花 靖，蔣 秀，于 超，傅建斌，靳彥欣，逄銘玉

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

0 前言

濕氣集輸工藝因具有集氣站和管網設施相對簡單、維護費用低等優(yōu)點，被廣泛地應用在氣田集輸系統。在輸送過程中，隨著沿程溫度、壓力逐漸降低，飽和水蒸氣會冷凝析出沉降在管道底部，形成氣液兩相流。此時，管線低洼處形成積液以及積液引發(fā)的腐蝕是亟待解決的問題。具體來說，積液的產生會引發(fā)內腐蝕、輸送效率降低、壓力擾動，導致設備損壞等一系列問題。因此，研究管內積液的形成和分布規(guī)律，進而制定相應的積液消除措施，對氣田集輸系統的安全高效運行具有重大意義。

1 積液形成機理

管道的濕氣輸送過程是典型的低持液率氣液兩相流工況。在這種工況條件下，氣相、液相表觀流速較小，由Taitel & Dukler流型轉變圖版可知(如圖1所示)，流型是層流或層狀-波浪流，氣、液相表觀流速在圖版中的位置由灰色方框標注。流動過程中，液相受到液壁剪切應力(

τ

)、氣液間剪切應力(

τ

)以及重力(

G

)的綜合作用，流體受力分析示意如圖2所示。其中，液壁剪切應力和重力阻礙液相向上運移，氣液間剪切應力促進液相向上運移。因此，當氣液間剪切應力大于液壁剪切應力和重力分量之和時，液相向上運移；反之，液相向下運移，在管線低洼處積聚形成積液。氣液間剪切應力和液壁剪切應力計算公式分別見式(1)、式(2)。

圖1 Taitel & Dukler流型轉變圖版及典型工況在圖版中的位置示意

圖2 輸氣管道中分層流流體受力分析示意

(1)

(2)

式中：

f

——氣液相間剪切摩擦系數；

f

——液壁間剪切摩擦系數；

u

——氣相流速，m/s；

u

——液相流速，m/s；

τ

——氣液相間剪切應力，N/m；

τ

——液壁間剪切應力，N/m；

ρ

——氣相密度，kg/m；

ρ

——液相密度，kg/m。

2 積液形成影響因素

積液的形成主要受流體性質、輸送條件以及管道結構影響。其中，流體性質包括入口氣液相流量、氣相組分構成；輸送條件包括管內溫度、壓力、環(huán)境溫度等；管道結構包括管道內徑、管道傾角。

2.1 影響因素分析

a) 流體性質。劉甜甜通過研究發(fā)現，入口氣量對管內積液量的影響較大，隨著入口氣量的增大，管內積液量逐漸減?。欢肟谝毫繉軆确e液量的影響較小，隨著入口液量的增加，管內積液量呈現總量增大但增幅逐漸減小的規(guī)律。此外，存在氣液比臨界值，當實際氣液比小于臨界值時，管內飽和積液量隨著氣液比增大而減小;相反，當實際氣液比高于臨界值時，管內飽和積液量保持恒定。

氣相組分中重組分類型及所占比例對持液率也具有一定的影響，王國棟等采用基于OLGA瞬態(tài)模擬的方法研究了4種不同組分的氣體(C7+摩爾比例分別為1%，3%，5%，7%)對持液率的影響，得出C7+摩爾比例越高，持液率越大的結論。

b) 輸送條件。輸送壓力、輸送溫度影響氣相流速和密度，間接影響氣相的攜液能力。陳星杙研究發(fā)現：輸送壓力與積液量呈現正相關關系，輸送溫度與積液量呈現負相關關系，且輸送壓力的影響程度高于輸送溫度。此外，環(huán)境溫度影響氣相的冷凝析出過程，析出量的多少與氣相組成有關，若氣相組成中重組分占比較小，則管內積液量受到環(huán)境溫度的影響也較小。

c) 管道結構。管道傾角和管徑對積液量影響較大。上傾管中，輸送氣量一定時，管道內徑越小，表觀氣相流速越大，氣液相間剪切應力越大，從而管內積液量越少，下傾管則呈現相反的規(guī)律。上傾管的傾角越大，要克服的液相重力分量越大，從而積液量越多，下傾管的傾角越大，液相越容易向下運移，從而積液量越少。因此，管道傾角對積液量的影響呈現上傾管>水平管>下傾管的規(guī)律。

2.2 影響因素總結

綜合上述，分別繪制上傾管和下傾管各因素Spearman相關系數，如圖3所示。由圖3可知，管道傾角對持液率影響最大，其次是管徑、氣液比、壓力、溫度。

圖3 上傾管和下傾管各因素Spearman相關系數

3 積液研究方法

國內外專家學者主要采用室內實驗、軟件模擬、檢測技術等方法對低含液輸氣管內積液特性進行了研究，各種方法的研究情況如下。

3.1 室內實驗研究

國外關于低持液率下兩相流積液和壓降的室內實驗研究起步較早，理論體系比較成熟。主要分為兩種類型：一種是通過對實驗數據進行擬合得到的經驗模型；一種是基于觀察到的實驗現象建立的機理模型。

3.1.1

經驗模型

經驗模型的發(fā)展經歷著從水平管段擴大到任意傾角管段、不區(qū)分流型到每個流型對應一個關系式、經驗關系式到半經驗關系式的過程，各相關式的研究情況如表1所示。

表1 低持液率氣液兩相流實驗情況(經驗模型)

在水平管持液率預測方面，喻西崇以實際數據對比了Eaton、Dukler II、Beggs-Brill、Mukherjee-Brill 4種相關式的預測精度，結果顯示：Eaton的計算精度最好，Dukler II次之。Majeed采用Minami-Brill(水平管、管徑77.93 mm、111個檢測點、持液率范圍為0.009～0.45)的實驗數據對比發(fā)現：G.H.Abdul-Majeed、Minami-Brill I、Minami-Brill II相關式的預測精度較高。在傾斜管持液率預測方面，由于單一相關式的使用范圍具有一定的局限性，為了達到更精確的預測效果，逐漸發(fā)展形成一些組合模型，比如：BBE(Beggs & Brill+Eaton)組合、BBX(Beggs & Brill+Xiao-Brill)組合、BBD(Beggs & Brill+Dukler II)組合、MBX(Mukherjee-Brill+Xiao-Brill)組合等。計算過程為先用一種相關式計算水平持液率，再用另外一種相關式修正得到相應傾角下的計算值(如BBE、BBD)或者上傾管段和下傾管段分別用相應的相關式計算(如BBX、MBX)。喻西崇通過現場數據計算發(fā)現，MBX(-8.26%)、BBE(5.8%)的預測精度要好于其它組合。

3.1.2

機理模型

從20世紀開始，國外專家學者對低持液率下兩相流的機理模型做出了大量的研究，具體的實驗條件和結果如表2所示。

表2 低持液率氣液兩相流實驗情況(機理模型)

在眾多的研究成果中，比較典型的幾種界面形狀見圖4。Taitel & Dukler假設氣液界面是平板狀，提出了FLAT模型，界面形狀見圖4(a)。隨著研究的深入，研究者發(fā)現隨著氣相流速的逐漸增大，氣液界面不再保持水平，而呈現出其它形狀：薄膜狀(ARS模型)、彎曲狀(MARS模型)、雙圓環(huán)狀(Double Circle模型)、Banafi狀(Banafi模型)，分別見圖4(b)～4(e)。

圖4 五種不同界面形狀的分層流流型示意

除了界面形狀的刻畫不同之外，各機理模型的不同點還在于摩擦系數閉合關系式的選用。FLAT模型采用雷諾數計算

f

和

f

，且假設

f

與

f

相等；ARS和MARS模型采用Eck公式計算

f

和

f

；Double Circle模型的

f

與FLAT相同，而對于

f

的計算，則考慮了分層波浪流氣液界面的彎曲特性，給出了新的計算公式。

Badie等分別以氣-水和氣-油為實驗介質，在直徑為0.079 m的水平管中進行了實驗，油氣水三相表觀速度范圍分別為0～0.026，15～25，0.001～0.046 m/s。用所得的實驗數據對比了ARS模型和Double Circle模型的預測精度。結果顯示ARS模型對持液率的預測效果整體更好，介質為氣-水、高氣相流速時兩種模型的壓降預測效果均較好，但是氣-水兩相流低氣相流速實驗條件和氣-油兩相流的壓降預測效果都不佳。

Banafi等以氣-水為實驗介質，在長7 m內徑0.033 m的水平塑料管中研究了持液率在0.01～0.08范圍內壓降的變化規(guī)律，并將實驗結果與8種模型(見圖5)的預測結果進行對比。研究發(fā)現：Taitel & Dukler、Zhang的模型整體預測效果較好，平均相對誤差分別為25.24%、33.74%，這與用Badie的實驗數據計算的結果相一致(平均相對誤差分別為30.65%、24.65%)，而Baker、Double Circle的模型預測效果較差(平均相對誤差分別為253.2%、88.85%)。作者分析了Zhang的模型預測效果較好的原因是模型中考慮了氣體中的液相攜帶現象，同時認為Taitel & Dukler模型在0～0.02持液率范圍內預測效果不顯著的原因是氣液比較大，兩相界面開始彎曲不再保持水平，模型的適用性開始變差。

圖5 8種模型在不同持液率范圍的平均相對誤差

綜上所述，現有經驗模型和機理模型參數預測精度還比較低，尚有提升的空間，且不同工況下的預測精度有所差異，主要源于：①實驗數據較少。實驗主要在常壓、小管徑水平管道(近水平管道)工況進行，而多起伏、大管徑、高壓、低含液工況下氣液兩相流的實驗研究較少，使得建立經驗模型所需擬合的數據不足，實驗現象描述不夠準確，最終導致2種模型在該工況下的適應性較差；②實驗條件不同。氣液兩相流的流動是個復雜的過程，受到流體流速、實驗介質、管道傾角、溫度、壓力等參數的綜合影響，從而特定實驗條件下建立的機理模型的預測范圍受限；③實驗研究不夠深入。由于管內兩相流的復雜性，氣液兩相界面的形狀、尺寸、摩擦系數、液滴攜帶還沒有充分的理解或者精確的數學表達，通常為了建立機理模型方便，對實驗現象做出了簡化，導致預測精度有所不足。

3.2 軟件模擬

數值模擬軟件由于具有操作性強、成本低、可模擬工況廣泛等優(yōu)點，被大量地運用在輸氣管道積液特性研究領域。按照參數是否隨時間變化軟件可以劃分成穩(wěn)態(tài)模擬軟件和瞬態(tài)模擬軟件。穩(wěn)態(tài)模擬軟件主要有PEPITE、PIPEPHASE、TWOPHASE，瞬態(tài)模擬軟件主要有OLGA、FLUENT、LedaFlow。

在穩(wěn)態(tài)模擬軟件方面，PEPIE軟件采用雙流體模型，考慮了流型、相組成、壁面熱交換等因素的影響，可以模擬水平管和近水平管中分層流、彈狀流等流型的持液率、壓降、溫度變化規(guī)律。PIPEPHASE軟件包含單相流體、多相流體、組分等多種流體模型，擁有龐大的物性數據庫和熱力學計算方法，可以研究不同的工況下壓降、持液率、溫度的沿程變化規(guī)律。TWOPHASE軟件對壓降的預測準確性高，但持液率的預測精度不穩(wěn)定，受氣體流速和管道傾角的影響較大。

在瞬態(tài)模擬軟件方面，OLGA軟件采用雙流體模型為基礎，考慮氣相、液滴、液膜3相，對壓降的預測效果較好，但對持液率和溫度的預測較差。FLUENT軟件在管內流體流動特性方面具有較為理想的模擬效果，在管內流型模擬及形態(tài)觀察方面有較大的優(yōu)勢。LedaFlow軟件內嵌復雜網絡求解器和包含耦合不同維數模型的算法，氣相流量較高時，壓降與現場數據相差10%，持液率預測效果較好，但氣相流量較低時，預測的壓降嚴重高于現場數據，預測的持液率也偏高。

雖然多相流模擬器性能在不斷優(yōu)化，計算精度也在不斷提升，但依然存在幾點不足之處：①大部分經驗關系式沒有基于流體運動學理論建立；②對水相及引發(fā)的問題處理不恰當，比如持液率增加、水合物形成、內壁腐蝕等；③超大管徑和高壓工況下的預測水平較低；④可視化水平還有待提升。

3.3 檢測技術

超聲波檢測、紅外檢測、快關閥門法等檢測技術在氣液兩相流流型識別和截面含液率測量兩方面運用較多，具體包括管內流型的形態(tài)及演化觀察、液面高度的檢測和界面形狀的刻畫等。

未小會依據超聲波反射原理，開發(fā)了超聲波檢測系統，對管道內部積液高度進行了測量，實現了測量誤差小于3%。楊濤利用開發(fā)的管道積液紅外檢測系統分別開展了動態(tài)和靜態(tài)條件下積液高度檢測，檢測誤差小于10%。李玉浩基于固-液和固-氣2種界面回波特性的差異，給出了層流、段塞流和環(huán)狀流3種流型的識別方法，檢測系統層流液位高度的測量精度在3 mm以內。管孝瑞利用相似準則建立水平管中液膜厚度測量系統，通過內置螺旋測微器測量兩相流過程中各向液膜厚度。研究表明：6點鐘方向液膜最厚，兩端最??；同一表觀氣速下，隨著表觀液速的增加，液膜最厚值呈現先減小后增大的規(guī)律；同一表觀液速下，隨著表觀氣速的增加，氣液間剪切力增大，液相被攜帶的越多，從而液膜最厚值逐漸減小。

研究發(fā)現，現有檢測技術尚有一些不足之處：①檢測精度有限，準確性因人而異。為了保證輸氣過程中的安全，管線結構要求保證完整，從而必須選用超聲波、紅外等非介入式檢測技術，但這些技術的檢測精度容易受到管壁的影響。同時，上述檢測技術對檢測人員的經驗和水平要求高，檢測精度相當程度上取決于檢測人員的經驗和水平；②氣液兩相流流型識別不夠精準，對于層流來說，現有技術默認界面形狀為平板狀，而不能夠檢測區(qū)分其它界面形狀的層流流型，從而導致截面含液率的計算誤差較大。

4 結論

低含液輸氣管道中，氣液兩相流流型主要是層流。管道傾角、管徑、氣液比是積液形成的主要因素。目前，室內實驗、軟件模擬、檢測技術是低含液輸氣管道內部積液特性研究的主要手段。通過研究發(fā)現，未來的技術可以從以下3點開展。

a) 多起伏、大傾角、大管徑、高壓工況下的實驗研究有待開展，同時實驗現象(流型形成和演化、界面形狀等)的認知及數學表達仍需發(fā)展，將兩者相結合，建立的理論預測模型才會具有更加精確的預測效果。

b) 多相流模擬器的計算精度需要提高，適應性需要拓展，此外，計算結果的可視化水平也需要進一步提升。

c) 高精度、易操作非介入式檢測技術尚有較大發(fā)展空間。這對檢測技術和設備提出了很高的要求，下一步重點研究如何拓寬檢測維度、加強有效檢測信息的提取和最小化測量人員檢測失誤概率。

值得一提的是，輸氣管內氣液兩相的流動是個非常復雜的過程，采用單一手段研究持液率的分布精確度可能受限。因而，綜合運用3種研究方法，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，取長補短，可以達到更好的預測效果。