霍苗苗，柴清平，张忠政，崔广建，刘太和，郭客

高分子聚合物减阻类型及影响因素探讨

霍苗苗1，柴清平1，张忠政2，崔广建2，刘太和2，郭客1

（1. 鞍钢集团矿业设计研究院有限公司，辽宁 鞍山 114000；2.鞍钢集团矿业弓长岭有限公司露采分公司，辽宁 辽阳 111000）

介绍了减阻现象的发现及发展，系统讨论了高分子减阻剂，包括减阻现象的发生机理，聚合物的分子结构、相对分子质量以及溶剂对高分子聚合物减阻剂的影响。

减阻技术；高分子聚合物；分子结构

1 前言

1.1 减阻剂简介

FORREST[1]等首次报道了纤维悬浮湍流管道中的能源损失减少。后来，MYSELS[2]发现，通过添加一种阴离子表面活性剂（铝二酸皂），汽油管道流动的摩擦阻力明显减小，这是首次被认可的减阻剂。在进行聚合物降解研究的同时，TOMS[3]观察到在氯苯中加入长链聚合物（聚甲基丙烯酸甲酯）可降低80%的湍流摩擦阻力。他指出聚合物是有效的减阻剂，在恒定的压力变化下，加入聚合物可以提高液体流速。他将阻力比表达为同一管道中相同流速下减阻液的压力差与溶剂的压力差之比。任何阻力比小于1的流体都是减阻流体。

=∆/∆s。 （1）

因此减阻率可以定义为：

= （1-）×100% 。 （2）

高分子减阻的首次商业应用是将原油从阿拉斯加的北坡输送到阿拉斯加南部的瓦尔迪兹。由于铝二酸皂的抗剪切能力差，因此不适合作减阻剂。后来发现表面活性剂加入到水相系统中可有效减阻，并且抗剪切能力强，可循环利用。SAVINS[4]发现阴离子表面活性剂具有良好的减阻性能且稳定性好，但存在易沉淀和起泡的问题。ZAKIN[5]等发现非离子表面活性剂的有效减阻温度范围很窄，限制了它们的应用。CHOU[6]指出，阳离子表面活性剂具有更宽的有效减阻温度范围，抗剪切能力强，不易起泡，因此更有效实用。

1.2 减阻剂应用

减阻剂（DRAs）的应用大大降低了系统的能量损耗，增加了运输流量。减阻剂的第一个著名应用是1979年穿越阿拉斯加（TAPS或Alyeska）管道的原油运输。管道长800英里，直径48英寸。在泵站下游注入高相对分子质量聚合物的浓缩溶液，减阻剂质量分数为1 mg·kg-1，运输量增加了30%。聚合物减阻剂也成功应用于其他国家管道输送，如伊拉克—土耳其、澳大利亚的巴斯海峡、孟买近海和北海近海输油管道以及成品油气生产线。

聚合物减阻剂的应用范围较广，包括油田作业、泥浆或液压胶囊管道运输、增加消防设备中的水流和水射流聚焦、防止暴雨后污水系统中的水溢出、增加水电和灌溉系统中水的体积流量。

表面活性剂类减阻剂可用于区域加热或冷却系统（DHC）。循环水消耗能量约占DHC系统总能耗的15%。为了降低这一能耗需求，可通过减少循环水系统中的摩阻损失来实现。表面活性剂可以降低泵的50%~70%能量需求，效果取决于使用的表面活性剂种类。如果管道的分支较少，或管道较长，或配件（如阀门、弯头等）数量较少，减阻剂发挥的作用更大。

现场试验表明，表面活性剂类减阻剂可用于小区的供热系统中，可大幅度减少管道流动能量。罗兴[7]等发现在集中供热与空调水输配系统中使用添加剂，在降低系统水泵能耗的同时还可以提高系统输送量，从而降低系统投资成本。表面活性剂减阻应用到DHC系统外，还可以防止管道输送引起的局部腐蚀。表面活性剂不仅能在恒定的雷诺数下降低管壁剪切力，而且还能抑制壁面附近的湍流涡流。湍流对壁面的反复冲击造成间歇性应力，导致管道的机械损伤。

2 高分子聚合物减阻

2.1 减阻类型

在稀溶液中，湍流区域的减阻发生在起始雷诺数以上，其摩擦因子低于普通牛顿流体。当雷诺数小于起始值时，无减阻现象。 对于浓度高的聚合物溶液，可延长层流区达到减阻效果。在低雷诺数下，减阻发生的初始条件为层流-湍流不发生转变，并延长层流区域，其摩擦因子低于相同雷诺数下的普通牛顿湍流。

初始阶段，阻力减少随着流量的增加而增加，直到达到临界壁面剪应力[8-9]。此时管壁区域的聚合物降解速率超过了该区域聚合物的恢复速率，减阻效果开始减弱。这两种减阻的区别在于减阻发生的区域不同。前者开始于完全湍流区，后者出现在延长层流区。VIRK等将这两种类型减阻称为A型和B型减阻[10]。

2.2 初始减阻

VIRK[11]认为，流体在管内湍流流动时，紧靠壁面的一层流体为黏性底层，其次为弹性层，中心为湍流核心。他通过试验测得速度分布，发现减阻剂溶液湍流核心区的速度与纯溶剂相比大了某个值，但速度分布规律相同，而且弹性层的速度梯度增大，导致阻力减小。

对于无规则卷曲结构的聚合物溶液，管壁剪切力或剪切速率达到一定值后，减阻才会发生，这便是初始减阻。其发生机理可能是聚合物分子在延伸流动区域的拉伸或众多分子缠绕而达到湍流漩涡的大小。VIRK[11]发现，初始剪切力不取决于管径大小。同一聚合物溶液在不同管径下具有不同的初始雷诺数，反映了初始剪切力或剪切速率。因此，初始减阻由初始剪切力和剪切速率来决定更为合适。

在预测初始减阻现象时，研究人员提出3种假设，即长度尺度、时间尺度和应变储能模型。 VIRK[12]等提出了长度尺度模型，当聚合物长度尺度（回转半径）与湍流长度尺度的比值达到一定值时，就会发生减阻情况。 在时间尺度模型中，当时间比（或Deborah数）接近1时，减阻现象开始出现。时间比是指聚合物弛豫时间和湍流时间尺度的比值。大多数研究人员倾向于时间尺度模型说法，因为在初始阶段，聚合物的尺寸比湍流涡流尺寸小几个数量级，而聚合物弛豫时间与湍流时间尺度大致相同[13]。在基于高斯珠弹簧理论的应变储能模型中，KOHN[14]认为聚合物分子在靠近管壁面的高剪切力作用下储存能量，并在输送到核心低剪切区时通过弛豫释放能量。

2.3 最大减阻曲线

早期的研究报告指出低浓度聚合物溶液存在最大减阻曲线。根据VIRK的假说，减阻剂浓度增大，弹性层厚度也增大，当弹性层扩展到管轴时，减阻达到了极限。该假说成功地解释了最大减阻现象。通常，当浓度为几十或数百mg·kg-1时，可以实现最大减阻[15]。CASTRO等研究了两种不同相对分子质量的聚乙烯氧化物，并用以下方程作为最大减阻曲线[16]。

其中，C为范宁摩擦因子，Re=ρUD/，溶剂密度，溶剂的动态黏度，U为平均速度，为管道内径。

VIRK[17]将不同聚合物溶液的流动数据相关联，得到了最大减阻曲线（MDRA）方程。

或 Cf≈0.58Re-0.58­(4 000≤Re≤40 000)。（5）

此外，VIRK等从式（4）推导出流体速度分布，提出了湍流区减阻流体的模型，类似于牛顿流体的模型。可概括为无量纲形式：

黏性底层：（0<+<11.6）

+=+。 （6）

+=2.5ln++5.5Δ。 （7）

其中是流体的运动黏度。

VIRK等将减阻流体的速度模型和任何雷诺数下的牛顿流体的速度剖面进行比较，提出了最大弹性边层的速度剖面曲线。

+=11.7ln+-17 。 （10）

对于大多数聚合物溶液，减阻曲线（摩擦因子和平均速度）位于以牛顿线和VIRK线为界的区域。

3 高分子减阻影响因素

3.1 相对分子质量效应

当聚合物相对分子质量小于105时，一般无法达到减阻效果。因此，聚合物达到一定相对分子质量后才具有减阻效应，也成为起始相对分子质量。对于给定的浓度和雷诺数，减阻效果随平均相对分子质量的增加而增加。VIRK[19]认为，对于相同的聚合物种类，相对分子质量的增加导致起始剪切应力的降低。帕特森和阿伯纳西指出，聚合物溶液中，相对分子质量最高的物种主要决定了减阻效果。JACOBS[20]等利用现代凝胶渗透色谱技术进一步证实了这一结论。HUNSTON[21]等采用virk-Little关系曲线表达特性减阻率DR、特性浓度与的关系。

DR/=(-) 。 （11）

HUNSTON还提出最高相对分子质量的聚合物主要决定了起始剪应力。他们通过实验发现，当 2.5 mg·kg-1质量分数的高相对分子质量聚苯乙烯（710万）和25 mg·kg-1质量分数的低相对分子质量聚苯乙烯（180万）混合使用时，减阻效果几乎与单独使用聚苯乙烯（710万）相同。然而，当低相对分子质量聚合物的质量分数增加到100 mg·kg-1时，低相对分子质量聚合物对混合物的减阻效果做出贡献。ZAKIN曾利用两个窄相对分子质量分布（2M+7M）的混合聚苯乙烯研究减阻率与相对分子质量分布的关系，发现对减阻率起决定作用的是高相对分子质量部份的分子。

3.2 浓度效应

一般来说，在固定流速下，减阻随着聚合物浓度的增加而增加，直到达到一定的浓度，这个浓度通常称为饱和浓度，当溶液高于此浓度，减阻效果开始下降。随着浓度的增加，起初的减阻增加可能是由于聚合物分子的增加，导致湍流涡流的减少[18]。当溶液浓度达到饱和浓度后，减阻的降低是由溶液黏度的增加引起的。浓度与随机卷绕聚合物溶液的减阻效果有定量关系。减阻溶液摩阻曲线的斜率与溶剂的斜率之差称为斜率增量。VIRK[19]认为减阻斜率增量与聚合物浓度的1/2次幂成正比。

=/(/)1/2。 （12）

其中是斜率增量。

3.3 分子结构和溶剂效应

SELLIN[22]等发现，没有分支的线性聚合物比其他聚合物能更有效的减阻。聚氧乙烯和聚二甲基硅氧烷是两种最有效的聚合物减阻剂。聚合物溶液是否能够减阻取决于单个分子在流体中的应力拉伸。聚合物的分子构象会导致不同类型的减阻。对于柔性较差的无规线团聚合物，通常减阻从层流到湍流发生转变，并最终在湍流区域发生。另一方面，柔性聚合物通常不表现出明显的转变。减阻现象发生在扩展的层流区域。这可能是因为在层流或过渡区已经达到了起始剪切速率或剪切应力。

Meier研究了氢化聚异戊二烯的结构对原油的减阻效果，发现它在原油中的溶解性、抗剪切性能和减阻能力和分子链的刚柔性有关。分子链柔性增强，其减阻效率也会提高。高许多学者通过改变聚合物分子与溶剂之间的相互作用来研究分子构象对减阻的影响。HERSHEY[9]等发现在良好的溶剂环己烷中，聚异丁烯的减阻能力优于较差的溶剂苯。他们指出，良溶剂的减阻作用大于不良溶剂的减阻作用，后者可使聚合物分子在溶液中更自由地膨胀，而不良溶剂的分子体积较小。

HUNSTON[21]发现，当聚合物分子溶解在更好的溶剂中时，减阻现象发生得更早。在较差的溶剂中，聚合物机械降解比在良好的溶剂中更快。

3.4 聚合物减阻稳定性

聚合物作为减阻剂有一个严重的缺点，就是在高剪切或拉伸应力下会永久降解。高相对分子质量的聚合物有易降解的特性，机械降解速率随相对分子质量的增加而增大。这一缺点阻止了聚合物在再循环系统中的应用，在这种系统中，泵中的高剪切应力不可逆转地降解高相对分子质量分子。SOHN[23]等研究了不同介质中（去离子水和NaCl盐溶液）不同相对分子质量的黄原胶的减阻特性以及抗剪切特性，发现其减阻特性在盐溶液中比在去离子水中更稳定。这主要是因为NaCl的添加导致黄原胶分子构象发生变化，Na+与黄原胶分子侧链结合，消除分子链上负电荷产生的斥力，分子链会发生无序到有序的转变，其中主链呈螺旋构象，带电的三糖侧链将重构回到主链上，从而稳定有序构象。

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Study on Reluctance Reduction Types and Influencing Factors of Polymer

1,1,2221

（1. Ansteel Group Mining Design and Research Institute, Anshan Liaoning 114000, China;2. Ansteel Group Mining Gongchangling Co., Ltd. Open Mining Branch, Liaoyang Liaoning 113001, China）

The discovery and development of drag reduccution were introduced, and the mechanism of drag reduction, the molelar structure, molecular weight as well as influence of solvent on the resistance reducer of polymer were systematically discussed.

Drag reduction; Macromolecule polymer; Molecular structure

2020-08-07

霍苗苗（1992-），女，辽宁省鞍山市人，二级工程师，硕士研究生， 2017年毕业于中南民族大学，研究方向：矿用化学材料。

TQ021

A

1004-0935（2021）01-0042-04