氣液混輸管線水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流實(shí)驗(yàn)

高嵩，尤云祥，俞忠，胡天群，譚練武

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240)

在海底油氣開采過程中，主要通過鋪設(shè)在海底的管線和連接到海洋平臺(tái)的立管系統(tǒng)將儲(chǔ)存于海底的油氣輸送到海洋平臺(tái)上.隨著海洋油氣開發(fā)向深海發(fā)展，位于海底的混輸管線越來越長，當(dāng)管內(nèi)氣液流量較低時(shí)，容易出現(xiàn)稱為嚴(yán)重段塞流(severe slugging)的特殊有害流型.嚴(yán)重段塞流是一種具有很強(qiáng)的周期性的流型，表現(xiàn)為管內(nèi)壓力和出口氣液流量呈現(xiàn)周期性劇烈波動(dòng)，不僅會(huì)造成油井大幅減產(chǎn)，而且管線出口的斷流和劇烈出流交替出現(xiàn)會(huì)給下游處理設(shè)備造成問題［1］.這些都會(huì)給正常生產(chǎn)帶來困難，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)等事故.此外，嚴(yán)重段塞流的液氣強(qiáng)烈噴發(fā)還會(huì)加劇管壁腐蝕，尤其是對(duì)立管管壁的腐蝕，而且噴發(fā)帶來的壓力劇烈波動(dòng)會(huì)引起管道的振動(dòng)，造成管線接頭和支柱的機(jī)械損害，縮短其使用壽命，對(duì)作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成危害［2］.嚴(yán)重段塞流危害程度與立管內(nèi)流型及物理參數(shù)變化規(guī)律相關(guān).為此，有必要對(duì)該流型的形成機(jī)理及其流動(dòng)特性進(jìn)行深入研究，以便于尋找有效措施來減緩或避免上述危害.

嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象自1973年被提出后，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，文獻(xiàn)［3-5］等采用模型試驗(yàn)方法開展深入研究，研究的方向主要集中在嚴(yán)重段塞流產(chǎn)生機(jī)理、嚴(yán)重段塞流分類方式、管內(nèi)流型流態(tài)的變化特性、管內(nèi)液塞速度、液塞長度、壓力波動(dòng)、流動(dòng)周期等參數(shù)的變化特性，以及探索控制緩解其危害的方法等方面，并取得了許多重要成果.

本文采用水平管—下傾管—立管管線系統(tǒng)，對(duì)水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.在該實(shí)驗(yàn)裝置中，下傾管段設(shè)計(jì)得較短，這種設(shè)計(jì)其目的在于使水平管中的阻塞流進(jìn)入到下傾管后不會(huì)消失，能夠在立管中形成水力嚴(yán)重段塞流.在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)出現(xiàn)水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流的氣液流量組合及其產(chǎn)生機(jī)理與壓力波動(dòng)特性等進(jìn)行了分析與研究.

1 管線系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)在上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)管道是由水平管、下傾管和立管組成的管線系統(tǒng)，如圖1所示.其中，HI段為水平管，長度L2=16.692 m;IJ段為下傾管，長度L3=0.61 m，傾角 β=3°;JK 段為立管，高度 L4=3.74 m.為了便于觀察，管道均采用內(nèi)徑0.026 m的透明有機(jī)玻璃管.水路系統(tǒng)主要由集水器、水泵、穩(wěn)壓水箱、液體流量計(jì)量及控制器等組成，氣路系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、穩(wěn)壓氣罐、氣體流量計(jì)量及控制器等組成.氣液混合器設(shè)置在H處，它與液體入口G之間的距離為L1=4.455 m.

實(shí)驗(yàn)過程中，氣體進(jìn)流流量采用ALICAT公司生產(chǎn)的流量計(jì)進(jìn)行測量，量程范圍為0～50 L/min.該流量計(jì)同時(shí)內(nèi)置有一個(gè)比例調(diào)節(jié)閥，可通過PID控制器來自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開啟度，以保證氣體進(jìn)流流量的穩(wěn)定性.采用美國Thermal Instrument Company生產(chǎn)的9 500型熱式質(zhì)量流量計(jì)對(duì)液體進(jìn)流流量進(jìn)行測量，量程范圍為0～50 L/min.液體流量控制器由德國福林公司生產(chǎn)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及虹潤精密儀器有限公司生產(chǎn)的PID控制器組成，由PID控制器根據(jù)當(dāng)前液體流量自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開啟度，以保證液體進(jìn)流流量.

在水平和垂直管段各布置了一臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)，用來研究水平管與立管中氣液兩相流型特征及其相關(guān)關(guān)系，并分析各種流型的產(chǎn)生機(jī)理及其演化特征.在下傾管與立管連接彎頭處(即圖1中J點(diǎn))，設(shè)置了一個(gè)壓力傳感器，用來對(duì)管道內(nèi)壓力變化特性進(jìn)行測量分析，并研究其與相關(guān)流型之間的關(guān)系，量程范圍為0～50 kPa.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch of the experiment system

2 實(shí)驗(yàn)描述及結(jié)果分析

氣液兩相混輸管道中，入口處氣液相折算速度是決定管內(nèi)流型的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)驗(yàn)主要通過調(diào)節(jié)入口處氣液兩相質(zhì)量流量來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)入口處的折算速度.實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用空氣和水，試驗(yàn)參數(shù)范圍為氣相折算速度 0.036 ～1.45 m/s，液相折算速度 0.036 ～1.45 m/s.

實(shí)驗(yàn)過程中，首先調(diào)節(jié)液體流量控制閥，使管道入口處液體進(jìn)流量保持穩(wěn)定，打開氣閥，調(diào)節(jié)氣體流量觀測水平與立管中的流型變化.

2.1 水平管與立管中流型特征

圖2、3給出了管線系統(tǒng)內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的流型圖.Vsg為氣體在出口狀態(tài)下的折算速度，Vsl為水的折算速度.本次實(shí)驗(yàn)中，水平管內(nèi)共觀察到了4種流型，分別為分層流、阻塞流、氣團(tuán)流和段塞流，而在立管中則觀察到了5種流型，分別為地形嚴(yán)重段塞流、過渡流型、水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流、氣團(tuán)流及段塞流.

當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)入口氣液體均處于較小流量范圍時(shí)，水平管和下傾管內(nèi)皆為光滑分層流，液體在下傾管與立管交接處(即管道系統(tǒng)的幾何最低點(diǎn))積聚，在立管中出現(xiàn)地形嚴(yán)重段塞流I型，這是一種液塞長度超過立管高度的流型，也是目前文獻(xiàn)中報(bào)道最多的一種最為典型的流型，包括4個(gè)流動(dòng)階段:液塞形成、液塞出流、液氣噴發(fā)和液體回流.在這種流型下，立管內(nèi)部有較大的流量和壓力波動(dòng)，在立管出口出現(xiàn)周期性斷流和劇烈液氣噴發(fā)的交替現(xiàn)象.

保持液體為小流量，增加入口氣相流量，此時(shí)立管內(nèi)液塞增長帶來的壓力增加速度開始小于水平-下傾管內(nèi)氣體累積產(chǎn)生的壓力增長速度，使得液塞頭部在還未到達(dá)立管頂部時(shí)，氣體就進(jìn)入立管開始噴發(fā)，即出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流II型流態(tài).對(duì)地形嚴(yán)重段塞流II型，沒有液塞出流階段，在液塞形成階段尚未完成之前，氣體就進(jìn)入立管形成液氣噴發(fā)現(xiàn)象，該流型也會(huì)出現(xiàn)周期性斷流和劇烈液氣噴發(fā)的現(xiàn)象，破壞及影響程度與地形嚴(yán)重段塞流I類似，但是由于液塞長度小于立管高度，使得下游處理設(shè)備較易接納.

圖2 水平管流型Fig.2 The flow patterns of the horizontal pipeline

圖3 立管流型Fig.3 The flow patterns of the riser

進(jìn)一步增加氣相流量，立管內(nèi)流型的變化取決于水平管流型.當(dāng)水平管內(nèi)仍然保持為分層流動(dòng)時(shí)，如果立管根部累積的液塞無法堵住氣體，而進(jìn)入立管氣體流量也不足以形成環(huán)狀流，立管內(nèi)流態(tài)為介于地形嚴(yán)重段塞流II與環(huán)狀流之間的過渡流型，表現(xiàn)為液體在氣流和重力共同作用下反復(fù)震蕩，直至立管內(nèi)累積了足夠多的液體，氣流攜帶液體噴出管外，即為氣液混合的彌散流.

如果水平管內(nèi)出現(xiàn)阻塞流型，立管內(nèi)則出現(xiàn)水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流型.所謂阻塞流是指，在水平管內(nèi)某處出現(xiàn)一段水平液塞，而其余部分保持為分層流.該液塞到達(dá)下傾管與立管交接處后，會(huì)堵住立管根部，阻止氣流進(jìn)入立管，此時(shí)在立管中會(huì)出現(xiàn)類似于地形嚴(yán)重段塞流的流型，稱其為水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流.

增加入口處液體進(jìn)流量，但保持水平-下傾管內(nèi)仍為分層流.當(dāng)氣體流量較小時(shí)，立管內(nèi)出現(xiàn)地形嚴(yán)重段塞流III型，這種流型的主要特點(diǎn)是:在液塞形成階段，即出現(xiàn)液氣間隔性噴發(fā)現(xiàn)象，噴發(fā)階段結(jié)束之后立管內(nèi)充滿液體.地形嚴(yán)重段塞流III型在立管出口沒有斷流現(xiàn)象，且其流動(dòng)過程只有液塞形成、液塞出流和液氣噴發(fā)3個(gè)階段，其造成的壓力波動(dòng)也小于I型和II型，屬于一種過渡流型.如果進(jìn)一步加大氣體流量，水平管內(nèi)也可能會(huì)出現(xiàn)阻塞流，此時(shí)立管內(nèi)出現(xiàn)水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流型.關(guān)于這種水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流的相關(guān)特性問題，將在后文做詳細(xì)討論.進(jìn)一步加大入口處液體進(jìn)流量，水平管內(nèi)分層流消失.當(dāng)氣體流量較小時(shí)，整個(gè)管線系統(tǒng)呈現(xiàn)氣團(tuán)流動(dòng);而當(dāng)氣體流量較大時(shí)，整個(gè)管線系統(tǒng)呈現(xiàn)段塞流動(dòng).

2.2 水平管阻塞流形成原理

立管內(nèi)的水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流型是由水平管內(nèi)的阻塞流型引起的.當(dāng)水平管為分層流時(shí)，隨著氣體流量的增加，管內(nèi)的光滑分層流轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ朔謱恿鳎覛怏w流量越大，波浪分層流的波動(dòng)幅值也越高，而水平管并非絕對(duì)水平，最終在某個(gè)地勢較低處，液體形成的波面堵住管道，并形成一段液塞，即阻塞流.這是阻塞流形成的主要原因之一.此外有其他非預(yù)期的擾動(dòng)也可能會(huì)形成阻塞流.阻塞流形成的液塞段將水平管內(nèi)氣體分隔成兩部分，如圖4所示.在液塞前后水平管內(nèi)流型仍為分層流.該段液塞在其尾部氣體的推動(dòng)下向水平管下游流動(dòng)，進(jìn)入下傾管，并匯入下傾管與立管交接處形成積液，堵住立管根部，阻止氣流進(jìn)入立管，造成下傾管內(nèi)氣體被壓縮，形成嚴(yán)重段塞流流型.由圖2可見，阻塞流只存在于較小液體流量和較大氣體流量范圍內(nèi)，當(dāng)水平管內(nèi)分層流消失，形成穩(wěn)定氣團(tuán)流時(shí)或段塞流時(shí)，該流型消失，立管內(nèi)流型也相應(yīng)變化.

圖4 水平管阻塞流型Fig.4 Blocking flow pattern in the horizontal pipe

水平管內(nèi)阻塞流形成的原因主要為管內(nèi)持液率較高，當(dāng)液面在氣流作用下呈波浪狀運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果遇到擾動(dòng)或者凹點(diǎn)，波面突然上升堵住管道，形成一段孤立的液塞，并在其后氣流的推動(dòng)下向下游流動(dòng).如果阻塞流的形成是由水平管幾何形狀和入口氣液流量決定的，該流型就有一定周期性，即具有可持續(xù)性;如果阻塞流的形成是由非預(yù)期的擾動(dòng)決定的，就不存在周期特性，不具有可持續(xù)性.

此外，阻塞形成的液塞在其沿水平管向下游流動(dòng)過程中，有可能會(huì)進(jìn)入立管，但也有可能會(huì)在水平管或下傾管中消失，這主要由其尾部壓力和分層流的持液率共同決定.液塞尾部的氣體推動(dòng)會(huì)使液塞后緣不斷增加，導(dǎo)致液塞變長，稱為“鏟起”;同時(shí)，由于重力、壓力等因素，段塞前緣不斷消失，導(dǎo)致液塞變短，稱為“泄落”.當(dāng)立管根部被堵住，形成長液塞時(shí)，液塞前部壓力大于尾部，此時(shí)形成的液塞逐漸消失;而當(dāng)立管根部未被堵住，立管內(nèi)為過渡流型或者處于液體回流階段時(shí)，導(dǎo)致阻塞流前部壓力小于尾部，液塞流向下游并逐步增長，直到進(jìn)入立管形成長液塞并封住氣流，發(fā)生嚴(yán)重段塞流.

2.3 水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流特性分析

實(shí)驗(yàn)中觀測到了地形嚴(yán)重段塞流Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型，以及水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流共4種嚴(yán)重段塞流型.在圖5中，給出了4種嚴(yán)重段塞流下立管根部壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律.

由圖5可知，無論是地形嚴(yán)重段塞流還是水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流都有很好的周期特性，這也說明了實(shí)驗(yàn)中觀察到的水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流不是由意外的擾動(dòng)引發(fā)的，而是管線幾何形狀和流量等因素共同導(dǎo)致的.從圖5(a)～(c)可見，對(duì)地形嚴(yán)重段塞流，立管內(nèi)根部壓力波動(dòng)劇烈，根據(jù)其在立管內(nèi)的流態(tài)變化，可以把一個(gè)周期分為4個(gè)階段，依次為液塞形成、液塞出流、液氣噴發(fā)和液體回流，其中Ⅰ型擁有全部4個(gè)階段，Ⅱ型沒有獨(dú)立的液塞出流階段，Ⅲ型沒有回流階段.

同時(shí)，當(dāng)?shù)匦螄?yán)重段塞流發(fā)生時(shí)，在液體回流和液塞形成階段，在立管出口處出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，在液塞出流和液氣噴發(fā)階段，在立管出口處出現(xiàn)劇烈出流現(xiàn)象，這2種現(xiàn)象交替發(fā)生，循環(huán)往復(fù)［10］.

由圖5(d)可知，對(duì)水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流，在立管內(nèi)的流態(tài)比地形嚴(yán)重段塞流態(tài)要復(fù)雜一些，在水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流的一個(gè)周期內(nèi)一般包含5個(gè)階段:液塞形成、液塞出流、液氣噴發(fā)、液體回流和液體振蕩.液體振蕩階段是指，在液體回流階段之后，由于立管內(nèi)液體含量較少，不足以流出管外，也不能堵住氣流，在重力和氣流共同作用下往復(fù)振蕩，將該流態(tài)定義為液體振蕩.

圖5 立管根部壓力變化特性Fig.5 The pressure characteristics at the bottom of the riser

實(shí)驗(yàn)中所觀察到的水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流，只有液塞形成、液氣噴發(fā)、液體回流和液體振蕩4個(gè)階段，沒有出現(xiàn)液體出流階段，稱其為水動(dòng)力段塞流Ⅱ型.理論上講水動(dòng)力學(xué)嚴(yán)重段塞流Ⅰ型也應(yīng)該是存在的，這可能與本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中水平管長度還不夠長有關(guān)，這將在后續(xù)研究中進(jìn)一步探索.

嚴(yán)重段塞流Ⅲ型的主要特征為噴發(fā)結(jié)束后立管內(nèi)充滿液體，而水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流發(fā)生機(jī)理是水平管內(nèi)出現(xiàn)了阻塞流型，該流型產(chǎn)生的液塞能否進(jìn)入立管的前提為立管沒有被液塞堵住，所以在前一段液塞噴發(fā)結(jié)束之前不會(huì)產(chǎn)生新的長液塞，即不存在水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流Ⅲ型，實(shí)驗(yàn)也沒有做出該種流型.實(shí)驗(yàn)觀測到水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流發(fā)生時(shí)，立管出口仍為斷流和劇烈出流交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，其中斷流發(fā)生在液塞形成、液體回流和液體振蕩階段，出流發(fā)生在液塞出流和液氣噴發(fā)階段.

圖6 立管嚴(yán)重段塞流周期變化特性Fig.6 Severe slugging periodic characteristics of the riser

圖7 立管內(nèi)壓力波動(dòng)幅值變化特性Fig.7 Pressure fluctuation magnitude characteristics of the riser

在圖6～7中，給出了嚴(yán)重段塞流周期和立管根部壓力波動(dòng)幅值隨氣液折算速度變化特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.其中，液體折算速度為 vsl為 0.036、0.049、0.07 m/s，氣體折算速度從0.036 m/s變化到 1.1 m/s，圖中橫坐標(biāo)為氣體折算速度，圖6中縱坐標(biāo)表示為嚴(yán)重段塞流周期，圖7中縱坐標(biāo)為立管根部壓力波動(dòng)幅值，即一個(gè)周期內(nèi)立管根部壓力最大值和最小值之差.

結(jié)合圖3可知，當(dāng)液體折算速度為 vsl=0.036 m/s，氣體折算速度從小到大變化時(shí)，立管內(nèi)依次僅出現(xiàn)地形嚴(yán)重段塞流Ⅰ和Ⅱ型，其周期及壓力波動(dòng)幅值隨著氣相折算速度增大而呈冪函數(shù)規(guī)律逐漸減小.當(dāng)液體折算速度變?yōu)関sl=0.049 m/s，而氣體折算速度小于0.543 m/s時(shí)，立管內(nèi)依次出現(xiàn)地形嚴(yán)重段塞流Ⅰ、Ⅱ和Ⅱ型，其周期仍呈冪函數(shù)規(guī)律逐漸減小.

當(dāng)氣體折算速度達(dá)到0.543 m/s后，水平管內(nèi)出現(xiàn)阻塞流，而立管內(nèi)流型變?yōu)樗畡?dòng)力嚴(yán)重段塞流型，其流動(dòng)變化仍保持周期性，但其周期隨氣體折算速度增加而增加，達(dá)到某一最大值后又隨著氣體折算速度的增加開始逐漸減小，直至水平管內(nèi)阻塞流型消失.

對(duì)于壓力波動(dòng)幅值，當(dāng)阻塞流出現(xiàn)時(shí)，其值隨著氣相折算速度增加逐步增加，達(dá)到某一極值點(diǎn)后，又隨氣相折算速度增加而減小，直至阻塞流型消失.當(dāng)液體折算速度為vsl=0.07 m/s時(shí)，其變化規(guī)律與vsl=0.049 m/s的情況類似.

傳統(tǒng)的地形嚴(yán)重段塞流的危害主要體現(xiàn)在:長液塞的迅速出流超出下游設(shè)備的處理能力，液氣噴發(fā)容易誘發(fā)管線振動(dòng)，下游設(shè)備長期經(jīng)受沖擊，以及管線內(nèi)存在劇烈的壓力和流量波動(dòng)等［3］.水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流型也具有上述的危害，且該流型通常發(fā)生于氣流速度較高的情況，其破壞力也是不可忽視的.因此，海洋輸油管線系統(tǒng)內(nèi)的水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流型也應(yīng)是海底采油工程中需要關(guān)注和深入研究的內(nèi)容之一.

3 結(jié)論

利用水平—下傾—立管組合管線系統(tǒng)，在氣液進(jìn)流量的多種組合下開展了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了水平管及立管內(nèi)的流型圖，重點(diǎn)研究了水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流形成機(jī)理、周期及其壓力波動(dòng)特性，并與地形嚴(yán)重段塞流的相關(guān)特性進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論:

1)水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流型在氣體速度較高情況下出現(xiàn)，相比于地形嚴(yán)重段塞流，其發(fā)生范圍較廣，這大大拓寬了傳統(tǒng)嚴(yán)重段塞流的范圍，需要在工程設(shè)計(jì)上加以關(guān)注.

2)水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流型具有周期特性，并會(huì)導(dǎo)致立管內(nèi)部發(fā)生較為劇烈的壓力波動(dòng).當(dāng)液體流量值固定時(shí)，該流型周期和壓力波動(dòng)幅值存在一個(gè)極值點(diǎn)，并最終隨氣相折算速度的增加而消失.

3)水動(dòng)力嚴(yán)重段塞流的成因較為復(fù)雜，不僅與水平和下傾管線幾何形狀及相關(guān)幾何參數(shù)有關(guān)，還與氣液流量組合、流體物性等多種因素相關(guān).因?qū)嶒?yàn)條件所限對(duì)其成因只進(jìn)行了初步探討，還有待于做更進(jìn)一步的研究工作.

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