和降低能耗的重要手段。作者在《浅谈减阻剂》一文中介绍了减阻剂的发展历史、减阻机理、生产工艺、新动向及在国内外输油管道应用的实例；分析了在输油管道中应用减阻剂的优势。  
流体的摩擦阻力限制了流体在管道中的流动，造成管道输量降低和能量消耗增加，而高聚物减阻法是在流体中注入少量的高分子聚合物，使之在紊流状态下降低流动的阻力。
发展历史
减阻的概念早在20世纪40年代就已经提出。20世纪初美国纽约的消防队员曾使用水溶性聚合物增加排水系统的流量。1948年Toms在第一届国际流变学会议上发表了第一篇有关减阻的论文，文章指出，以少量的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶于氯苯中，摩阻可降低约50%，因此，高聚物减阻又称为Toms效应。
20世纪60年代末，美国Conoco公司研制成CDR-101型减阻剂，1972年取得专利，1977～1979年间首次商业化应用于横贯阿斯加的原油管道的越站输送及提高输量方面，并取得巨大成功。1981年又研制成功CDR-102型减阻剂，比CDR-101型的性能成数倍地提高。20世纪80年代初，开展了成品油管道的减阻试验，用于汽油、煤油、柴油和NGL、LPG的减阻，到1984年正式在成品油管道上应用。70年代中期，美国Shellco公司和加拿大Shell Inc公司提出申请减阻剂专利。1983年，美国Atlantic Richfield co公司研制出Arcoflo减阻剂产品，加入5ppm即可达到20%的减阻效果。
减阻聚合物的生产条件很难控制，国际上只有极少数公司垄断了这项技术，其代表是美国的Conoco公司和Baker Hughes公司，他们的产品基本上代表了目前世界上减阻剂生产工艺的最高水平和发展方向。  1982年，我国浙江大学开始国产减阻剂的开发和试验工作，1985年进行了EDR型减阻剂的试生产，并在国内原油管道上进行了中型试验，产品性能已达到国外70年代初期水平。1984年，成都科技大学也发表了PDR型减阻剂的研制成果，以上两校的试验，都曾采用过柴油和煤油等成品油。近年来，中国石油管道公司管道科技研究中心开展了减阻剂的研究工作，并取得了成功，其EP系列减阻剂产品的性能已经达到国际同类产品的水平。
减阻机理
减阻的机理说法很多，尚无定论。如伪塑说、湍流脉动抑制说、粘弹说、有效滑移说、湍流抑制说等等。
油相减阻剂从其结构看，多数是流状链或长直链少侧链的高分子聚合物，如CDR102是高分子聚-σ烯烃，分子量为10～10。这种高分子聚合物纯剂为橡胶状固体，作为商品，一般是溶在烃类(煤油)的溶液中。10%的减阻剂溶液呈非常粘稠的粘弹性体，较难流动，可拔成很长的丝。高聚物减阻剂能溶于原油或油品中，但不溶于水，遇水发生分子长链卷曲。减阻剂溶液呈强牛顿特性，低剪切率下粘度高达3000Pa·S，120℃以下不会分解，比较稳定。
减阻作用是一种特殊的湍流现象，减阻效应是减阻影响湍流场的宏观表现，它是一个纯物理作用。减阻剂分子与油品的分子不发生作用，也不影响油品的化学性质，只是与其流动特性密切相关。在湍流中，流体质点的运动速度随机变化着，形成大大小小的旋涡，大尺度旋涡从流体中吸收能量发生变形、破碎，向小尺度旋涡转化。小尺度旋涡又称耗散性旋涡，在粘滞力作用下被减弱、平息。它所携带的部分能量转化为热能而耗散。在近管壁边层内，由于管壁剪切应力和粘滞力的作用，这种转化更为严重。
在减阻剂加入到管道以后，减阻剂呈连续相分散在流体中，靠本身特有的粘弹性，分子长链顺流向自然伸呈流状，其微元直接影响流体微元的运动。来自流体微元的径向作用力作用在减阻剂微元上，使其发生扭曲，旋转变形。减阻剂分子间的引力抵抗上述作用力反作用于流体微元，改变流体微元的作用方向和大小，使一部分径向力被转化为顺流向的轴向力，从而减少了无用功的消耗，宏观上得到了减少摩擦阻力损失的效果。
在层流中，流体受粘滞力作用，没有像湍流那样的旋涡耗散，因此，加入减阻剂也是徒劳的。随着雷诺数增大进入湍流，减阻剂就显露出减阻作用。雷诺数越大减阻效果越明显。当雷诺数相当大，流体剪切应力足以破坏减阻剂分子链结构时，减阻剂降解，减阻效果反而下降，甚至完全失去减阻作用。减阻剂的添加浓度影响它在管道内形成弹性底层的厚度，浓度越大，弹性底层越厚，减阻效果越好。理论上，当弹性底层达到管轴心时，减阻达到极限，即最大减阻。减阻效果还与油品粘度、管道直径、含水、清管等因素有关。
生产工艺
减阻剂生产的技术关键主要包括两个方面，一是超高分子量、非结晶性、烃类溶剂可溶的减阻聚合物的合成；二是减阻聚合物的后处理。聚合物的合成大量文献资料表明，目前最有效的减阻聚合物是聚α-烯烃。早期聚α-烯烃的生产采用溶液聚合的方法进行，并将聚合产物直接用于输油管道，由于溶液聚合产物本身粘度大，聚合物含量低，因此给运输和使用带  来极大的困难。直到20世纪90年代中期，才发展了本体聚合的方法，从而大大提高了单体转化率和减阻剂性能。实施本体聚合需要解决的关键技术是及时带走聚合过程中产生的大量反应热，方法之一是使用一种由高分子材料制成的反应容器，并将其设计成能将反应热迅速释放出来的形状。实施聚合时，先用氮气吹扫反应容器，然后按比例加入单体和催化剂，密封后放入低温介质中，使其在低温下反应3～6天的时间。一般情况下，本体聚合产物纯度高，分子量也比溶液聚合产物高得多。
另外，采取溶液聚合α-烯烃减阻聚合物也有了新突破，通过在α-烯烃聚合过程中加入粘度降低剂，可以改进成品的总体流动性能和处理特性，同时可以获得更高的聚合物分子量和更均匀的分子量分布，改进聚α-烯烃类减阻剂的溶解性。聚合物的后处理实际应用表明，直接将溶液聚合产物作为减阻剂使用，会给输油生产带来诸多不便，因而该方法现已被淘汰。为了改善减阻剂的使用性能，通常将聚合物和分散剂一起在低于其玻璃化温度的环境中磨成粉末，并加入适当的添加剂以制成不同外观形态的减阻剂产品。目前，在原油管道上广泛使用的是水基乳胶状减阻剂，它是利用稳定剂、表面活性剂等添加剂，将聚合物粉末悬浮在水或水与醇的混合物中。这种产品具有聚合物浓度高、注入方便、在原油中溶解性好等优点，但也存在储存时间短、稳定性较差等缺点。在成品油管道中主要使用低粘度胶状减阻剂，它是将聚合物粉末溶解在成品油或成品油和某些溶剂的混合物中。这种产品具有粘度低、注入方便等优点，但存在聚合物浓度低、运输工作量大等缺陷。为了克服上述两种产品的缺陷，最近研制开发了一种非水基悬浮减阻剂，它是借助悬浮剂将聚合物粉末悬浮在醇类流体中。这种减阻剂的生产无需使用表面活性剂、杀菌剂和复杂的稳定剂体系，简化了生产过程，具有防冻性好、聚合物浓度高、稳定性好、能防止水等杂质进入输油管道等优点，并可同时用于原油和成品油的输送。
本体聚合产物可以直接置于低温环境中磨碎，溶液聚合产物则需要先将聚合物从溶剂中沉淀出来，然后粉碎。美国Conoco公司和Baker Hughes公司分别采用了将聚合物从溶液中沉淀出来的方法，用能够沉淀聚合物而与烃类溶剂不互溶的醇类作为沉淀剂，并通过特殊的装置使沉淀出来的聚合物形成小颗粒。值得一提的是，Baker Hughes公司通过控制向溶液聚合产物中加入沉淀剂的速度，以及适当的搅拌将沉淀出来的聚合物颗粒直径控制在0.25cm以下，这种粒度的聚合物可直接与悬浮剂、液体醇一起制成非水基悬浮减阻剂。这种方法省去了聚合物的低温粉碎工序，简化了生产过程。
综上所述，通过不同的后处理工序，可以获得不同外观形态和不同性能的减阻剂产品
新动向
将高浓度减阻聚合物微粒封装在由某些惰性物质组成的外壳内，便制成了微囊减阻剂(microencapsulated drag reducing agent)，又称MDRA。微囊减阻剂的研制成功是减阻剂发展的一个新动向。生产微囊减阻剂的方法有很多种，主要包括静态挤压法、离心挤压法、振动喷嘴法、旋转盘法、界面聚合、多元凝聚、悬浮聚合等。生产微囊减阻剂的静态挤压喷嘴和微囊的形成过程见图1。
使用这种装置生产微囊减阻剂，是将聚合反应单体、催化剂和外壳材料分别从中心孔和外环套中加入，并以一定的速度从装置下端挤出，形成微囊减阻剂颗粒。挤出速度非常重要，当挤出速度慢时，形成的微囊颗粒外观规整、尺寸均匀；相反，如果挤出速度较快，将会使微囊颗粒发生粘连，造成微囊颗粒形状异常、大小不一。在生产过程中保持一定频率的振动，将有利于控制微囊颗粒的粒度。
由于单体是在封闭的小微囊内进行本体聚合反应，对于单个微囊，反应规模极小，因此，反应条件可以得到很好地控制，特别是反应热能够被及时散发掉。如果单体是σ-烯烃，通常使用齐格勒-纳塔体系催化剂，并在微囊形成之前加入。由于齐格勒-纳塔体系催化剂遇到氧气会迅速失效，因此反应体系内不能有氧气存在。某些单体可以使用紫外线引发聚合，但紫外线必须能够穿透微囊外壳。
微囊外壳是微囊减阻剂的重要组成部分，外壳材料与微囊内芯的反应物不能相互反应或混溶。如果微囊内芯是σ-烯烃聚合反应体系，为避免催化剂失效，微囊外壳中就不能有氧气存在，但少量的羟基和羧基对聚合反应影响不大。比较合适的外壳材料有聚丁烯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇、蜡、硬脂酸等。若微囊外壳本身是聚合物，其聚合反应可以在生产微囊减阻剂的过程中进行，但是不能制约形成微囊系统的其它技术需求。另外要求微囊外壳在运输和储存过程中性能稳定，其破碎或溶解残渣对原油或石油产品的物化性质以及油品加工过程没有影响。微囊外壳可以通过溶解在注入介质或管输流体中、机械破碎、融化、光化学破碎、生物降解、化合等方法去除。
由于微囊减阻剂以固体颗粒的形式储存和运输，因此节省了运输溶剂、浆料或其它载体的费用。注入输油管道时，如果需要使用溶剂或其它载体(即注入介质)，则可以在当地低价采购，现场配液，而不再需要复杂的后处理工序。
应用实例
先看看国外在输油管道上使用减阻剂的实例。美国横贯阿&Agrave;斯加的原油管道，采用加减阻剂方案，将原设计的12座泵站减为10座，日输油量由22.26×10m增加到38.16×10m。英国北海油田某管道，原设计方案管径为1066mm，经过方案比选，采用高峰时加减阻剂方案，使管径改为914.4mm，大大降低了投资。美国西南部一条200mm口径的成品油管道夏季汽油输量增大时，曾有111km管道出现卡脖子问题。采用减阻剂后，迅速、经济地解决了问题。管道摩擦阻力下降40%，输量增大28%。美国中西部一条长93km口径为200mm的输油管道，在顺序输送中，要求柴油与汽油同步输送，需使柴油流量增大20%。使用减阻剂后柴油的摩擦阻力下降了38%，达到了要求。
在国内，首先是利用美国Conoco公司生产的CDR102减阻剂在铁大线、东黄线、濮临线上进行试验并取得了成功。如铁大线继1986年现场试验成功后，在沈阳、熊岳和复县3个站段，间断投用减阻剂79天，用药97m，全线增输原油17.667×10t，缓解了铁大线外输紧张局面，争取到较大的出口换汇，为国家创造了较高的经济效益。1987年世界油价下跌，国家出口减少，管道又恢复正常运行，停注减阻剂，非常灵活、方便。青海油田的花土沟至格尔木输油管道，原设计输油能力为每年
100×10t，后来油田产量上升，要求管道输送能力增加到每年150×10t。若按传统增加机械动力的方法，需将原来4个泵站全部改建为热泵站，原来3个热泵站也需要改造扩建。不仅时间不允许，而且资金投入大。他们与美国贝克管道化学品公司合作进行加减阻剂试验。试验结果证明，在不增加任何输油泵的情况下，使用FLOXL减阻剂，可以很容易地实现150×10t的年输量，其所需费用远低于扩建泵站的投资。
优势
随着研究的不断深入，减阻剂产品日趋成熟，已经进入商业实用阶段。主要表现为：加入量少，减阻率高；本身具有抗剪切能力，储运和使用过程中无明显降解；对油品加工和油品质量无不良影响；注入设备简单，注入工艺易行；国内已具备生产减阻剂的能力。无论是在新管线设计或现有管道运营中使用减阻剂均能获得可观的经济效益和社会效益。在输油管道上应用减阻剂的优势主要体现在以下方面：建设投资新管线设计中一个重要的依据就是管道的年输量，但对管道年输量影响因素有许多是不确定的。如对油田储量的估测不可能做到十分精确，市场条件要求管道输量的变化及油品种类的改变等等。这一些不确定的因素，可根据相对经济的数据作为设计依据，留下一部分设计余量，用减阻剂来平衡这部分余量。减小管径、压缩泵站建设规模可大大节省新管线的建设投资。我国输油管道都是根据年输量来设计的。选择的管径和壁厚、泵站及设备一般都偏大和较保守，对输量变化的适应性差。这不仅造成投资高，而且运行也不经济。增加输量特别是在卡脖子段，加减阻剂后就可以提高输量，使整个管道输量增加，达到多输快输的要求。并可灵活地调整输油计划，满足市场需求，最大限度地创造经济、社会效益。我国油田产量变化幅度比较大，为增加管道输送弹性，适应油田产量的变化，应用加减阻剂技术具有重大的现实意义。随着油田产量的上升，管道需分阶段应急扩建，有时，仓促上马可能造成很大的浪费。以东营-黄岛管线扩建为例，1985年油田计划产量大幅度增加，要求该管线超输30%，为此增建4座加压站，工程投资2000万元，工期半年。可是工程完成后，油田产量未能如愿，4座泵站闲置。如果选用减阻剂增输技术过渡，显然投资可大大节省。濮临线也同样先扩建增压站，然后增加副管，但实际发挥作用不大。显然在管道输油中，由于油田前景不清，产量变化幅度大的情况是经常发生的，如采用投注减阻剂短时间解决输量大幅度增加的矛盾，技术上是可行的，经济上是合理的。降低成本实现不停输状态下对泵机组或泵站进行检修维护、更新改造，降低维修改造成本。也可以用加减阻剂的办法停掉某些条件艰苦、环境恶劣的泵站，把人员减下来。如格尔木至拉萨的输油管道，途径平均海拔都在3000m以上的青藏高原，有相当多的泵站地处海拔4700m以上，人的生存非常困难。完全可以采用加减阻剂和自动化技术，把某些中间泵站关闭，把人员减下来。这不仅可获得显著的经济效益，还将带来巨大的社会效益。提高安全可靠性如我国东部输油管网均已运行了30年以上，由于管道内外壁腐蚀严重，管道耐压能力大大下降，降低管道工作压力，提高系统的安全可靠性显得尤为重要。
使用减阻剂作为一种短时间应急措施具有很大的优越性。但对于需要长期增输的管道来说，由于需要大量的减阻剂，使其经济效益不明显，而且在输油系统中增加了减阻剂注入装置，使其整个系统的操作量、故障率有所提高，不利于日常操作管理。所以对减阻剂技术既要优先考虑，又不能盲从应用。可以预见，在不远的未来，投注减阻剂技术作为一种新兴的输送工艺，必将为我国管道工业创造更大的经济、社会效益。