RTP非金屬管道沿程水力摩阻計(jì)算研究

李曉偉 霍富永 朱國承 矯捷 何利民

1中國石油大學(xué)(華東)

2西安長慶科技工程有限責(zé)任公司

全鋼質(zhì)管道強(qiáng)度高、可焊性好、易于連接,在油氣運(yùn)輸過程中應(yīng)用普遍.國內(nèi)鋼質(zhì)管道集輸油工藝計(jì)算軟件和方法已經(jīng)成熟,但實(shí)際應(yīng)用過程中由于原油中溶解的酸性物質(zhì),會帶來管道嚴(yán)重腐蝕[1].石油開采后期,水驅(qū)、聚合物驅(qū)導(dǎo)致原油含水率高、pH值低,由此帶來的管道腐蝕嚴(yán)重.塔里木油田北部地區(qū)更換的鋼制管道,部分管段不到一年就已腐蝕穿孔[2].非金屬管道使用壽命長,耐腐蝕,保溫效果好,結(jié)垢少,成本低(使用壽命30年以上),目前已在很多油田設(shè)計(jì)使用[3~5].

RTP管是一種高壓塑料復(fù)合管材,由三層結(jié)構(gòu)組成(圖1),具有強(qiáng)度高、施工和連接方便、質(zhì)量輕且無需防腐等優(yōu)點(diǎn),可用于中等管徑和中、高壓力油氣輸送管道工程.RTP管道于1995年6月第一次在英國投入使用,試運(yùn)行后,Shell公司于1996年底在阿曼油田輸油管線上正式使用內(nèi)徑150mm、長7 km的RTP管道.之后巴西石油公司、法國天燃?xì)夤疽约耙恍㏑TP制造商等多家單位發(fā)起了JIP聯(lián)合工程項(xiàng)目,于2006年制定公布了RTP產(chǎn)品的國際標(biāo)準(zhǔn),將RTP管全面推廣應(yīng)用于陸上油氣開發(fā)、燃?xì)廨斔图昂Ｉ嫌蜌忾_發(fā)等領(lǐng)域[6].

圖1 RTP管常見結(jié)構(gòu)Fig.1 Common structure of RTP

1 RTP管道摩阻計(jì)算現(xiàn)狀

非金屬管道與鋼質(zhì)管道有質(zhì)的區(qū)別.非金屬管道的粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬管道(表1),一般為金屬管道的10%~80%.

表1 常見管材內(nèi)表面絕對粗糙度Tab.1 Absolute roughness of internal surface for common tubes mm

粗糙度低會帶來管道運(yùn)營過程中摩阻系數(shù)低,減少輸送過程中泵提供的動力.同時,RTP管道與流動介質(zhì)的接觸特性也會影響摩阻的計(jì)算.粗糙度、接觸特性帶來的摩阻變化,需要進(jìn)行特定理論分析或者由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析論證.

我國已于2010年確定了《非金屬管道設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》[7-10].規(guī)范分為四部分:高壓玻璃纖維管管線、鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管、塑料合金防腐蝕復(fù)合管、鋼骨架增強(qiáng)塑料復(fù)合管.規(guī)范中建議供水管道壓降參考式(1)計(jì)算

式中:i為水力沿程水力損失;Q為管道內(nèi)流體流量,m3/s;d為管道內(nèi)徑,m.

然而,此公式未能體現(xiàn)出RTP管道由于粗糙度降低帶來的沿途壓降減小,同時其準(zhǔn)確性并未進(jìn)一步論證.

在工程上,計(jì)算水力壓降多采用達(dá)西(Darcy)公式[11],認(rèn)為粗糙度影響摩阻系數(shù)λ

式中:h為水力壓降,m;λ為水力摩阻系數(shù);L為管道水力計(jì)算長度,m;D為管道內(nèi)徑,m;v為管道內(nèi)流體流速,m/s;g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?m/s2.

在管道設(shè)計(jì)輸量下,采用金屬管道時,通常設(shè)計(jì)管內(nèi)原油流動處于水力光滑區(qū).當(dāng)同一流量下,替換為同一管徑的非金屬管道時,管道粗糙度降低,但是水力光滑區(qū)的分界并不會隨粗糙度減小而發(fā)生變化,摩阻計(jì)算公式仍應(yīng)采用水力光滑區(qū)計(jì)算公式.

目前針對非金屬管道的摩阻研究只有定性描述,從粗糙度低的角度結(jié)合莫迪(Moody)圖(圖2)說明非金屬管道摩阻系數(shù)低.工業(yè)計(jì)算中,對非金屬管道進(jìn)行水力計(jì)算過程缺乏統(tǒng)一、準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)公式.如果流動處于水力光滑區(qū),借鑒目前已有的水力光滑區(qū)摩阻計(jì)算的兩個經(jīng)典公式:波拉修斯(Blasius)公式(應(yīng)用于4000

式中:Re為描述慣性力與黏性力之比的無量綱參數(shù),在管流中反應(yīng)流體流動與黏性力帶來液體與管道之間的剪切力;λ為水力摩阻系數(shù).

圖2 莫迪(Moody)圖Fig.2 Moody diagram

如果采用波拉修斯公式或普朗特-卡門公式求解水力光滑區(qū)的摩阻因子,可以看出摩阻因子不受粗糙度的影響.2010年規(guī)范中的公式實(shí)質(zhì)上是達(dá)西公式和波拉修斯公式的結(jié)合,也無法描述非合金管道粗糙度帶來的摩阻系數(shù)減小.從莫迪圖(圖2)可以看出,處于水力光滑區(qū)的摩阻系數(shù)接近,但是依舊存在差異.

因此,從理論上提出適用于RTP管道的更為準(zhǔn)確的半理論公式,更準(zhǔn)確地計(jì)算沿程壓降,為工程提供更為準(zhǔn)確的非金屬管道沿途壓降計(jì)算準(zhǔn)則,成為RTP管道內(nèi)流體流動特性的研究重點(diǎn).

2 RPT管道摩阻計(jì)算模型的建立

為進(jìn)一步確定RTP管道摩阻特性,嘗試從理論方面建模,以波拉修斯公式為基礎(chǔ),分析無量綱摩阻修正量,采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提供不同油品在RTP管道中流動過程摩阻修正參數(shù),完善RTP管道摩阻計(jì)算模型[12-13].

波拉修斯公式考慮到建模過程中包含低粗糙度帶來的影響,而未考慮介質(zhì)與管道壁面接觸特性導(dǎo)致速度滑移帶來的摩阻變化,因此在后續(xù)建模過程中考慮滑移因素帶來的影響.流體流動過程中的速度滑移如圖3所示.

圖3 層流時流體與邊界滑移示意圖Fig.3 Sketch diagram of slippage between liquid and boundary in laminar flow

因此,建模過程中增加對滑移速度的描述,對流動過程中的摩阻進(jìn)行建模.摩阻建模過程,以波拉修斯公式為基礎(chǔ),增加相對滑移速度u0的影響.

在管道壁面性質(zhì)一定條件下,滑移速度與管道內(nèi)流體速度和速度梯度有關(guān),引入滑移速度計(jì)算公式u0=u0( R e).滑移速度中的雷諾數(shù)( R e)采用流體截面平均速度進(jìn)行計(jì)算

式中:uˉ為管道內(nèi)流體平均速度,m/s;D為管道水力直徑,m;ν為流體黏度,m2/s.

由于考慮滑移帶來的影響,使用流體平均截面速度與流體邊界滑移速度的差值替代無滑移時的速度進(jìn)行求解.首先求得流體與流體邊界相對速度uc

式中:uc為管道內(nèi)流體與流體邊界的相對速度,m/s;uˉ為管道內(nèi)流體平均速度,m/s;u0為流體邊界與管道壁面之間的相對滑移速度,m/s.

計(jì)算過程的雷諾數(shù)也以相對速度為基礎(chǔ)

式中Rec為使用管道內(nèi)流體與流體邊界的相對速度uc計(jì)算得到的雷諾數(shù).

摩阻系數(shù)的形式參考波拉修斯公式基本形式

式中λc為以相對滑移速度雷諾數(shù)計(jì)算得到的水力摩阻系數(shù).

2)水分管理。機(jī)插后淺水護(hù)苗，活棵后露田2～3天，以后淺水勤灌，當(dāng)總苗數(shù)達(dá)到預(yù)定苗數(shù)80%時開始曬田，達(dá)到田中不陷腳，葉色褪淡，葉片挺起為止。曬田復(fù)水后，保持干濕交替，在孕穗及抽穗揚(yáng)花期保持淺水層，收割前5～7天斷水。

進(jìn)而以滑移速度為基礎(chǔ),采用達(dá)西公式計(jì)算水力壓降hc

式中:hc為水力壓降,m;L為管道水力計(jì)算長度,m.

通過上述體系,可以完成存在滑移時水力摩阻的計(jì)算.但是對于滑移速度u0,并未找到合適的關(guān)系描述,使此模型封閉.為進(jìn)一步了解流體在RTP管道流動過程中,由于表面性質(zhì)可能會產(chǎn)生一定的速度滑移現(xiàn)象而對摩阻存在影響,嘗試通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定合理的計(jì)算滑移速度的關(guān)系式.

3 RPT管道摩阻實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步確定不同油品在不同非金屬管道內(nèi)流動的摩阻性質(zhì),在室內(nèi)搭建圖4所示實(shí)驗(yàn)管路,對流動過程沿程摩阻計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化.測試管道長9 m,管道外套有絕熱層,盡可能保證流體流動過程中溫度變化在可接受范圍內(nèi).

圖4 實(shí)驗(yàn)管路示意圖Fig.4 Sketch diagram of experimental flow line

實(shí)驗(yàn)過程采用水、黃島原油為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),使用德國Anton Paar旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對介質(zhì)黏度進(jìn)行測量,使用SY-05型石油密度計(jì)對介質(zhì)密度進(jìn)行測量.

測試管道選取3種非金屬管道,管道材質(zhì)型號分別為4731B、3711、100S.這3種材質(zhì)有不同特點(diǎn),其中4731B為進(jìn)口PERTO材料,具有較好的耐熱性;3711為國產(chǎn)PE第一代材料;100S是國產(chǎn)PE1.5代,PE中加入了改性劑,耐溫性較好.實(shí)驗(yàn)前,使用水和黃島原油對流體在實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)表面的附著性進(jìn)行測試,得到金屬管道內(nèi)表面具有親水疏油性,3種非金屬管道內(nèi)表面均具有親油疏水性.

在實(shí)驗(yàn)過程中,調(diào)整儲液罐內(nèi)的加熱絲,水為工作介質(zhì)時,保證儲液罐內(nèi)溫度恒定于20℃±0.1℃;黃島原油為介質(zhì)時,保證儲液罐內(nèi)溫度恒定于17℃±0.1℃.通過設(shè)備測量黏度-溫度曲線、密度-溫度曲線,分析合理性后,確定流動設(shè)計(jì)工況的工作點(diǎn)的密度和黏度.實(shí)驗(yàn)當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?.807 m/s2.

首先以水為介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過程保證儲液罐溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)溫度,流動穩(wěn)定后測得壓降.為分析非金屬管道管徑對摩阻的影響,以100S材質(zhì)為基礎(chǔ),管徑分別為DN20mm、DN25mm、DN40mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn).通過達(dá)西公式和波拉修斯公式反算速度滑移量,得到滑移速度與雷諾數(shù)擬合關(guān)系,如圖5所示.

圖5 不同管徑下滑移速度與雷諾數(shù)關(guān)系(水為工作介質(zhì))Fig.5 Relation between slip velocity and Re number for different pipeline Relation between diameter(flow medium:water)

管徑為DN40 mm時

管徑為DN25 mm時

管徑為DN20 mm時

由于實(shí)驗(yàn)過程中采用的管徑數(shù)據(jù)有限,難以確定u0與Re之間的系數(shù)在不同管徑中的計(jì)算方法.

u0與Re之間呈線性關(guān)系的原因,一定程度上是由于在管道穩(wěn)定流動水力摩阻計(jì)算過程中,雷諾數(shù)表現(xiàn)為慣性力與黏性力無量綱比、與流動速度呈線性相關(guān);而滑移速度一定程度上與管道邊緣速度梯度線性相關(guān).在管道一維層流流動中,可以認(rèn)為,.結(jié)合管道內(nèi)徑給定,可以得到u0與uˉ線性相關(guān),進(jìn)而得到u0與Re線性相關(guān).然而實(shí)際過程中,由于流動并非一定處于層流區(qū),u0與Re線性關(guān)系需要進(jìn)一步論證.

為探究不同材質(zhì)的RTP管道對管道內(nèi)流動摩阻的影響,采用管徑為DN25 mm的4371B、100S、3711共3種材質(zhì)的管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn).由于不同材質(zhì)的RTP管道表面性質(zhì)差異,管道內(nèi)流動過程中不同的滑移效果會帶來不同的摩阻因子.類似之前處理,倒推得到滑移速度,如圖6所示.

圖6 不同材質(zhì)下滑移速度與雷諾數(shù)關(guān)系(水為工作介質(zhì))Fig.6 Relation between slip velocity and Re number for different material(flow medium:water)

通過對比可以發(fā)現(xiàn),同一管徑、不同雷諾數(shù)條件下,由于管道內(nèi)表面性質(zhì)存在差異,會存在不同的計(jì)算滑移速度.通過數(shù)據(jù)可以看出,不同RTP管道材質(zhì)可能會導(dǎo)致不同的滑移速度.因此,在使用RTP管道之前,需要對此管道表面性質(zhì)進(jìn)行研究,確定合理的計(jì)算公式.

為了進(jìn)一步研究原油在RTP管道中的摩阻計(jì)算方法,采用黃島原油,以類似的實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算模型,分析黃島原油為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)時的滑移模型摩阻計(jì)算參數(shù).

同樣,以材質(zhì)為100S不同管徑的RTP管道,材質(zhì)不同的內(nèi)徑為DN25 mm的RTP管道,分析黃島原油為介質(zhì)的流動中管徑、材質(zhì)對滑移速度與雷諾數(shù)關(guān)系的影響(圖7).

通過圖7可以看出,滑移速度與雷諾數(shù)之間的線性關(guān)系比較明顯,不同材質(zhì)內(nèi)表面會導(dǎo)致計(jì)算滑移速度與雷諾數(shù)之間存在不確定影響.在水力光滑區(qū),可以通過一定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),完善滑移速度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,進(jìn)而使用計(jì)算滑移速度模型求解摩阻系數(shù).

圖7 管徑、材質(zhì)對滑移速度與雷諾數(shù)關(guān)系的影響(黃島原油為工作介質(zhì))Fig.7 Effects of diameter and material of pipe on relation betweenslipvelocityandRenumber(flowmedium:Huangdao crudeoil)

可以發(fā)現(xiàn),在原油為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中,存在反算滑移速度為負(fù)數(shù)的情形,以水為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中反算滑移速度均為正數(shù).這種現(xiàn)象的發(fā)生可能是與RTP管道的疏水親油性有關(guān).由于RTP管道疏水性,水與管道之間滑移剪切力大于水與管道之間黏性力.RTP管道的親油性會導(dǎo)致管內(nèi)流體流速較低時,雷諾數(shù)較小,管道與原油之間的黏性力大于滑移剪切力,導(dǎo)致反算滑移速度為負(fù)數(shù).當(dāng)流速較高時,黏性力小于滑移剪切力,反算滑移速度為負(fù)數(shù).同時,由于建模過程中沒有考慮流體與管道之間黏性力的影響,因此在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)以黏性力遠(yuǎn)小于滑移剪切力的部分提供滑移速度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,以增加擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的準(zhǔn)確性.

4 結(jié)論

目前并未形成公認(rèn)的適用于RTP管道的水力摩阻計(jì)算方法.本文嘗試從流體與管道內(nèi)壁發(fā)生速度滑移為基礎(chǔ)建模求解,以實(shí)驗(yàn)確定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,在一定程度上為RTP管道水力摩阻計(jì)算提供參考.

(1)在水力光滑區(qū),管徑一定的情況下,計(jì)算過程采用的滑移速度與雷諾數(shù)呈線性相關(guān),并且線性系數(shù)因流體性質(zhì)、管道內(nèi)壁性質(zhì)而產(chǎn)生差異.本文提出的滑移速度摩阻計(jì)算模型需大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以完善不同油品在不同類型RTP管道中的計(jì)算參數(shù).由于實(shí)驗(yàn)過程采用的管道數(shù)量有限,未能給出管徑對滑移模型計(jì)算線性相關(guān)系數(shù)的影響,后期需要增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以便對模型經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行完善.

(2)RTP管道材質(zhì)多種多樣,管道內(nèi)表面疏水親油性質(zhì)會導(dǎo)致在一定范圍內(nèi)增加輸油過程的摩擦力,無法達(dá)到使用RTP管道減阻的目的.當(dāng)流體與管道內(nèi)壁黏性力大于滑移剪切力時,反算滑移速度為負(fù)數(shù).在設(shè)計(jì)過程中,需要對采用的RTP管道表面性質(zhì)有直觀認(rèn)知,選用合適的材質(zhì),最大程度地節(jié)能降耗,減小流體在管道內(nèi)的流動阻力.

(3)在RTP管道以水為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)過程中滑移速度均為正,因此在RTP管道設(shè)計(jì)過程中可以考慮對內(nèi)表面進(jìn)行特殊處理,增強(qiáng)其疏水疏油性,保證流體流動過程中管道與流體間滑動剪切力遠(yuǎn)大于流體與內(nèi)壁的黏性力,從工藝設(shè)計(jì)上降低管輸過程中的水力摩阻.