[发明专利]一种测定气体水合物和管道壁面粘附力的装置及方法

说明书

本发明涉及一种测定气体水合物和管道壁面粘附力的装置及方法。该装置包括摄像机1、高压反应釜9、水箱18、输送泵16、原料气瓶21、压力传感器13和计算机23，反应釜内腔上部和下部设置可移动活塞，顶部和底部连接驱替泵，上部活塞底面焊接弹簧顶针；反应釜侧壁有可视窗7，正对可视窗的位置有铁块8，铁块表面与弹簧顶针相切。该方法包括：弹簧受力测定，绘制F‑Δx关系曲线；水合物在铁块壁面形成，得到水合物与铁块的接触面积S；通过铁块壁面气体水合物被顶下来的图片，得到弹簧的压缩程度Δx’，从F‑Δx关系曲线找出Δx’对应的弹簧受力F’，计算气体水合物与铁块壁面单位面积的粘附力F’/S。本发明原理可靠，操作简便，为油气储运过程方案设计提供技术支持。

技术领域

本发明属于油气储运领域，特别是涉及一种测定气体水合物和输气管道壁面粘附力的装置及方法。

背景技术

早在20世纪30年代，天然气水合物首次在输气管道中被Hammerschmidt发现以来，如何有效地预防天然气水合物的生成并聚集而导致的油气管道的堵塞已成天然气生产、运输过程中的研究重点。截止目前，人们对水合物堵塞的机理可以概括为两点：水合物颗粒聚集和管壁沉积，其中水合物聚集效应的研究已较为成熟，但管壁沉积机制尚无统一的定论。Sum等人认为水合物在管壁上沉积可能存在两种机制：①管壁表面水膜转化成水合物，水合物生成后逐渐密实加厚，最终形成沉积层；②管流中形成的水合物颗粒在运抵管壁表面后直接粘附，经逐步累积形成水合物沉积层。前种机制已在若干高压管道流动实验中证实，对后一种机制，不少学者采用微机械测力装置进行研究，该方法仅能揭示静态条件下水合物颗粒与管壁间的粘附作用。

水合物粘附力测量装置最初是由Yang等人设计(S-O.Yang,D.M.Kleehammer,Z.Huo,E.D.Sloan,K.T.Miller,J.Colloid Interface Sci.277(2004)335)，如今一直在被改进。Taylor和Dieker分别利用微机械力装置测量四氢呋喃水合物与环氧乙烷水合物之间的粘附力最多可以达到100mN/m，不过考虑到冰污染增加了水合物的粘附力，导致实验结果出现很大误差。也有学者提出选择环戊烷作为水合物生成剂的想法，但是环戊烷水合物生成压力低，水合物结构为半笼型，与实际天然气水合物生成条件和结构存在明显区别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定气体水合物和管道壁面粘附力的装置，该装置原理可靠，操作简便，能够很好地模拟油气储运管道工况，从而测定气体水合物和管道壁面之间粘附力，为油气储运过程方案设计提供技术支持。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置测定气体水合物和管道壁面之间粘附力的方法，该方法操作过程简单，测试结果准确可靠，能为天然气管道运输安全提供重要的技术参数，市场应用前景广阔。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种测定气体水合物和管道壁面粘附力的装置，主要包括高清摄像机、高压反应釜、高压水箱、高压驱替泵、计算机、压力显示器以及高低温试验箱。其中高压反应釜为一个圆柱形带高压可视窗和双活塞的高压釜。反应釜内腔顶部和底部分别布置了一个可移动活塞，外体顶部和底部均与高压驱替泵相连，后者用于推动反应釜内活塞；顶部活塞底面焊有一弹簧，弹簧最下端连有一竖直钢制顶针，用于测定水合物和管道壁面之间的粘附力；反应釜侧壁有一高压可视视窗，用于观测水合物的生成；反应釜内壁中段正对蓝宝石视窗的位置布置有一铁块，铁块表面与弹簧下部顶针相切；反应釜侧壁上还分别布置了天然气注入口、注水口；反应釜内壁除了高压可视窗玻璃和铁块外其余地方均涂有一层疏水亲油涂料，让气体水合物在生成过程中不附着在反应釜内壁上。高压水箱用于预先储存水溶液。天然气注入口连接储存了高压原料气的气瓶。注水口下游连接水箱，水通过二者之间的输送泵注入到反应釜。压力显示器和计算机用于监测反应釜内压力、控制液压泵以及储存摄像机拍摄的视频和图片。高低温试验箱给整个系统提供低温环境。

利用上述装置测定气体水合物和管道壁面之间粘附力的方法，依次包括以下步骤：

(1)弹簧受力测定：