CN114719662A - 一种换热器管束减阻防腐阻垢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种换热器管束减阻防腐阻垢方法及换热器管束，该方法使换热器的管束的内壁形成超亲水疏油表面，具体包括以下步骤：(1)对换热器管束内壁进行微纳米化；(2)对微纳米化的内壁进行低表面能修饰。本发明的换热器管束减阻防腐阻垢方法及管热气管束使管道的内壁形成超亲水疏油表面，减小管壁与原油之间的相互作用力，从而使原油在管壁表面形成部分滑移，达到减阻和降低沿程阻力的目的，同时还具有自清洁、防腐蚀和阻垢的效果。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开发领域，具体为一种换热器管束减阻防腐阻垢方法。
背景技术
石油和化工产业中，很多工艺都需要加热、冷却或冷凝，这需要用到换热器，换热器不仅是石油生产所广泛应用的工艺设备，也是重要的节能设备之一，用来实现热量的传递，使热量由高温流体传向低温流体。然而换热器在石油生产过程中存在着一系列严重的结垢、流动阻力增大、腐蚀、导热性能下降等问题，导致经常性停车检修清洗，它直接影响着油田的安全生产和运行周期。
换热器故障大部分是由腐蚀引起，常见的腐蚀现象有管束穿孔、断裂和壳体减薄等，其最易发生腐蚀的部位是换热管束。据不完全统计，80％以上的换热器中的换热管采用的是光管，容易结垢，进而腐蚀破坏换热面，降低换热能力。换热管的表面腐蚀是泄漏中最常见的现象，约占腐蚀泄漏的90％，它是介质的冲刷和介质中化学物质侵蚀综合作用的结果。根据结垢层沉积的机理，可将污垢分为颗粒污垢、结晶污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢等。其中换热器水质中由于含有钙镁盐产生的结垢最为严重，使得换热器管束发生垢下腐蚀，这是换热器管束穿孔的主要原因。
换热器金属换热面发生腐蚀是由于金属材料跟腐蚀介质相互作用的结果，在金属基体的表面涂敷一层耐腐蚀性材料可以将金属与腐蚀介质隔离，可以抑制换热器管束的腐蚀而又不影响换热效率。目前，美国人T.Sugama将耐腐蚀性的有机高分子材料涂覆在碳钢换热器表面，取得了较好的防腐蚀效果，但过程较复杂，推广应用比较困难；Santos将聚苯胺涂覆在不锈钢换热器管束表面，取得了较好的防腐蚀效果，但涂层容易脱落。
专利CN201720671452.1(板式换热器量子振动波阻垢防腐装置)公开了一种板式换热器量子振动波阻垢防腐装置；装置安装于管道上，通过瞬间超精微振动波,透过管壁传入水中；在这种超精微振动波的作用下,水的活性得到极大加强,水中钙、铁等相关物质的物理特性发生改变。新安装的系统不会结垢、生锈、生长菌藻,旧系统中的锈蚀、老垢等也将逐步被溶解消除,并最终在系统内壁形成保护性氧化层,系统内壁不再出现腐蚀,不仅能节省大量能耗,还延长了板式换热器使用寿命,并且为零费用维护运行提供帮助。但量子振动波阻垢防腐装置本身的成本很高。
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发明内容
本发明提供一种换热器管束减阻防腐阻垢方法及换热器管束，可以克服现有的换热器管束内壁对流体产生的阻力大、管束内壁易结垢和受到腐蚀的缺点。
本发明的一种换热器管束减阻防腐阻垢方法，包括使换热器的管束的内壁形成超亲水疏油表面，具体包括以下步骤：
(1)对换热器管束内壁进行微纳米化；
(2)对微纳米化的内壁进行低表面能修饰。
作为优选，还包括使换热器的管束的外壁形成超疏水表面，具体包括以下步骤：
(1)对换热器管束外壁进行微纳米化；
(2)对微纳米化的外壁进行低表面能修饰。
作为优选，对换热器管束内壁或外壁进行微纳米化包括对金属材料的内壁或外壁进行打磨预处理在管道内壁或外壁得到具有纳米尺度结构的粗糙金属表面，然后对粗糙金属表面进行热处理得到纳米尺度结构的粗糙金属氧化物层。
作为优选，热处理的方法为：将打磨预处理后的换热器管束用无水乙醇清洗干净，将洗干净后的换热器管束放置于加热装置中，以5-15℃/min的升温速率加热到300-900℃后加热0.5-24h，然后自然冷却。
作为优选，对微纳米化的内壁进行低表面能修饰包括在粗糙金属氧化物层表面涂超亲水疏油物质层。
作为优选，所述超亲水疏油物质层为聚丙烯腈材料。
作为优选，对微纳米化的外壁进行低表面能修饰包括在粗糙金属氧化物层表面涂超疏水物质层。
作为优选，所述超疏水物质层为聚芳胺材料。
作为优选，在粗糙金属氧化物层表面涂超亲水疏油物质层或者超疏水物质层的方法为，用海绵蘸取液态的超亲水疏油物质或者超疏水物质，将超亲水疏油物质或者超疏水物质均匀涂敷在管束的内壁或者外壁。
作为优选，超亲水疏油物质层和/或超疏水物质层的厚度为1mm-5mm。
本发明还提供一种换热器管束，所述管束的内壁具有超亲水疏油表面，所述超亲水疏油表面包括纳米尺度的粗糙金属氧化物层和涂在所述粗糙金属氧化物层上的超亲水疏油物质层。
作为优选，所述管束的外壁具有超疏水表面，所述超疏水表面包括纳米尺度的粗糙金属氧化物层和涂在所述粗糙金属氧化物层上的超疏水物质层。
具体实施方式
本发明提供一种换热器管束减阻防腐阻垢方法，在本实施例中，换热器的管束置于热水内，管束内流通原油，该方法使换热器的管束的内壁形成超亲水疏油表面，具体包括以下步骤：
(1)对换热器管束内壁进行微纳米化；
(2)对微纳米化的内壁进行低表面能修饰。
本发明的换热器管束减阻防腐阻垢方法是通过对管束的内壁进行改进，首先使管束的内壁微纳米化，再对内壁进行低表面能修饰，使管道的内壁形成超亲水疏油表面。超亲水疏油表面是一种超浸润材料表面，是指通过改变流体在其表面的静态接触角，使其在特定范围内的，具有特殊浸润性的表面。本发明通过超亲水疏油表面与换热器管束内的原油之间的静态接触角增大，减小管壁与原油之间的相互作用力，从而使原油在管壁表面形成部分滑移，其压力降可保持在未处理金属通道阻力的30～40％，实现有效的流动减阻目的。同时还具有自清洁、防腐蚀和阻垢的效果，可增加换热的效率。
本发明的换热器管束减阻防腐阻垢方法还包括使换热器的管束的外壁形成超疏水表面，具体包括以下步骤：
(1)对换热器管束外壁进行微纳米化；
(2)对微纳米化的外壁进行低表面能修饰。
通过上述步骤使得换热器的管束的外壁形成超疏水表面，从而减小了水与外壁之间的阻力，另外可防止水对管束的外壁造成侵蚀，同时也具有自清洁和防垢的效果，其冷凝传热过程效率比普通换热器效率高20～30％。
作为优选的方法，对换热器管束内壁或外壁进行微纳米化包括对金属材料的内壁或外壁进行打磨预处理在管道内壁或外壁得到具有纳米尺度结构的粗糙金属表面，然后对粗糙金属表面进行热处理得到纳米尺度结构的粗糙金属氧化物层，金属氧化物层本身具有防腐的作用。
热处理的方法为：将打磨预处理后的换热器管束用无水乙醇清洗干净，将洗干净后的换热器管束放置于加热装置中，以5-15℃/min的升温速率加热到300-900℃后恒温加热0.5-24h，然后自然冷却，即得到具有纳米尺度结构的粗糙金属氧化物层。
对微纳米化的内壁进行低表面能修饰包括在粗糙金属氧化物层表面涂超亲水疏油物质层。
所述超亲水疏油物质层为聚丙烯腈材料。
对微纳米化的外壁进行低表面能修饰包括在粗糙金属氧化物层表面涂超疏水物质层。所述超疏水物质层为聚芳胺材料。
在粗糙金属氧化物层表面涂超亲水疏油物质层或者超疏水物质层的方法为，用海绵蘸取超亲水疏油物质或者超疏水物质，并将超亲水疏油物质或者超疏水物质均匀涂敷在管束的内壁或者外壁。超亲水疏油物质层和/或超疏水物质层的厚度为1mm-5mm。
实施例1：
对内径19mm的换热器管束的内壁和外壁进行打磨预处理在管道内壁或外壁得到具有纳米尺度结构的粗糙金属表面，然后对粗糙金属表面进行热处理得到纳米尺度结构的粗糙金属氧化物层。用海绵蘸取液态的聚丙烯腈，在内壁涂上2mm厚的聚丙烯腈涂层，用海绵蘸取液态的聚芳胺，在外壁涂上2mm厚的聚芳胺涂层，从而在内壁和外壁均形成超浸润表面。
利用上述制备好的换热器进行实验，用热水对从换热器管束内流动的原油进行加热，在换热水温度在70℃，压力1MPa的条件下，将原油温度从30℃提高到50℃，运行15天。较之普通换热器减阻35％，结垢率降低80％，腐蚀程度减小85％。
实施例2：
对内径25mm的换热器管束的内壁和外壁进行打磨预处理在管道内壁或外壁得到具有纳米尺度结构的粗糙金属表面，然后对粗糙金属表面进行热处理得到纳米尺度结构的粗糙金属氧化物层。用海绵蘸取液态的聚丙烯腈，在内壁涂上2mm厚的聚丙烯腈涂层，用海绵蘸取液态的聚芳胺，在外壁涂上2mm厚的聚芳胺涂层，从而在内壁和外壁均形成超浸润表面。
利用上述制备好的换热器进行实验，用热水对从换热器管束内流动的原油进行加热，在换热水温度在70℃，压力1MPa的条件下，将原油温度从30℃提高到50℃，运行30天。较之普通换热器减阻30％，结垢率降低80％，腐蚀程度减小85％。
实施例3：
(1)对内径19mm的换热器管束的内壁和外壁进行打磨预处理在管道内壁或外壁得到具有纳米尺度结构的粗糙金属表面，然后对粗糙金属表面进行热处理得到纳米尺度结构的粗糙金属氧化物层。内壁涂上3mm厚的超亲水疏油涂层，外壁涂上3mm厚的超疏水涂层，形成超浸润表面。
(2)利用上述制备好的换热器进行实验，用热水对从换热器管束内流动的原油进行加热，在换热水温度在70℃，压力1MPa的条件下，将原油温度从30℃提高到50℃，运行15天。较之普通换热器减阻35％，结垢率降低85％，腐蚀程度减小90％。
实施例4：
对内径25mm的换热器管束的内壁和外壁进行打磨预处理在管道内壁或外壁得到具有纳米尺度结构的粗糙金属表面，然后对粗糙金属表面进行热处理得到纳米尺度结构的粗糙金属氧化物层。内壁涂上3mm厚的超亲水疏油涂层，外壁涂上3mm厚的超疏水涂层，形成超浸润表面。
利用上述制备好的换热器进行实验，用热水对从换热器管束内流动的原油进行加热，在换热水温度在70℃，压力1MPa的条件下，将原油温度从30℃提高到50℃，运行30天。较之普通换热器减阻30％，结垢率降低85％，腐蚀程度减小90％。
通过上述各实施例制备的换热器还可应用于其它场合实现其它用途，如管束内部或者外部可以通气体，可以进行加热也可以进行冷凝，其结构和原理与上述各实施例相同。
本发明还提供一种换热器管束，所述管束的内壁具有超亲水疏油表面，所述超亲水疏油表面包括纳米尺度的粗糙金属氧化物层和涂在所述粗糙金属氧化物层上的超亲水疏油物质层。所述管束的外壁具有超疏水表面，所述超疏水表面包括纳米尺度的粗糙金属氧化物层和涂在所述粗糙金属氧化物层上的超疏水物质层。
通过在管束的内壁形成超亲水疏油表面，可减小管壁与原油之间的相互作用力，从而使原油在管壁表面形成部分滑移，达到减阻和降低沿程阻力的目的，同时还具有自清洁、防腐蚀和阻垢的效果。通过在管束的外壁形成超疏水表面，减小了水与外壁之间的阻力，另外可防止水对管束的外壁造成侵蚀，同时也具有自清洁和防垢的效果，可增加换热的效率。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，包括使换热器的管束的内壁形成超亲水疏油表面，具体包括以下步骤：
(1)对换热器管束内壁进行微纳米化；
(2)对微纳米化的内壁进行低表面能修饰。
2.根据权利要求1所述的换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，还包括使换热器的管束的外壁形成超疏水表面，具体包括以下步骤：
(1)对换热器管束外壁进行微纳米化；
(2)对微纳米化的外壁进行低表面能修饰。
3.根据权利要求2所述的换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，对换热器管束内壁或外壁进行微纳米化包括对金属材料的内壁或外壁进行打磨预处理在管道内壁或外壁得到具有纳米尺度结构的粗糙金属表面，然后对粗糙金属表面进行热处理得到纳米尺度结构的粗糙金属氧化物层。
4.根据权利要求2所述的换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，热处理的方法为：将打磨预处理后的换热器管束用无水乙醇清洗干净，将洗干净后的换热器管束放置于加热装置中，以5-15℃/min的升温速率加热到300-900℃后恒温加热0.5-24h，然后自然冷却。
5.根据权利要求3所述的换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，对微纳米化的内壁进行低表面能修饰包括在粗糙金属氧化物层表面涂超亲水疏油物质层。
6.根据权利要求5所述的换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，所述超亲水疏油物质层为聚丙烯腈材料。
7.根据权利要去求5所述的换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，对微纳米化的外壁进行低表面能修饰包括在粗糙金属氧化物层表面涂超疏水物质层。
8.根据权利要求7所述的换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，所述超疏水物质层为聚芳胺材料。
9.根据权利要求7所述的换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，在粗糙金属氧化物层表面涂超亲水疏油物质层或者超疏水物质层的方法为，用海绵蘸取液态的超亲水疏油物质或者超疏水物质，将超亲水疏油物质或者超疏水物质均匀涂敷在管束的内壁或者外壁。
10.根据权利要求7所述的换热器管束减阻防腐阻垢方法，其特征在于，超亲水疏油物质层和/或超疏水物质层的厚度为1mm-5mm。
11.一种换热器管束，其特征在于，所述管束的内壁具有超亲水疏油表面，所述超亲水疏油表面包括纳米尺度的粗糙金属氧化物层和涂在所述粗糙金属氧化物层上的超亲水疏油物质层。
12.根据权利要求11所述的换热器管束，其特征在于，所述管束的外壁具有超疏水表面，所述超疏水表面包括纳米尺度的粗糙金属氧化物层和涂在所述粗糙金属氧化物层上的超疏水物质层。
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