Cu-Zn-X合金电化学防蜡防垢的微观机制研究

油井管道的结蜡结垢是困扰原油开采输运的普遍难题。电化学防蜡防垢技术是近年来快速发展起来的一门新兴技术，该技术是以特种电化学合金为核心，具有成本低、无污染、效率高、有效期长、适用范围广等优点。本项目在前期研究工作的基础上，以相图理论和材料电位理论为指导，优化设计Cu-Zn-X(X=Ni、Sn、Al、Re…)多元电化学合金的成分，成功制备出具有多重氧化还原电位能级的电化学合金；探索合金成分-组织-性能之间的关系，弄清合金元素和合金元素含量对合金电化学性能的作用，以期达到对合金电化学性能的有效调控；搭建防蜡防垢模拟实验装置，系统研究电化学合金对油水流体表面张力、粘度、PH值、结晶过程等因素的影响；研究电化学合金作用后蜡质垢质和流体性质的内在变化，建立合金成分-合金电化学性能-防蜡防垢性能之间的定量关系，揭示电化学合金防蜡防垢的微观机制，为特种合金防蜡防垢技术的推广应用奠定坚实的理论和实践基础。

油井管道的结蜡结垢是困扰油气开采输运的行业难题。电化学防蜡防垢技术是近年来快速发展起来的一门新兴技术，该技术是以特种电化学合金为核心，具有成本低、无污染、效率高、有效期长、适用范围广等优点。. 本项目以相图理论和材料电位理论为指导，优化设计了Cu-Zn-X多元电化学合金的成分，采用电阻炉-真空电弧炉熔炼铸造出具有多重氧化还原电位能级的Cu-Zn-Ni、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-RE(Ce、La、Sm、Y)、Cu-Zn-Ni-Mn、Cu-Zn-Ni-Mn-Ce-Pt等体系合金，研究发现合金元素的添加将使合金组织发生显著变化，稀土Ce、La、Sm对合金组织的细化效果明显。硬度测试发现，退火后所制备的合金的硬度总体上呈现降低的趋势。. 防垢模拟实验研究结果显示由于铜基合金的电化学作用，明显减轻了45#钢表面的结蜡结垢现象；并且退火态的铜基合金的电化学效应要比铸态的铜基合金强，其防蜡防垢能力也较强。电化学合金对硬水PH值影响研究表明：PH值的总体变化趋势是先上升，后下降。. 电化学合金防垢机理研究表明锌在阳极反应中失去电子，溶出的锌离子影响碳酸钙晶体的形核、生长。合金原电池影响碳酸钙溶解和晶体形核生长的过程，合金析出的二价金属阳离子对碳酸钙晶体形成的影响是合金具有阻垢作用的主要因素。二价金属阳离子对整个碳酸钙结晶过程影响是多方面因素综合叠加的结果，既影响晶体物质的溶解度和形核，又影响晶体的生长速度，甚至会显著改变晶体的结晶习性，从而起到防垢作用。防蜡机理研究表明，合金作用下原油静电位的变化以及石蜡分子的改性作用可能是防蜡的主要机制。. 研究同时发现该类合金对于微纳米粒子（如CaCO3、石墨等）具有极强的分散和防团聚能力，该类合金可广泛应用于特种润滑油及热水器行业。经过防垢铜合金处理的微米石墨表面引入了特殊官能团，改变了石墨分子的极性，使其更容易分散于润滑油中。. 同时，研究发现通过喷砂、浓盐酸化学蚀刻、肉豆蔻酸乙醇溶液修饰金属，可使金属表面获得了超疏水性，有利于防垢性能的提高。. 通过本项目的研究，弄清了电化学合金作用后流体性质的内在变化，成功揭示了电化学合金防蜡防垢的微观机制。同时通过本项目的开展，批量制备出性能稳定电化学防垢合金，该合金加工的防垢器件正运用于胜利油田、华北油田的现场试验，有望为特种合金防蜡防垢技术的推广应用奠定更加坚实的理论和实践基础。