起伏管道積水運動特征實驗研究*

徐廣麗，姜星材，陳禮鵬，蔡亮學,2

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500； 2.油氣消防四川省重點實驗室，四川 成都 610500)

0 引言

管道內存在積水會引發內腐蝕[1-2]，不僅影響管道內油品輸送效率、降低使用年限，而且會對油品安全輸送帶來威脅[3-4]。利用上游來流攜帶低洼處積水的思路[5]被提出后(又稱“水力清管”[6-7])，很多學者對起伏管道中油水兩相流的流動特性進行了研究[8]。

一些學者利用不同內徑流動環道裝置(如內徑27/41 mm[5]，50 mm[9-11]，100 mm[12])，對局部兩相流流型、積水被攜帶的影響因素進行實驗測量的同時，采用理論分析[5, 13]及CFD模擬[5-7, 14-18]對積水的排除進行一系列研究，然而對積水運動特征的研究相對較少。2011年，Xu等[5]通過在上傾鍍鋅鋼管不同距離處設置出水閥，發現積水頭部爬坡距離隨表觀油速增大而增加。2012年，Xu等[13]發現在油流剪切作用下，積水呈光滑分層流、波狀分層流及液滴分層流3種流型，且積水平均運動速度隨表觀油速增大而呈線性增大；許道振等[12]通過有機玻璃環道發現積水存在回流，在一定油速剪切下，積水爬坡距離在一定范圍內波動。2017年，Song等[9]利用10°～45°上傾傾角實驗環道發現積水爬坡距離隨上傾傾角增大而減小。2021年，劉建平等[19]發現水平管內積水頭部速度與油速相近；隨管道上傾傾角增大，積水尾部速度減小。由此可以看出，積水運動特征的影響規律尚不明確。

本文以0#柴油、自來水為實驗介質，自主搭建由水平-上傾管段組成的起伏亞克力實驗環道，對表觀油速Uos=0.25 m/s、無量綱水相高度h/D在0.5范圍內、管道內徑D=50，80 mm，上傾傾角β=1°，5°，10°，油流剪切作用下積水的運動特征進行實驗研究，并探討表觀油速、無量綱水相高度、管道內徑與上傾傾角對積水運動特征的影響規律，明確排除積水臨界條件，對管道安全運營提供指導意見。

1 實驗研究

1.1 實驗系統

實驗環道由儲存單元、動力單元、計量單元、注水單元、支撐單元、連接管路、起伏測試管路等組成，如圖1所示。儲存單元為容積100 L的304不銹鋼方罐；動力單元為40CQ-20PB型臥式磁力泵；計量單元為LWGY型渦輪流量計；注水單元包括注水短管、密封軟管、注射器；支撐單元包括鍍鋅鋼管、十字卡扣；連接管路內徑為50 mm，包括304不銹鋼整流管段ab、加筋透明回流管段cd；透明亞克力起伏測試管路由長1.0 m的水平管段與長4.0 m的上傾管組成，并設置高速攝像機，便于記錄管內流體的流動狀態。

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

1.2 實驗條件

實驗介質采用0#柴油和自來水(加黑色墨水)。在室溫(25 ℃)下，柴油密度為829.1 kg/m3，動力黏度為0.003 63 Pa·s，水密度為998.0 kg/m3，動力黏度為0.001 03 Pa·s，油水界面張力為0.033 4 N/m。

根據國內某內徑為489 mm成品油管道傾角分布，如圖2所示，發現下傾管道約占52.49%，上傾管道中僅有約2.49%傾角大于10°，因此，起伏測試管段上傾傾角選取1°，5°，10°。測試管段內徑取50，80 mm，表觀油速范圍為0.1～0.25 m/s。按照水平管段長1 m，無量綱水相高度(h/D，h為積水平鋪時的截面水相高度，D為管道內徑)為0.1～0.5確定水量，如圖3所示。

圖2 內徑489 mm成品油管道線路傾角分布Fig.2 Inclined angle distribution of product oil pipeline with inner diameter of 489 mm

圖3 測試管管道含水截面示意Fig.3 Section diagram of water content in test pipeline

1.3 實驗步驟

實驗開始前，通過液位高差完成灌泵，啟泵5 min待流動穩定，調節流量至指定工況，關閉離心泵。通過注水單元注入定量水，待油水兩相完全穩定后，開啟離心泵，同時采用高速攝像機記錄積水流型及運動特征。實驗完成后加大流量，將管路中的水沖入油罐，沉降后由油罐底部排水孔排出。

2 結果與討論

2.1 積水流型分布

2.1.1 表觀油速(Uos)的影響

本文實驗發現：表觀油速(Uos)較小時，積水流型呈光滑分層流，如圖4(a)所示，其特點為：積水平鋪在水平管道中，油水界面光滑，水相厚度隨油品流動方向(自左向右)增加；隨表觀油速(Uos)增大，由于上傾管道的阻擋，積水水相厚度的增加梯度變大，近彎管處的油水界面失去穩定性，呈波狀分層流，其尾部水相厚度依然呈梯度分布，如圖4(b)所示；隨表觀油速(Uos)進一步增大，油水界面穩定性被進一步破壞，積水頭部不斷有水滴脫離積水主體，隨油流向上運動，形成液滴分層流，其尾部水相厚度依然呈梯度分布，如圖4(c)所示。

圖4 D=50 mm，β=10°，h/D=0.2時，不同表觀油速下積水流型(油品流向自左向右)Fig.4 Flow patterns of accumulated water under different apparent oil velocities when D=50 mm,β=10° and h/D=0.2

圖5所示為上傾傾角為10°、管道內徑為50，80 mm時，不同表觀油速下積水流型分布。由圖5可知，隨表觀油速增加，油流對水的剪切作用增強，積水在彎管處受到上傾管的阻擋，其頭部水相厚度增加，當達到波狀流形成條件時，油水界面產生波動；表觀油速繼續增加，更多積水進入上傾管，界面進一步失穩，積水頭部被打散成水滴，從油水界面處分離，發展為液滴分層流。對比圖5(a)～圖5(b)發現，無量綱水相高度(h/D)相同時，管道內徑越小，表觀油速對流型轉換影響越明顯；管道內徑越大，流型轉換所需的臨界速度越大，這是由于無量綱水相高度(h/D)相同時，管道內徑越大，管內水量越多，重力分量越大，所需的油相剪切力也就越大。

圖5 D=50，80 mm，β=10°時，不同表觀油速工況下積水流型分布Fig.5 Flow pattern distribution of accumulated water under different apparent oil velocities when D=50,80 mm and β=10°

2.1.2 上傾傾角(β)的影響

對管道內徑為50 mm、表觀油速為0.15 m/s、無量綱水相高度為0.3時，不同上傾傾角條件下的積水分布進行分析，如圖6(a)所示。上傾傾角為1°時，由于上傾管的阻擋作用較弱，大部分積水進入上傾管道，較大范圍界面產生波動；上傾傾角增至5°時，上傾管的阻擋作用增強，積水停留在彎管處，界面略有波動；上傾傾角增至10°時，上傾管的阻擋作用進一步增強，積水頭部水相厚度分布梯度增大，剪切增強，更多積水進入上傾管，且界面波動明顯，頭部積水被打散成水滴，流型轉換為液滴分層流。如圖6所示，相同管道內徑、表觀油速、無量綱水相高度時，隨上傾傾角增大，流型逐漸由光滑分層流向波狀分層流、液滴分層流轉換，這是由于隨上傾傾角增加，上傾管的阻擋作用增大，積水頭部水相厚度分布梯度增大，更易導致界面失穩，且水相的重力分量增大，水相回流相應增加。

圖6 D=50，80 mm，h/D=0.3，不同上傾傾角工況下積水流型分布圖Fig.6 Flow pattern distribution of accumulated water under different upward inclined angles when D=50,80 mm and h/D=0.3

2.1.3 無量綱水相高度(h/D)的影響

起伏管道中無量綱水相高度不同時，積水流型不同，對管道內徑為50 mm、上傾傾角為5°、表觀油速為0.14 m/s時，不同無量綱水相高度工況的積水流型進行分析：無量綱水相高度較小時，積水停留在水平管段，界面光滑，為光滑分層流；隨積水增加，水相梯度分布更加明顯，頭部厚度更大，更易達到界面失穩臨界條件，同時積水頭部厚度增大使得局部油相流通面積減小、速度增大，對積水的剪切作用增強，爬坡能力增強，流型逐漸轉換為波狀分層流、液滴分層流。由圖7可知，當選取相同管道內徑、上傾傾角、表觀油速時，油水界面隨無量綱水相高度增加逐漸產生波動，流型由光滑分層流向波狀、液滴分層流逐漸轉換。

圖7 D=50，80 mm，β=5°時，不同無量綱水相高度工況下積水流型分布Fig.7 Flow pattern distribution of accumulated water under different dimensionless water phase heights when D=50,80 mm and β=5°

2.2 積水爬坡距離

本文實驗發現，積水在水平管道中時，若光滑分層流相界面產生波動，積水會不斷向前運動；積水進入上傾管道時，若相界面產生波動，近界面處積水因油相剪切向上爬坡，同時積水主體因重力向下回流；積水運動一段時間后，2種作用使其達到動態平衡，積水沉積在某處，將其距管路起傾點的距離稱為積水爬坡距離。如圖8所示，管道內徑為50 mm，上傾傾角為10°，無量綱水相高度自左至右依次為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5時，積水穩定時的流型。由圖8可知，隨無量綱水相高度增加，積水頭部爬坡距離增加，而尾部爬坡距離變化不大。如圖9所示，積水頭部爬坡距離隨不同積水運動特征變化而變化，爬坡距離隨表觀油速Uos增大而增大，這是由于隨表觀油速增加，油流剪切作用增強；爬坡距離隨管路上傾傾角增大而減小，這是因為管路上傾傾角增加，水相重力在運動方向上的分量增加，油流攜水的阻力增加；隨無量綱水相高度增加而增加，這是因為當管道內徑、表觀油速一定時，水相最大厚度越大，油相的流通面積越小，油速增大，積水攜帶能力增強。

本文分析發現積水爬坡距離與上傾傾角、表觀油速和無量綱水相高度相關，因此擬合得到積水最大爬坡距離，如式(1)所示：

(1)

式中：L為積水最大爬坡距離，m；D為管道內徑，m；β為管道上傾傾角，(°)；h/D為無量綱水相高度；Uos為表觀油速，m/s。

圖8 D=50 mm，β=10°，Uos=0.2 m/s，h/D=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5不同工況下積水流型Fig.8 Flow patterns of accumulated water when D=50 mm,β=10°,Uos=0.2 m/s and h/D=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5

圖9 不同表觀油速，上傾傾角，無量綱水相高度條件下積水頭部爬坡距離Fig.9 Grade climbing distances of accumulated water head under different Uos,β and h/D

由圖9可知，積水爬坡距離與無量綱水相高度、表觀油速呈正相關，與管道上傾傾角呈負相關，且對表觀油速較敏感，上傾傾角次之，無量綱水相高度影響較小。

2.3 積水臨界狀態分析

2.3.1 積水全部進入上傾管

本文實驗發現當表觀油速達到某值后，積水全部被攜帶至上傾管段，即積水尾部停留在管道起傾點，將該油速記為臨界表觀油速Uoscr1(單位m/s)。不同工況條件下的Uoscr1如表1所示，積水全部進入上傾管時的臨界表觀油速與管道內徑、上傾傾角正相關；相比上傾傾角，無量綱水相高度(h/D)對其影響不大。

表1 不同管道內徑，上傾傾角，無量綱水相高度時積水全部進入上傾管的臨界表觀油速Uoscr1Table 1 Measured critical apparent oil velocities when all accumulated water entering upward inclined pipe under different Uos,β and h/D m/s

如式(2)所示為弗勞德相似準則表達式，利用管道內徑為50 mm時，積水全部進入上傾管的臨界表觀油速預測：相同上傾傾角，管道內徑為80 mm時，積水全部進入上傾管的臨界表觀油速，發現預測值與實測值最大誤差在±13.9%以內；上傾傾角為10°、管道內徑為60，70，80 mm時臨界表觀油速Uoscr1與模擬值[20]誤差分別約為-4.7%，-15.5%，-20.9%；上傾傾角為10°，管道內徑為100 mm時臨界表觀油速Uoscr1與實測值[12]誤差為-5.7%。因此認為弗勞德相似準則可以很好地預測不同管道內徑時，積水全部進入上傾管的臨界表觀油速。

(2)

式中：vm，vp分別為原型和模型的液體流速，m/s；gm，gp分別為原型和模型的重力加速度，m/s2；Dm，Dp分別為原型和模型的管道內徑，m。

2.3.2 積水全部排除

隨表觀油速繼續增加，積水被全部排除。將積水被全部排除時的最小油速，記為臨界表觀油速Uoscr2(單位m/s)。不同工況條件下的Uoscr2如表2所示，積水全部排除時的臨界表觀油速與管道內徑、上傾傾角呈正相關，無量綱水相高度對其影響較小。

表2 不同管道內徑，上傾傾角，無量綱水相高度時，積水全部排出的臨界表觀油速Uoscr2Table 2 Critical apparent oil velocities when all accumulated water excluded under different D,β and h/D m/s

忽略無量綱水相高度對Uoscr2的影響，結合管道內徑相同，介質物性相近，上傾傾角為10°～45°時的臨界表觀油速實驗數據[21]，擬合得到內徑為50 mm時管道上傾傾角對積水全部排除時臨界表觀油速的影響公式，如式(3)所示：

Uoscr2=0.548-0.350e-β/38

(3)

式中：Uoscr2為積水全部排除時的最小油速，m/s；e為常數。

依據管道內徑為50 mm時，積水全部排除的臨界表觀油速，采用弗勞德相似準則，對上傾傾角為1°，管道內徑為80 mm的臨界表觀油速Uoscr2預測，發現預測值與實測最大值誤差在±6.3%以內；預測上傾傾角為10°，管道內徑為100 mm的臨界表觀油速Uoscr2，預測值發現與實測值[12]誤差約為-1.0%；綜合式(3)，預測管道內徑為100 mm，上傾傾角為12°時的臨界表觀油速Uoscr2，發現預測值與模擬值[7]誤差約為-17.2%。因此說明，弗勞德相似準則也能很好地預測積水全部排除時的臨界表觀油速。對于圖2所示內徑為489 mm成品油管道，通過弗勞德相似準則，預測積水全部排除時臨界表觀油速隨上傾傾角的變化，如式(4)所示：

Uoscr2=1.714-1.095e-β/38

(4)

如圖10所示為不同管道內徑條件下，積水全部排除的臨界表觀油速隨上傾傾角的變化，該內徑489 mm成品油管道最大上傾傾角為84.48°，由圖10可知，當表觀油速達到約1.60 m/s 時，管內積水將被完全排除。

圖10 不同管道內徑條件下積水全部排除的臨界表觀油速隨上傾傾角的變化Fig.10 Change of critical apparent oil velocity with upward inclined angle when all accumulated water excluded under different D

3 結論

1)隨表觀油速、上傾傾角、無量綱水相高度增加，起伏管道積水流型逐漸由光滑分層流向波狀分層流、液滴分層流過渡，其中表觀油速影響最大。

2)積水爬坡距離隨表觀油速、無量綱水相高度增加而增加，隨上傾傾角增加而減小，其中表觀油速影響最大。

3)弗勞德相似準則能較準確地預測起伏管道中積水全部排除的臨界條件，并預測某內徑489 mm成品油管道積水完全排除的臨界表觀油速約為1.60 m/s。