2016, Vol. 38
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2. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院, 北京 昌平 1022493;
3. 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院, 山东 青岛 266580
2. College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Changping, Beijing 102249, China;
3. College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580, China
输油管道投产前，一般用水进行压力测试，因此，管道内壁首先被水相润湿。中国管道投产前，一般不对管道进行干燥处理，投产时直接用油品顶替水相。投产后，油相驱替水相润湿管壁内表面。一般油相环境中不易发生腐蚀，然而国内成品油管道运行一段时间后，发生大量腐蚀现象[1-2]，给管道的安全运行造成了极大的威胁。Aspenes G等[3-4]研究发现，由于铝具有亲水性，铝制管道内比不锈钢及玻璃管道更易形成水合物，由此推测，亲水性管材内也易形成腐蚀环境。Arney M等[5]和Da Silva R C R等[6]发现水泥和玻璃管内易形成核心环状流，认为这是由于水泥和玻璃比树脂玻璃更具亲水性所致。Angeli P等[7]和张修刚等[8]对比有机玻璃管和钢管内的油水两相流时均发现，钢材比有机玻璃更具亲水性。水相中加入离子有助于在固液界面处产生电荷，可使碳钢表面更具亲水性，有利于碳钢表面水膜的稳定[6, 9-12]，但对于玻璃表面影响较小[13]。王业飞等[14]提出：无机盐的存在能够改变石英的润湿性，有助于沥青质对其吸附。
目前，还少有作者研究预润湿对接触角的影响，本文以此为研究重点，同时分析管壁材料、液相中离子浓度以及壁面粗糙度等因素对润湿接触角的影响。
1 实验装置与方法 1.1 实验装置由于现有的接触角测量装置主要针对气液固三相体系，因此为测量不同预润湿工况下液液固体系中的接触角，自主设计制造了接触角测量仪。如图 1所示，测量仪由测试平台，图像采集系统及后处理系统3部分构成。测试平台为直径10 cm的不锈钢圆柱容器，两侧有直径5 cm的观察窗。容器内设有放置试片的塑料支架，通过在试片上、下表面滴入液滴，可以测量不同预润湿工况下的接触角。
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| 图1 接触角测量仪 Fig. 1 The goniometer for measuring the contact angle |
实验采用CCD摄像机对数据进行采集，然后利用PCI采集卡将采集到的数据传递至电脑，最后利用录屏软件储存实验数据。另外，在测试平台后安装背景光源以使采集到的数据清晰。
利用RINCON图像处理软件测量两个接触点之间的弦长L以及液滴直径D，通过式(1)计算接触角。
| $ \theta = {\rm{arcsin }}\left( {L/D} \right) $ | (1) |
式中：θ-接触角，(°)；
L-接触线长度，m；
D-液滴的直径，m。
1.2 实验样品实验中，固体表面为实验室常用的透明有机玻璃和工业上常用的X65碳钢，油品为一种名为LVT200的人工合成油，该油品的分子结构与成品油相似，均为链状结构，常温下该油品的黏度为2.0 mPa·s，密度为825.1 kg/m3。水相采用蒸馏水以及质量分数分别为5%和10%的NaCl溶液。
1.3 实验步骤实验严格按照统一的步骤，以消除初始条件及表面污染对结果的影响，从而保证实验结果的准确。
(1)对设备进行清洗、烘干，然后进行组装。
(2)清洁固体表面
①试件为有机玻璃时，用蒸馏水清洗后烘干；
②试件为碳钢时，先用丙酮清洗，并用砂纸打磨表面，然后放入装有异丙醇的超声波除垢机中除垢。待烘干后，迅速放入测试装置中，以防表面氧化。
(3)调整测试表面位置，使其略微倾向摄像头，从而露出液滴与固体表面间的接触线。
(4)调节摄像头，使数据在屏幕上成像清晰。
(5)打开录屏软件，待录像开始后，用注射器在表面滴入液滴。
2 实验结果分析 2.1 碳钢表面润湿性研究 2.1.1 预润湿对接触角的影响为研究水相预润湿和油相预润湿对X65碳钢表面润湿性的影响，分别以蒸馏水，质量分数为5%和10%的NaCl溶液为水相，LVT200为油相，对接触角进行了测量。实验结果显示：相对于油相预润湿固体表面，水相预润湿时的接触角更小(表 1)，即碳钢的亲水性更强。该现象在采用蒸馏水时尤为明显，接触角由102.2°变为41.1 °，碳钢表面直接由憎水性变为亲水性。
| 表1 不同工况下的润湿情况 Table 1 The wettability under different conditions |
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液滴润湿固体表面是一个逐渐发展、最终达到平衡的过程。固体表面的预润湿历史在影响接触角大小的同时，还影响着液体在固体表面的润湿过程。以水相为10%NaCl溶液为例，其不同预润湿条件下接触角随时间变化如图 2所示。
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| 图2 不同预润湿工况下X65碳钢表面接触角变化图 Fig. 2 The contact angle on X65 carbon steel surface under different pre-wetting conditions |
当油相预润湿碳钢表面时，水相液滴能够以较快的速度润湿固体表面；当水相预润湿碳钢表面时，油相液滴润湿碳钢的速度则较缓慢。这种现象是由碳钢的亲水性所导致的。水相润湿碳钢后，在表面形成了稳定的水膜，水膜的存在延迟了油相对碳钢表面的润湿。
2.1.2 离子浓度对接触角的影响由于固体表面的预润湿历史对接触角的影响较大，因此，不同离子浓度下的接触角分别在以下两种工况下进行测量：固体表面被水相预润湿和固体表面被油相预润湿。从表 1可见，无论X65碳钢表面先被水相预润湿还是先被油相预润湿，水相中离子浓度的增加使得水相与X65碳钢表面的接触角均表现出不同程度的减小，即X65碳钢的亲水性增强。当碳钢表面被油相预润湿时，这种现象最为突出，水相为蒸馏水时的接触角为102.2 °，X65碳钢表面呈亲油性；随着水相中离子浓度的增加，接触角变为70.2 °和55.9 °，X65碳钢表面由亲油性变为亲水性。
2.2 有机玻璃表面润湿性研究 2.2.1 预润湿对接触角的影响有机玻璃表面的接触角也受预润湿历史的影响(表 1)。有机玻璃被水相预润湿时的接触角要小于被油相预润湿时的接触角，但在两种工况下，有机玻璃均呈憎水性。这是由于预润湿使固体表面被液膜覆盖，在电离层的作用下，液膜有阻止固体表面被第三相润湿的倾向。
2.2.2 离子浓度对接触角的影响对比相同预润湿条件、不同离子浓度下的接触角，可以发现：在有机玻璃表面，接触角受水相离子浓度的影响相对较小。这是由于离子浓度的改变对于油-水-有机玻璃三相体系各界面之间的表面张力影响较小，根据Young式方程，接触角仅与表面张力有关，因此离子浓度的改变对接触角影响较小。
2.3 碳钢表面粗糙度对润湿性的影响本实验所用X65碳钢铁元素含量97.6%，其余锰、镍、硅等元素的质量分数分别为1.16%，0.36%和0.26%。为研究表面粗糙度对润湿性的影响，用3种型号的砂纸对碳钢表面进行打磨，对应的粗糙度分别为1.5，6.0，40.0 μm。从表 2[15]可以看出，当水相预润湿碳钢时，3种粗糙度表面均呈较强的亲水性，表面粗糙度对润湿性影响较小。当油相预润湿碳钢时，3种粗糙度表面全部呈亲水性，粗糙度为1.5 μm和6.0 μm时，碳钢的润湿性基本相同，说明在相对光滑的壁面，粗糙度对润湿性的影响较小；而粗糙度为40 μm时的接触角要大于前两种，说明在油相预润湿情况下，较光滑的表面表现出更强的亲水性。考虑到国内管道投产时，管壁为水相预润湿，管壁粗糙度对其润湿性的影响较小。
| 表2 不同粗糙度表面碳钢的润湿情况 Table 2 The wettability on the different roughness carbon steel surface |
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在油相预润湿和水相预润湿两种工况下，有机玻璃均呈现出较强的亲油性，并且水相中离子浓度的改变对其润湿性影响很小；碳钢则主要呈现出较强的亲水性，水相中离子浓度的改变对其润湿性有较为明显的影响，尤其在碳钢表面被油相预润湿的工况下，无机盐的加入使碳钢由憎水性变为亲水性(表 1)。
固体材料对接触角的影响不仅表现在平衡后接触角的大小，而且还表现在动态的润湿过程中(图 3)。水相润湿碳钢是一个持续的过程，接触角在10 min后达到稳定；而水相润湿有机玻璃所需时间较短，接触角在1~2 s内基本达到稳定。该现象对含水输油管道内壁的腐蚀有较大的影响，一部分水滴在油流湍动以及水滴相互作用的影响下，接触管壁的时间较短，不能形成有效的润湿，该处发生腐蚀的几率较小；一部分水滴则能够充分接触管壁，形成有效润湿，由于碳钢具有亲水性，油相不能完全驱替表面的水相，在该处则容易发生腐蚀。在输油管道中，影响管壁润湿性的不仅是管壁的材质，还和润湿历史以及管内流动状态有很大关系，以上因素导致管内腐蚀点的分布具有一定的随机性。
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| 图3 不同表面水滴润湿固体表面过程图 Fig. 3 The wetting process of water droplet on different solid surface |
(1)在LVT200-水相环境中，碳钢具有较强的亲水性，无机盐离子有助于提高碳钢的亲水性；有机玻璃则具有较强的亲油性，离子对其润湿性影响较小。
(2)预润湿的一相在固体表面形成液膜，在电离层的作用下，液膜有阻止固体表面被第三相润湿的倾向。
(3)在不同的固体表面，不仅接触角存在较大的差异，而且润湿过程、润湿所需的时间也存在极大的不同。
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