含氣塞管道充水排氣模擬試驗環路系統

陳媛媛， 崔艷雨， 于 達， 宮 敬

(1. 中國民航大學 油氣儲運工程專業，天津 300300； 2.中國石油大學(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京102249)

0 引 言

新建管道的充水排氣是其后期安全投入運營的重要保證[1]。對地形起伏管道，在試壓掃水、充水投產等過程中，水頭翻越高點后極易發生氣塞現象，導致管內產生大量積氣[2-4]。積氣的存在會造成液柱分離、輸送效率降低以及能耗增加[5-6]，如果發生瞬間的氣泡潰滅還可能引起管道材料和結構的破壞。因此，這部分氣體就是投產時管內所產生的積氣段，需及時排出。

利用排氣閥來排除管道積氣，以消減管道系統水擊，保證管內通水流暢，在工程中應用非常廣泛。但由于對氣體在管道中運動規律認識不足，實際工程中因氣塞導致的爆管事故仍常有發生。2010年，國內某起伏管道在試壓排水過程中，曾連續兩次出現爆管事故，究其原因，管道高點存氣誘發水擊是導致爆管的主要因素[7]。Deng等[8]以國內某爆管事故管段起伏地形為原型，將室內模擬試驗結果和現場測試結果進行對比后發現，因下坡段氣塞的存在，試壓排水過程在末期會出現瞬時壓力脈沖。袁文麟等[9]通過對管道充水工況下的氣液兩相流動進行數值模擬，發現在管道充水過程中，在氣液交界面處，氣、水會發生劇烈摻混，較大的剪切力使小氣泡從氣團中分離，隨水流流向下游。文獻中常將這一現象稱為“氣泡破碎”[10-12]。郝榮貴[13]指出，因為“氣泡破碎”的存在，管道局部充水排氣過程中，管道中的水并非完全將管道中的氣體排出，而是要經歷層流、段塞流等過程，個別情況下還會出現泡沫流等特殊流動狀態。張欣雨等[14]通過對V字型管道進行數值模擬，指出復雜管道下傾管段內氣體的運動方式由入口流速決定。Pothof等[15]在進行下傾管空氣-水的水躍流動實驗時，定義了水躍過程中的4種氣液兩相流流型：分層流(Stratified flow)、段塞流(Blow-back flow)、氣團流(Plug flow regime)和分散泡狀流(Dispersed bubble flow)。Bernard等[16]分別對管道充水啟動過程中的氣、液兩相建模求解，通過和試驗及現場數據的對比發現，管內流量越大，充水時間越短，管內氣體壓力也越大。

由于氣體在起伏管道中的運動特性非常復雜，近一個世紀以來，國內外學者對含氣塞管道氣液兩相流動的研究進展緩慢，主要集中在石油天然氣管道、水泵及輸配水管路中氣塞的防治，絕大多數研究是工程實踐經驗的總結，缺乏對氣塞形成及演變機理的系統研究。為此，本文設計并搭建了一套可大范圍調節管路傾角范圍(0°～30°)的含氣塞管道充水排氣模擬試驗系統，能夠對起伏管道充水排氣過程中的管內氣塞形成和發展過程中的氣液兩相流動特性進行實時觀察和記錄，并實現其可視化。

1 試驗系統設計及建設

含氣塞管路充水排氣模擬試驗環路系統主要包括供水系統、測試管路系統、傾角調節系統、排水系統、攝像系統及數采系統。該系統在中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室搭建完成，管道規格為DN50，環路總長約70 m，試驗環路系統示意圖如圖1所示。

圖1 含氣塞管路充水排氣模擬試驗環路系統示意圖

1.1 供水系統

由于本實驗所采用的液相為水，因此供水系統包括儲水罐、注水泵和變頻器。

儲水罐容積為1.5 m3，實驗前，向儲水罐中加入少許紅色染料，對無色水體進行“染色”處理以便在透明有機玻璃管系統中進行實驗現象的觀察。實驗所用注水泵為不銹鋼立式多級離心增壓泵，最小揚程為40.5 m，最大揚程113 m，流量范圍40～130 L/min，額定轉速2 850 r/min，功率為2.2 kW。水泵的轉速通過變頻器控制，調節范圍0～60 Hz。實驗過程中通過變頻器作用實現管段入口不同液相流速的供給。

1.2 測試管路系統

實驗測試管段主要由下傾管路(下坡段)和上傾管路(上坡段)組成，兩者之間通過2個曲率半徑均為20D的90°彎管進行連接，整體構成“U”形狀，模擬實際大落差管道的起伏地形。

上坡段為長8 m的有機玻璃管段，下坡段是由12個有機玻璃管段組成的總長為6.1 m的實驗段，其中6個為測量持液率的雙平行電導探針所在的短節段，各短節段之間采用法蘭連接。上、下坡管路分別置于2根鋼的橫梁上，沿線安裝多個U形固定環和橫梁保持固定，再通過鋼絲繩連接吊車實現各段管路整體的起升和回落。

下坡管路的入口和上坡管段的出口均通過軟管分別和進水管路與回水管路系統進行連接。

1.3 傾角調節系統

實驗設計時，上、下坡段傾斜管路均可在0°～30°(相鄰間隔5°)范圍內可調。實驗中通過傾角調節系統實現各種不同角度間的變換。該系統主要包括活接頭、傾角調節支撐架及吊車。

活接頭安裝在低點兩90°彎管連接處，將上下坡段分開，實現上、下坡段各自變換角度，互不影響。需要注意的是，無論在調試或者正式實驗的過程中，只要是對上或下傾管路進行角度調整，在這之前一定要先松開活接頭，否則會造成彎管或有機玻璃管路的扭曲、變形，破壞整個實驗環道。

傾角調節支撐架采用實驗室已有的多根圓形鋼管互相連接、固定、搭建而成。在搭建過程中，以活接頭所在的位置為基準點，根據上下坡段管路的長度計算不同角度下各支撐點的具體位置和高度。對較短的下傾管路，每個角度設置3個支撐銜接點，對較長的上坡管路，每個傾角下設置4個支撐點。傾角調節支撐架建設完成后，對各個支撐架對應的支撐角度進行數字標識，避免造成不同角度下相近支撐架位置的混淆。另外，各支撐架的外側圓形截面由于切割痕跡的存在而比較毛糙，因此，在各支撐架的外側面均纏上了較厚的白色塑料泡沫防震帶。一方面防止有機玻璃管在起落的過程中撞上支撐架導致管道的破裂，影響實驗的進行；另一方面也避免粗糙的斷面劃傷實驗人員。

吊車共2臺，上、下坡段管路各用1臺，安裝在最高位置的連接鋼管上，利用鋼絲繩連接固定在橫梁上的U形固定環，實現環路整體的起升和回落。在使用吊車的過程中，一定要控制好吊車的速度，避免速度過快造成有機玻璃管段和周圍鋼管等尖銳物體發生碰撞，損壞管道。

1.4 排水系統

實驗結束后，上下坡管路中的水均從低點排出，因此排水系統包括低點排水閥和排水管。實驗結束后打開低點排水閥排水，并稍稍松動低點活接頭的螺母以加快排水速度。

1.5 攝像系統

為了更清楚地觀察到充水排氣過程中管內氣體的運動情況，實驗中采用加拿大Mega Speed Corp公司生產的MS55K型高速攝像機對下坡段的局部區域進行了集中拍攝。該高速攝影機的拍攝速度從1～10 000 f/s可調，可直接通過千兆以太網將拍攝的圖片傳輸到計算機，且可以很方便地進行回放和分析，小巧、輕便，易于使用。

1.6 數據采集系統

數據采集系統主要包括液體流量計和雙平行電導探針。液體流量計采用德國型號為10DX4311C的電磁流量計，測量管道入口的液相流量，共2臺，布置在注水泵的出口處，量程分別為45 L/min和200 L/min，精度均為0.5%。2個電磁流量計并聯安裝，以測量不同大小的流量。

持液率是實驗中需要測量的重要參數之一，實驗中選用自行設計制作的雙平行電導探針來測量下坡段排氣過程中的持液率[17]。主要設備包括信號發生器、含有探針的管段、信號處理電路和數據采集卡。各探針等間距布置在下坡段，沿流動方向依次編號為1#～6#。

將以上各設備用信號電纜線與數據采集卡進行連接，再將數據采集卡與計算機連接，利用DASYlab8.0軟件的模擬信號輸入、曲線記錄儀、數據記錄等模塊繪出數據采集流程圖，實現數據的實時采集、顯示、記錄和控制。

2 試驗方案

該試驗環道的主要目的是對含氣塞起伏管道充水排氣過程中的氣液兩相流動特性及其影響因素進行研究分析，因此主要操作方案如下：

(1) 保持下坡管路傾角和上坡管路傾角均不變，依次調節泵頻率以改變液相流速，利用數據采集軟件對各個參數進行記錄，并觀察在不同液相流速下，上、下坡管路中的流型及氣液兩相的流動規律特性。

(2) 保持下坡管路傾角不變，依次改變上坡管路傾角，按照步驟(1)的操作，繼續進行實驗。

(3) 改變下坡管路傾角，重復步驟(1)和(2)進行實驗。

通過對數據的分析可以得到不同下傾角度下，充水排氣過程中氣液流動特性變化情況，進而可對實際長距離大落差起伏管道沿線不同傾角的下坡段處的進氣、排氣和存氣情況進行理論指導分析。

為優化實驗步驟、降低工作量，設計了如圖2所示的傾角調節方案，實驗中按圖中箭頭所示方向依次進行上、下坡管路傾角的調節。圖中，(5,15)表示起伏管路的傾角組合為下傾5°、上傾15°(下同)；“→”表示下坡段固定、上坡段起升；“←”表示下坡段固定、上坡段降落；“↓”表示上坡段固定、下坡段起升。按此傾角調節方案，全部實驗結束后，下坡管路僅起升5次，上坡管路共起降12次，可大幅減少試驗工作量。

圖2 傾角調節方案圖

3 試驗結果及分析

3.1 氣泡破碎實現充水排氣

圖3是用高速攝像機記錄的4#、5#探針之間、距離5#探針50 cm處，從初始積氣段的形成到完成充水排氣、管路完全被液體填充的全過程，可非常清楚、直觀地觀察到由于氣泡破碎的發生，下坡段由氣液不滿流變成全液滿管流的整個過程。

圖3 下坡段某點處完成充水排氣、從不滿流變為滿管流的全過程

從圖3可以看出，實驗開始后，液體進入下坡段以不滿流的形式向下游低點運動，下坡段內是典型的分層流流動：管上壁是管內初始存留的空氣，下壁是高速運動的液膜(a)；當液體到達低點形成液塞后，由于上游壓力不足以克服液塞的阻力，液塞開始分別向下游上坡管路和上游下傾管路增長，下坡段內高速運動的液膜沖進逆向低速上升的液塞中，在積氣段尾部形成強烈的紊流擾動，使積氣段尾部發生氣泡破碎，液塞頭中充滿了破碎出的小氣泡，變成含氣液塞頭(Aeration Liquid Slug Head，ALSH)(b)；ALSH繼續向上游運動(c)、(d)，下坡段內是含有非常多小氣泡的氣液混合物(e)、(f)；破碎出的小氣泡在浮力的作用下，迅速上升至管上壁，結合、聚并形成新的積氣段(g)，下坡段內又變成了氣液分層流，新一輪的氣泡破碎過程開始發生(h)、(i)。如此循環往復。隨著破碎出的小氣泡進入下游上坡段逐漸被液流帶出管道系統，下坡段的積氣量越來越少，積氣段尾部破碎出的小氣泡也越來越少，直到最后所有積氣段均完全破碎，下坡段變成全液相的滿管流動(j)、(k)、(l)，完成排氣過程。

3.2 下傾管持液率變化

由圖4可以看出，各持液率值沿下傾管方向由下往上(探針編號由大到小)逆向依次變化。在ALSH尚未到達探針處時，各探針處持液率始終保持為初始氣液分層流的持液率值。隨著低點積累的液塞向上游下坡管路的生長，ALSH首先前進至距離低點最近的6#探針處，使HL6迅速增大到約1.0，隨后開始下降，下降的原因是積氣段尾部破碎出的小氣泡在浮力的作用下很快上升到上管壁處，在距離ALSH不遠處結合形成“大氣泡”(a)或“長氣囊”(b)。從持液率下降的幅度可判斷氣泡破碎的速度。下降的幅度越大，持液率值越小，說明積氣段尾部的紊流擾動作用越強，破碎出的小氣泡越多，在下游聚并形成的氣泡或氣囊越大。隨著ALSH繼續向下傾管入口前進，HLi將不斷重復HLi+1(i=1,2,…,5)的變化過程。對比(a)和(b)可知，在不同的管路傾角和液相流速下，下傾管的持液率變化特性截然不同，表明在不同的試驗工況下，下傾管中的氣液兩相可能呈現不同的流型及相應的流動特性。因此，需要深入開展充水排氣試驗研究，以確定充水排氣過程中氣液兩相流型變化及不同因素對氣液兩相流動特性的影響規律。

(a)(20,15)、液相流速0.36 m/s

(b)(10,5)、液相流速0.48 m/s

4 結 語

含氣塞管路充水排氣模擬試驗環路系統設計合理、操作方便，可用于模擬新建油氣管道在投產過程中的充水排氣過程，對深入開展充水排氣過程中的氣液兩相流動規律具有重要意義。通過改變管路傾角和液相流量，可研究實際起伏地形和管道入口流量對管道沿線進氣、排氣和存氣的影響，進而為復雜地形管道安全投入運營提供重要的理論指導和技術支持。