垂直管氣液兩相嚴重段塞流研究進展

黨唐超，戚恒慎，張 鵬

（1.西安石油大學，陜西 西安 710065；2.西北石油管道有限公司，陜西 西安 710018）

氣液兩相嚴重段塞流是液體段和氣泡在同一空間內不同時間段的交替,段塞單元由液體段和氣泡兩相組成。由于流體在嚴重段塞流流型下能出現不同的階段,使得管道各項數據處于快速變化的狀況，并使得在該流型下的管道受到壓力劇烈變化引起的危害。

1 嚴重段塞流的形成機理

B.T.Yocum等在避免海上上升管中的段塞流的研究中發現了不同于之前的段塞流的嚴重段塞流，但他并沒有將其區分開來，仍將其稱為段塞流。而Z.Schmidt等通過實驗發現這種現象和水力段塞流的本質區別，并根據性質，將這種現象重新命名為嚴重段塞流。Z.Schmidt等根據對嚴重段塞流的模擬實驗，分析實驗結果得出了出現嚴重段塞流的幾種可能的條件:1）只出現在下傾的臥底管線中；2） 入口處較低的氣液流量；3）當立管中流動為不穩定流動時，氣體流量增加時液體壓力卻減小，較易產生嚴重段塞流[1]。

A.Bφe由立管內液體段壓力的增量，高于在管線中的氣體的壓力，而得出了判斷立管管線中嚴重段塞流的判定公式，表達式為式（1）。

式中，ωg為氣相流速，m/s；ωl為液相流速，m/s；R為氣體常數，J/(mol·K)；T為流體的溫度，K；M為氣相的摩爾質量，g/mol；Ip為立管的高度，m；α為立管中的含氣率，無量綱；g為重力加速度，m/s2。

Zhang等將段塞流作為基礎流型，分析并建立了段塞流的氣液兩相模型，并通過改變段塞流關系式中液膜長度與段塞體單元長度的比值進一步確定段塞流向分散泡狀流及分層流和環狀流的邊界條件，確立了該模型在所有流型計算中的統一。

王鑫在對上升管路系統嚴重段塞流的研究表明，無論在管道內是穩定或是不穩定的氣液流動，都有可能出現嚴重段塞流，王鑫將不穩定的氣液流動引起的嚴重段塞流稱為不規則嚴重段塞流。

2 嚴重段塞流的流動特性

現階段，大多數研究結果，均將嚴重段塞流按周期性進行分析。一般一個周期含有四個階段，分別是液塞形成 (slug formation)階段、液塞流出 (slug production)階段、液氣噴發(blowout)階段、液體回流 (liquid fallback)階段。

同時，嚴重段塞流也可分為I型、II型和III型。對于嚴重段塞流I型，在一個完整的周期內具有全部四種的流動階段，II型不存在液塞出流階段，而III型則沒有液體回流階段[2]。

液塞形成階段指嚴重段塞流流型下液體段在臥管中由開始堆積到最大值的過程。將Vg定義為臥管中氣體體積，將Pg定義為氣體在臥管內的壓力，將T定義氣體為在臥管內的溫度。在流動過程中，由于氣相始終保持連接狀態并且在臥管中液氣流速較低，所以氣體壓縮空間體積不會出現較大變化，同時，在該過程中溫度也基本不發生變化。對于氣體而言，由其狀態方程可推得:

臥管內氣體體積Vg可以表示為:

將式 (3)兩邊對時間求導可得

故

將式（3） 和（5） 代入式 （1） 可得

式中，L表示長度；Lp表示液體段的長度；A表示內橫截面面積。

由于在流動過程中氣液保持穩定的分層流動，所以含氣率αp的值不變。L˙p為液體段長度的時間變化率，氣、液折算速度在標準狀況下表示為νrsg和νrsl。νsl為液體在出口的折算速度。

液塞出流階段指當立管內液體段出現流出立管的時候，流體流動開始出現液塞出流階段，氣體壓縮空間釋放壓力，通過膨脹推動液體段繼續向外流動。在液塞出流階段立管內充滿液體，氣體并不能進入立管，同時氣液兩相也不相混．因此，該階段的氣液流動過程仍與上一階段一樣，保持著穩定流動[3]。

當發現部分氣體存在于立管之中時，標志著流體流動進入液氣噴發階段，該階段分為液塞噴發和段塞噴發兩個過程。在第一階段液塞噴發中，臥管中的氣體繼續將立管內的液體向外推動，同時立管由于氣體的進入，存在長液體段及氣液混合段，立管出口處由于氣體繼續推動液體段出流，使得壓力，液體段出流速度等主要參數在液塞噴發階段快速增長并出現最大值，嚴重危害下游處理設備；在第二階段的段塞噴發中，液體段已經完全流出，離開立管，故立管內只存在氣液混合段，管內壓力降低，氣液混合段速度逐步減小。

在液氣噴發階段，立管內的氣液流動快速變化，液體段及氣液混合段相互影響，立管內液體段速度、壓力等主要參數在存在不同時間不同位置有不同的大小。在液氣噴發階段，立管的平均出流速度可表示為:

式中，當液體段未完全離開立管時，可表示液體段離開立管的速度，即立管的平均出流速度；當立管中僅剩氣液混輸段時，表示立管出口氣液混輸出流速度。

在段塞噴發過程中，立管僅存在氣液混合段，立管的含氣率大小與立管的氣體變化率成正比相關，則對于任意時刻含氣率可表示為:

式中:積分第1項表示立管中氣體增加量，積分第2項表示立管氣體的減少量；νosg為出口氣體折算速度。

當段塞流形態為彈狀流時，在立管內會持續出現不連續的大液彈和氣體段的情況，因此出口氣體折算速度的值會在此期間快速變化，速度只能根據立管內氣液情況進行估算。將速度表示為:

液體回流階段指當臥管內氣體壓力經過前三個階段的降低，無法提供高于液體段和氣液混輸段的重力的壓力，立管中殘留液體段及氣液混輸段內的液體逐漸回落到臥管段。由于氣體壓力小于重力，且液體量較小，所以持續時間較短。并且當在這一周期的液體回流階段中，嚴重段塞流又重新開始一個新的周期，新的液塞形成階段同時開始。因上一周期立管液體的回流，導致下一周期臥管處的液體段高度應從某一h0高度計算，h0應視為液塞在新的周期第一階段的初始高度，h0的計算式是:

式中，αriser為立管上升管的含氣率，H為高度。

3 立管流型判斷

細束環狀流、環狀流、攪混流、彈狀流和泡狀流等幾種流型會出現在垂直上升管內的氣液兩相流中。這幾種流型的流動范圍及邊界可以用穩定流動時的氣液折算速度的比值來確定，流型圖可參考Hewitt圖1。

圖1 Hewitt流型圖

4 嚴重段塞流的消除方法

嚴重段塞流是一種氣液兩相流中出現的、具有破壞性的流型，會危害管段及下游處理設備。工程上經常通過采用以下方法避免出現嚴重段塞流:通過減小管徑增大氣體速度；在立管底部增加氣量，提升氣體給予立管的壓力，減小液體回流量；在臥管處分離氣液相；立管頂部節流等。

5 結束語

對于嚴重段塞流，研究方法應采用實驗加數值模擬的方法。針對嚴重段塞流的原理，許多學者做了大量的相關實驗，建立了很多的數學模型，并通過CFD軟件，用數學建模的方法對嚴重段塞流的特性進行了大量的仿真模擬，提出了嚴重段塞流的生成條件，找到了許多可以減小或避免嚴重段塞流發生的方法。

研究表明，嚴重段塞流的形成與流動過程中的幾個重要參數有關，工程上可以通過控制生產過程中的這幾個重要參數的大小，來規避嚴重段塞流的發生。