大起伏角度下V形管道段塞流流型特性

王冬旭， 胡其會*， 李玉星， 王鵬鵬， 李 爽

(1.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院， 青島 266580； 2.勝利油田海洋采油廠海底管道管理中心， 東營 257000)

在石油與天然氣開采過程中，為了節省投資和運行費用，油氣混輸方案得到廣泛應用[1-3]。油田中的混輸管線由于受地形起伏的影響，均呈不同傾角鋪設。通常在丘陵地帶管道起伏較小，但在一些復雜地形區域，會出現大起伏的混輸管路。特別是對于深水油田、沙漠油田以及中國川東北和長慶油田的復雜地形地區，集輸半徑大，導致氣液兩相在管道內流動狀態復雜，給運行管理帶來很多問題[4-5]。流型判斷是實現管線氣液流動參數準確預測的基礎，然而以往研究大多集中于水平管道和傾斜管道，對于大傾角起伏管線內的氣液流型研究相對較少[6-8]。

管道傾角對于氣液兩相流動有著十分重要的影響，在不同的傾角下兩相流動特性也會表現出很大差異。為此，上述中外的專家學者針對傾斜管道下的兩相流動開展了相關研究。Oddie等[9]利用煤油、水和氮氣在長11 m，直徑為15 cm的透明上傾管內進行了水氣、油水和油水氣多相流動的穩態和瞬態實驗，并對不同流型下的持液率進行了比較和討論。Perez[10]以空氣和水為介質研究了傾角θ(-20°≤θ≤90°)對持液率的影響。黃強[11]研究了高含氣起伏管路內的流型和壓力變化規律，利用 Pipephase 軟件計算了實驗管路的沿線壓降和流型分布，并與測量得到的實驗管路沿線壓力、流型進行對比。韓洪升等[12]在直徑20 mm的上傾管內以空氣、水為介質進行實驗，對比5°、15°、25°傾角下流型出現的區域，得到管道傾斜角度對流型變化的影響。Bhagwat等[13]以空氣和水為介質研究了傾角為0°、30°、60°、90°時上傾管內流型、持液率、壓力變化。王權等[14]利用室內實驗裝置進行氣液混輸實驗，對大傾角上傾管內氣液兩相流的流型、壓力波動特性進行了研究。實驗中觀測到6種流型，得到了不同氣液流量和傾角下壓力波動的時域值、概率密度函數(probability density function，PDF)、累積分布函數(cumulative distribution function，CDF)和功率譜密度(power spectral density，PSD)特征。Zhou等[15]對長管-立管內的氣水兩相流動進行了實驗研究。根據立管壓降信號和功率譜密度，將流型分為典型的強段塞流、過渡型強段塞流、振蕩流和穩定流。Yang等[16]在內徑為150 mm的傾斜地形管線上進行了數值模擬。對管道內的相分布、彎頭周圍的流速和壓力、不同截面處的含液率以及流量等流動參數進行了詳細的數值分析。

Oddie等[9]、Perez[10]、韓洪升等[12]、Bhagwat等[13]和王權等[14]的實驗研究都是以上傾管道為基礎。Zhou等[15]的實驗研究是以長管-立管為基礎。黃強[11]和Yang等[16]雖以起伏管路為基礎分別進行了相關實驗和模擬研究，但都存在實驗起伏管道傾角范圍(實驗傾角范圍為-6°～6°)過小的問題。以上研究忽略了大起伏角度管路中下傾管道和上傾管道之間的相互影響。V形管道是大起伏地形中較為常見的管路結構，其下傾管道傾角的變化必然會對上傾管道產生影響。目前，針對大起伏角度V形管道內氣液兩相流流型研究未有顯現。因此，本文擬通過實驗研究，得出V形起伏管道氣液兩相流流型特性，并結合實驗數據對現有流型判別準則進行驗證和修正。

1 實驗建立

本實驗系統為中國石油大學(華東)室內小型氣液兩相環道，實驗介質采用空氣和水，實驗裝置示意圖與現場圖如圖1所示。實驗管道內徑D=40 mm，總長45 m，其中下傾段長3.6 m，上傾段長2.4 m，采用透明有機玻璃材質，以便觀察管內氣液流型變化。上傾管與下傾管之間采用軟管連接，以便進行角度調節。下傾角β變化范圍為-30°～0°，上傾角α變化范圍為45°～90°。管道布置有間距均為0.4 m的雙平行電導探針(CP1～CP4)與壓力傳感器(P1～P5)。采用Iotech6220采集卡進行持液率與壓力信號的采集，采樣頻率為50 Hz，采樣時間為60 s。實驗中的氣體表觀流速范圍為0.15～11 m/s，液體表觀流速范圍為0.03～1.2 m/s。

圖1 實驗裝置示意圖與現場圖Fig.1 Schematic diagram and actual figure of experimental equipment

2 實驗結果

2.1 流型介紹

在本實驗范圍內共觀察到7種流型，分別是：嚴重段塞流Ⅰ(SSⅠ)、嚴重段塞流Ⅱ(SSⅡ)、嚴重段塞流Ⅲ(SSⅢ)、段塞流、氣團流、乳沫狀流和環狀流，各流型的典型特征如圖2所示。

①嚴重段塞流Ⅰ(SSⅠ)：氣液流量均較小時出現，段塞長度大于上傾管管長，出口壓力和氣液流量周期性波動；②嚴重段塞流Ⅱ(SSⅡ)：在SSⅠ的流量基礎上增加氣體流量，段塞頭部還未到達上傾管出口時底部氣體已進入上傾管，段塞長度小于上傾管長度，出口氣體不出現斷流；③嚴重段塞流Ⅲ(SS Ⅲ)：在SSⅠ的流量基礎上繼續增加液體流量，此時液體的攜帶作用增強，使氣體以泰勒氣泡的形式進入上傾段，出口液體不出現斷流；④段塞流：由段塞區和液膜區組成的段塞單元沿上傾管流動，一般在氣液流量相對較大時出現；⑤氣團流：在氣體流量較小的情況下持續增加液體流量，使氣體以氣團的形式隨液相穩定地進入上傾段；⑥乳沫狀流：段塞流至環狀流的過渡流型，不斷增大氣體流量，氣體對液體會產生強烈的攪拌，液體呈不規則的乳沫狀向上流動；⑦環狀流：在乳沫狀流的基礎上繼續增加氣體流量，使氣體在管中心形成連續氣芯，此時液體在氣液界面摩擦力的作用下以液膜形式沿管壁向上運動。

圖2 各流型特征示意圖Fig.2 Characteristic sketches of different flow patterns

如圖3所示為電導探針CP4采集的持液率信號與功率譜密度(PSD)對比圖。從圖3中可以看出，嚴重段塞流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ周期性較為明顯，在PSD圖中擁有明顯的主頻率；嚴重段塞流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ具有較大的PSD峰值，其由大到小排列依次為SSⅠ>SS Ⅱ>SS Ⅲ；段塞流主頻分布在一定區域以內，這表明其持液率信號不是一個標準的周期函數，正如Woods等[17]所證明的那樣，段塞的生成過程具有隨機性；氣團流、乳沫狀流、環狀流無周期規律，且環狀流PSD幅值最小。

圖3 不同流型持液率信號與功率譜密度對比Fig.3 The comparison of power spectral density and holdup signal of different flow patterns

2.2 流型分布

改變氣液表觀流速，調節下傾管角度分別為-30°、-15°，上傾角度分別為45°、75°，將實驗觀察的上傾管流型繪于圖4。從圖4中可以看出，當上傾管傾角一定時，V形管道下傾管傾角越大，越容易產生SSⅠ，環狀流生成區域越??；當下傾管傾角一定時，V形管道上傾管傾角越大，越容易產生SSⅠ，環狀流生成區域越小。這是因為當上傾管角度不變，下傾管傾角增大時，V形管道底部積液增多，段塞長度增加，降低了氣液比，這樣就降低了管道內的壓力遞增速度，從而增加了SSⅠ的可能性；底部積液增加，降低了氣體進入上傾管中的速度，減小了環狀流的生成區域。當下傾管傾角不變，上傾管傾角增大時，V形管道底部積液也會增多，從而增加了SS Ⅰ的可能性；上傾管傾角增大，液膜倒流趨勢增強，容易形成液橋阻塞氣體流動，因而需要更高的氣速保持環狀流動。這也說明地形起伏段塞流的產生與地形特性密切相關。

圖4 不同管道傾角下流型Fig.4 Flow patterns of different pipe inclinations

2.3 流型數據與改進的Taitel-Dukler流型判別法對比

Barnea[18]以Taitel-Dukler流型判別法為基礎，改進得到應用范圍更廣的流型判別準則。將實驗數據與改進的Taitel-Dukler流型判別準則對比，得到不同管道傾角下實驗結果與計算結果，如圖5所示。分析可知：改進的Taitel-Dukler流型判別準則計算結果與實驗數據基本吻合，實驗觀察氣團流區域小于準則計算結果，準則計算環狀流區域大于實驗觀測結果。

圖5 不同管道傾角下實驗結果與改進的Taitel-Dukler流型判別準則對比Fig.5 The comparison of experimental results and the improved Taitel-Dukler flow pattern criterion at different pipe inclinations

2.4 嚴重段塞流型研究

B?e[19]根據嚴重段塞流的形成過程，假設上傾管中液體壓頭的增長速率大于管道中壓縮氣體壓力的增加速率，建立了SSⅠ、SSⅡ判別準則。隨后，Taitel[20]將液體回流因素考慮到嚴重段塞流的生成過程中，進一步完善了B?e準則[式(1)]。Ye等[21]根據實驗結果提出了B?e修正準則[式(2)]，其修正系數C=2。現將B?e準則與B?e修正準則與不同管道傾角下實驗結果對比，如圖6所示。

(1)

(2)

式中：USL為液體流速，m/s；ρG0為標況下氣體密度，kg/m3；R為氣體常數，J/(kg·K)；T為熱力學溫度，K；USG0為標況下氣體速度，m/s；ρL為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；γ為管線平均含氣率；l為下傾管長度，m；α為上傾管傾角，(°)；C為修正系數。

圖6 不同管道傾角下實驗結果與嚴重段塞流判別準則對比Fig.6 The comparison of experimental results and the criteria for severe slug flow at different pipe inclinations

由圖6可以看出，對于SSⅠ、SSⅡ流型分布，修正B?e準則判別效果要優于B?e準則，這與Luo等[22]的研究結果相一致。大起伏角度V形管道前后傾角變化對嚴重段塞流范圍影響較為明顯，本實驗擬合大起伏角度條件下B?e準則的修正系數為3，大于Ye等[21]在立管中的研究結果。這是因為大起伏地形增大了氣液流動阻力，嚴重段塞流噴發后液體回流增多，使底部積液增多，段塞長度增加，降低了氣液比，降低了管道內的壓力遞增速度，SSⅠ轉化SSⅡ需要更高的表觀氣速，從而增加了SSⅠ的生成區域。

3 結論

對大起伏角度條件下V形管道流型特性進行實驗研究，分析了前后管道傾斜角度對流型變化規律的影響，并結合實驗數據對常用的流型判別準則進行驗證，具體結論如下：

(1)實驗范圍內觀測到7種流型，SSⅠ、SSⅡ、SS Ⅲ、周期性較為明顯，在PSD圖中擁有明顯的主頻率；嚴重段塞流SSⅠ、SSⅡ、SSⅢ、具有較大的PSD峰值，其由大到小排列依次為SSⅠ>SSⅡ>SS Ⅲ；段塞流、氣團流、乳沫狀流、環狀流無周期規律，且環狀流PSD幅值最小。

(2)當V形管道下傾管傾角或者上傾管傾角增大時，管道底部下凹區域積液量增多，SSⅠ生成區域增大，環狀流生成區域減小。

(3)改進的Taitel-Dukler流型判別準則計算結果與不同傾角下的實驗數據基本吻合，實驗觀察氣團流區域小于準則計算結果，準則計算環狀流區域大于實驗觀測結果。

(4)V形管道前后傾角變化對嚴重段塞流范圍影響較為明顯，修正B?e準則對于SSⅠ、SSⅡ流型判別效果要優于B?e準則。由于V形管道底部的積液效果，使段塞長度增加，SSⅠ轉化SSⅡ需要更高的表觀氣速，從而增加了SSⅠ的生成區域。本實驗擬合大起伏角度條件下B?e準則的修正系數C=3。