劉 振，王麗玲

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動態(tài)實驗研究超聲波對碳酸鈣結垢影響規(guī)律

劉 振，王麗玲

（中國石油大學（北京）， 北京 102249）

超聲波已經在一些領域發(fā)揮了重要的作用。超聲波除垢相對于化學除垢是一項新興的除垢技術，優(yōu)點是經濟、環(huán)保。其主要原理是通過空化效應，粉碎溶液中較大的結垢粒子，使其懸浮在溶液中。影響超聲波除垢效果不僅有其自身的頻率、強度等因素，還與溶液的種類、溫度、濃度、pH等有關，為了達到更好的超聲波除垢效果，還需根據(jù)具體情況，確定超聲波的參數(shù)。

動態(tài)；超聲波；碳酸鈣；結垢

1 超聲波的特性及應用領域

1.1 超聲波特性

超聲波是指頻率在20～106 kHz范圍內的機械波，波速一般約為1 500 m/s，波長為10～0.01 cm。超聲波的波長遠大于分子尺寸，說明超聲波本身不能直接對分子起作用，而是通過周圍環(huán)境的物理作用影響分子，所以超聲波的作用與其作用的環(huán)境密切相關。超聲波既是一種波動形式，又是一種能量形式，在傳播過程中與媒介相互作用產生超聲效應。超聲波與媒介相互作用可分為機械作用、空化作用和熱作用。

1.2 超聲波應用領域

1.2.1 超聲波在醫(yī)學方面的應用

治療上有兩點很明確，首先高頻率的機械振動能夠給予人體患病局部組織以一定的影響，超聲波的振動引起細胞和組織的按摩作用，這種按摩作用將導致組織血液和淋巴供應的改善，由于超聲波的熱效應，能使組織升溫，甚至達到損傷的程度[1]。

超聲波可以應用在醫(yī)學成像技術中，20世紀90年代美國研究出了一種三維超聲波掃描技術，該技術利用三維超聲波處理技術并采用并行計算方式，分析大量的反射波，非常迅速地產生圖像，使外科醫(yī)生從每個角度觀看心臟的跳動[2]。

科學家在超聲波對癌細胞的影響方面做了研究，低頻超聲波被認為是治療癌癥的潛在手段，低頻超聲波對白血病細胞株K562進行輻照，結果顯示低頻超聲波對K562細胞株有誘導凋亡的作用。[3]馬玉英利用超聲激活血卟啉進行抗腫瘤實驗，探索出超聲激活血卟啉抗腫瘤效應的最佳聲參量和最佳血卟啉濃度[4]。

1.2.2 超聲波在化工方面的應用

一些微量物質的萃取可以采取超聲波強化，超聲空化可以改善那些以植物根莖為原料的萃取過程。因為在空化核崩潰時產生的微射流既能破壞細胞壁，使細胞質溶入周圍的液體中，又能改善傳質過程，從而提高萃取速率和效率。[5]用苯等8種溶劑提取油頁巖中的瀝青質時，在50 kHz、400 W的聲場作用下提取速率相當于索氏提脂法的24倍[6]。

超聲波還可以提高原油破乳效果，是基于超聲波作用于不同的流體介質產生的位移效應實現(xiàn)的，[7]但是單一的超聲波破乳效果沒有破乳劑好，兩者結合破乳效果會好于單一的破乳劑。并且要達到較好的效果，溫度與超聲波功率都有一個最佳值。

1.2.3 超聲波在生活服務中的應用

超聲波可用于檢測鋼軌傷損部位，常用的方法有脈沖反射法、穿頭法、共振法，[8]前兩種方法根據(jù)觀察反射回來的波形判斷是否有鋼軌損傷，最后一種方法是通過調節(jié)超聲波頻率，使其發(fā)生共振，若不能則說明被測物體有損傷。此外，還可以利用超聲波的多普勒效應測定物體速度，[9]根據(jù)波源發(fā)出的頻率與觀察者接到的頻率測定觀察者的速度。

2 超聲波對CaCO3除垢規(guī)律影響因素研究現(xiàn)狀

我國很多油田開發(fā)進入中后期，油水混合液中高礦化度的地層水含量可達50%以上，水中含有Ca2 +，Mg2 +，CO32-等結垢離子[10]，嚴重影響了油田集輸系統(tǒng)的正常工作。目前工業(yè)上比較成熟的是化學除垢，比如利用高壓水槍、酸堿洗、在水中加入阻垢劑抑制垢的形成，但這些方法會造成管線的腐蝕、環(huán)境的污染。超聲波清洗起源于前蘇聯(lián)，我國于90年代初開始進行研究并投入工業(yè)使用[11]。

2.1 超聲波除垢機理

2.1.1 超聲波的空化作用

超聲波對液體的空化作用，使液體內產生大量空隙和氣泡，當其破裂時，在一定范圍內產生強大的壓力峰，能使成垢物質粉碎懸浮于液體中，并導致已形成的硬垢破碎。強壓力可達5×107Pa，這些氣泡在管道壁爆裂時，引起的高壓會粉碎已經在壁面結成的硬垢，達到除垢的效果。

2.1.2 超聲波通過提高溶液溫度抑制水垢的形成

由于空穴的破裂，會產生局部高溫，溫度的升高會促進生成的CaCO3的溶解。同時由于局部高溫的產生可以迫使水分子分裂成H+與OH-，它們可以與Ca2+、Mg2+結合。OH-可以和成垢物質離子形成諸如CaOH+、MgOH+等配合物，從而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相對提高[12]。

2.1.3 振動、剪切力作用

超聲波的頻率在20 kHz以上，會導致周圍的介質產生振動，管壁固有頻率與垢層不同，所以當垢層發(fā)生共振時，會脫離壁面。超聲波在不同介質中速度不同，在管壁的鋼材中與水垢中的傳播速度不同，會產生剪切力，使管壁與結垢的粘合力降低，最終垢會疲勞、松脫。

2.2 超聲波除垢抑垢效果的影響因素

霍文蘭、溫俊峰[13]把四種除垢劑10%的鹽酸和0.5%的NaF溶液（配比為1︰1）；10%的Na2CO3、10%的鹽酸和0.5%的NaF溶液（配比為1︰1︰1）； 10%的馬來酸酐、0.2%的NaOH和0.4%的Na3PO4溶液（配比為1︰1）與超聲波的除垢效果進行比較發(fā)現(xiàn)，僅用除垢劑能從一定量上減少垢的形成，但是當加上超聲波后，除垢能力大大提升[14]。

孫曉清等[15]研究了不同管徑與管段形狀對超聲波抑垢的影響，實驗發(fā)現(xiàn)加了超聲波時鈣離子濃度大于未加超聲波鈣離子濃度，說明了超聲波是通過增大離子濃度來抑制垢的形成，直管抑垢的效果均好于變徑管與彎頭管。

念保義，陳金平[16]研究了硬度對超聲波抑垢的影響，抑垢率隨硬度總是先降后升。在靜態(tài)實驗條件下，鈣鎂離子的濃度大于200 mg/L-1時，抑垢率逐漸增大。在動態(tài)實驗條件下，流體流速為0.05 m/s，抑垢率逐漸降低。靜態(tài)實驗比動態(tài)實驗抑垢率要大，但相差不大，但作者沒有解釋在動態(tài)情況下，抑垢率降低的原因，是否與流速相關。

李虹霞[17]研究了溶液溫度對超聲波抑垢的影響，實驗結果顯示，并非溶液溫度越高，超聲波除垢越好，因為溫度太高太低都會影響空化效果，所以有最佳溫度范圍。同時液體種類不同也會對空化效果產生影響，蒸餾水的溫度越高，超聲波除垢效果越好，說明每種液體有空化活躍溫度。液體濃度對超聲波抑垢效果也會有影響，濃度越大，抑垢效果越明顯。超聲波強度增大，也會增強抑垢除垢效果。

佟帥[18]等發(fā)現(xiàn)液體的粘滯系數(shù)、表面張力系數(shù)越大，空化閥值增大，崩潰時產生的最高溫度、壓力也隨之提高。蒸汽壓的增高會使空化效應變的緩和。為了獲得更好的空化效果，超聲除垢應該在合理的較低的溫度下進行。

3 確定實驗步驟

實驗示意圖和流程圖見圖1、2。

圖1 研究超聲波對碳酸鈣結垢影響規(guī)律動態(tài)實驗示意圖

圖2 研究超聲波對碳酸鈣結垢影響規(guī)律動態(tài)實驗流程圖

（1）按照實驗流程圖連接好實驗裝置，并檢查實驗管線以及管線和設備連接處是否漏水；

（2）向波長作用槽內加入純水，加入的水量距離波長作用槽底部14 cm處，打開超聲波波長作用槽的恒溫水浴，將溫度調到預定溫度，使得波長作用槽內的純水溫度穩(wěn)定在預設溫度；

（3）配置一定濃度的離子水；

（4）將控制離子水溫度的恒溫儀打開，溫度調節(jié)到預設溫度，使得離子水的溫度達到預設溫度；

（5）打開泵的開關，使得實驗管路穩(wěn)定運行；

（6）調節(jié)節(jié)流閥的開度，使得流量達到實驗預設流量；

（7）每隔一個小時EDTA滴定離子濃度。滴定方法為：吸取水樣50 mL，移入250 mL錐形瓶中，加入標準鹽酸3滴，混合混勻，加熱煮沸0.5 min，冷卻至50 ℃以下，加5 mL濃度為20%的氫氧化鉀溶液，再加約80 mg鈣黃綠素酚酞混合指示劑，用0.01 mol/L的EDTA標準溶液滴定至熒光黃綠色消失，出現(xiàn)紅色即為終點；

（8）通過滴定后，如果和預設濃度有偏差，計算加入離子的質量，加入分析純，使得離子濃度保持穩(wěn)定；

（9）實驗達到預定時間后，結束本實驗。將實驗管段取出，放在電熱鼓風干燥箱中充分干燥；

（10）待實驗管段充分干燥后，取出。在分析天平上稱量，記錄稱量結果；

（11）重復上述(1)-(6)步，將變頻超聲波的電源接好。調節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率和功率按鈕，將超聲波的頻率和功率調節(jié)到預定值。超聲波的功率范圍為0~3 000 W，頻率范圍為20~85 kHz；

（12）每隔1 h，按照步驟(7)，EDTA滴定離子濃度。如果和預設濃度有偏差，計算加入離子的質量，加入分析純，使得離子濃度保持穩(wěn)定；

（13）實驗達到預定時間后，結束本實驗，將實驗管段取出，放在電熱鼓風干燥箱中充分干燥；

（14）待實驗管段充分干燥后，取出。在分析天平上稱量，記錄稱量結果，結束實驗；

（15）將結垢質量轉換為實驗管段壓降，作出各種參數(shù)條件下，壓降隨時間的變化曲線。

4 實驗結果分析

4.1 管壁材質對超聲波除垢效果的影響

實驗條件：實驗段管內溫度為60 ℃，實驗段管外溫度為25 ℃，管內流速為1.2 m/s，管內壁的剪切應力為0.3 Pa，溶液硬度為1 000，溶液pH為8，超聲波功率為100 W，超聲波頻率為50 kHz，圖3的材質為不銹鋼管，圖4的材質為銅管。

圖3 超聲波作用于不銹鋼管對結垢的影響

圖4 超聲波作用于銅管對結垢的影響

從圖3、4可以看出，首先抑垢方面，超聲波功率小于200 W為抑垢效果，超聲波對銅管的抑垢效果比對不銹鋼管要好，但這有可能是因為鋼管壁光滑，導致超聲波抑垢效果不明顯造成的。但是超聲波對同種材質管抑垢效果比無超聲波作用的好，抑垢率在75%以上。

4.2 超聲波功率對除垢效果的影響

實驗條件：實驗段管內溫度為60 ℃，實驗段管外溫度為25 ℃，管內流速為1.2 m/s，管內壁的剪切應力為0.3 Pa，溶液硬度為1 000，溶液pH為8，超聲波頻率為50 kHz，材質為銅管，改變超聲波功率分別為0、30、100、200 W。

實驗發(fā)現(xiàn)超聲波除垢效果與功率有關，功率越大，除垢效果越好（圖5）。

圖5 超聲波功率對結垢的影響

4.3 超聲波頻率對除垢效果的影響

實驗條件：實驗段管內溫度為60 ℃，實驗段管外溫度為25 ℃，管內流速為1.2 m/s，管內壁的剪切應力為0.3 Pa，溶液硬度為為1 000，溶液pH為8，超聲波功率為100 W，材質為銅管，改變超聲波頻率分別為85、53 kHz。

實驗發(fā)現(xiàn)，53 kHz超聲波處理的溶液中，析出的CaCO3晶體大部分為小球狀結晶，晶粒比較均勻，顆粒數(shù)目多且細小，并伴有部分文石型結晶；85 kHz超聲波處理的溶液中，析出的CaCO3晶體多為文石型結晶，小球狀結晶所占比例較小。不同頻率的超聲波阻垢機理不同，超聲波頻率增高，會提高空化閾值，使空化過程難以發(fā)生，并且超聲波的頻率越高能量損失越快，需要供給更大的能量，當頻率過高可以采取增加聲波強度的方法，增強空化效應（圖5）。

圖6 超聲波頻率對結垢的影響

4.4 pH對超聲波除垢效果的影響

實驗條件：實驗段管內溫度為60 ℃，實驗段管外溫度為25 ℃，管內流速為1.2 m/s，管內壁的剪切應力為0.3Pa，溶液硬度為1 000，超聲波功率為100W，超聲波頻率為50 kHz，材質為銅管，pH分別設置為6.0、7.5、9.5。

實驗發(fā)現(xiàn)，pH對超聲波抑垢率有影響，偏酸偏堿溶液都會促進垢的形成，降低超聲波的作用（圖7）。

圖7 溶液pH對超聲波除垢的影響

5 結論

超聲波在各個領域已經初步展現(xiàn)了其作用，而且在一些領域已經發(fā)揮了重要的作用。在未來它一定會繼續(xù)深入各個領域，發(fā)揮其潛在的能力。

超聲波相對于化學除垢是一項新興的除垢技術，優(yōu)點是經濟，環(huán)保。其主要原理是通過空化效應，粉碎溶液中較大的結垢粒子，使其懸浮在溶液中。但是可以看出影響超聲波除垢效果的不僅有其自身頻率、強度等因素，還與溶液的種類、溫度、濃度、pH等有關，所以為了達到更好的超聲波除垢效果，還需根據(jù)具體情況，確定超聲波的參數(shù)。

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Dynamic Experimental Study on Effect of Ultrasound on Calcium Carbonate Scaling

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（China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China）

Ultrasound has played an important role in many aspects. Compared with chemical descaling, ultrasound is an emerging technology, which is economic and environmental friendly. The main principle is to crush larger scaling particles to suspend in solution by cavitation effect. While, factors to affect ultrasound descaling effect are not only natural frequency and strength, but also type, temperature, density and pH of the solution. So, in order to achieve better descaling effect, the parameters of the ultrasound should be determined according to the specific situation.

Dynamic; Ultrasonic; Calcium carbonate; Scaling

TQ 016

A

1671-0460（2014）06-0935-04

2013-12-05

劉振（1987-），男，山東菏澤人，中國石油大學（北京）機械學院石油與天然氣工程在讀碩士，研究方向：從事油氣長距離管輸技術、多相管流及油氣田集輸技術。E-mail：liuzhen09@126.com。