利用電阻探針測試輸油管道中油品攜水能力實驗

許道振 張勁軍 王 彬 張國忠 代玉杰

1中國石油規(guī)劃總院2中國石油大學(xué)（北京）3中國石油大學(xué)（華東）

利用電阻探針測試輸油管道中油品攜水能力實驗

許道振1；2 張勁軍2 王 彬1 張國忠3 代玉杰1

1中國石油規(guī)劃總院2中國石油大學(xué)（北京）3中國石油大學(xué)（華東）

利用自主開發(fā)的環(huán)形裝置，模擬了積水在輸油管道中的運動情況，并根據(jù)油水電導(dǎo)率不同的原理，利用電阻探針檢測到了壁面處三種可能的潤濕情況，確定了在不同含水率下，管壁處為恒定油相潤濕的臨界流速。通過三種具有特殊物性的油品研究油品黏度及密度對油品攜水能力的影響，發(fā)現(xiàn)具有較高黏度以及較大密度的油品具有較強的攜水能力，相同工況下能夠減少管道中積水及管道腐蝕的可能。將實驗結(jié)果與液滴穩(wěn)定模型預(yù)測進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在含水率較低時，實驗數(shù)據(jù)和模型預(yù)測吻合較好；含水率較高時，實驗數(shù)據(jù)和模型預(yù)測出現(xiàn)了偏差。

輸油管道；環(huán)形裝置；電阻探針；油品攜水；臨界流速；油品物性

在石油、化工等行業(yè)中，油水兩相在管道中同時輸送的現(xiàn)象非常普遍。由于存在密度差，水相在管道底部聚集形成自由水層，自由水層的存在為腐蝕提供了環(huán)境，加速了管道內(nèi)壁腐蝕速率。管道的腐蝕不僅增加了維護(hù)成本，還會造成管道停輸引起的間接損失。如果運行工況下，水相全部以液滴的形式分散在油相中，管道內(nèi)壁全部被油相潤濕，則可降低管道內(nèi)壁的腐蝕速率。

本文的主要目的是研究不同工況下，水相全部進(jìn)入油相，管道內(nèi)壁被保護(hù)的臨界狀態(tài)以及油品物性對油品攜水能力的影響。

1 實驗裝置與測試方法

實驗設(shè)備為自主開發(fā)的環(huán)形實驗裝置[1]，流動區(qū)域為柱形外壁、內(nèi)壁，頂蓋以及底蓋圍成的環(huán)形裝置。為方便觀察流型，其中圓柱形內(nèi)壁、外壁以及頂蓋由有機玻璃構(gòu)成。整個裝置通過調(diào)節(jié)連接在頂蓋上的馬達(dá)驅(qū)動的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)環(huán)形區(qū)域內(nèi)流體的流速。

實驗中主要應(yīng)用自主開發(fā)的齊平管道內(nèi)壁式電阻探針來檢測壁面處的潤濕情況。電阻探針的工作原理利用了油水兩相電導(dǎo)率的不同。電阻探針外壁為金屬導(dǎo)電空心圓柱，中心為導(dǎo)線，外壁與導(dǎo)線之間用環(huán)氧樹脂填充進(jìn)行絕緣。在探針外壁與中心導(dǎo)線之間施加一個5V的工作電壓。當(dāng)水相潤濕管壁時，探針外壁與中心導(dǎo)線被水滴導(dǎo)通，則探針外壁與中心導(dǎo)線之間的電壓降為零；而當(dāng)油相潤濕管壁時，探針外壁與中心導(dǎo)線之間絕緣，則兩者之間的電壓為工作電壓5V。將探針外壁與中心導(dǎo)線之間的電壓和參比電壓（3V）進(jìn)行對比，將采集到的二進(jìn)制信號0和1輸入到采集程序中，通過圖形顯示的方法，用紅藍(lán)兩種顏色分別表示管壁被油相和水相潤濕。在壁面上均勻分布著5×14共70個探針，可以檢測整個壁面的潤濕情況。實驗利用皮托管來測量液體的流速。

2 實驗方案和步驟

2.1 方案

為了研究油品黏度和密度等物性對于油品攜水能力的影響，分別用三種油品進(jìn)行實驗測試。通過表1可以發(fā)現(xiàn)，在這三種油品中，LVT—200和Aromatic—200具有相似的黏度，密度不同；LVT—200和Isopar—V具有相似的密度，黏度相差較大；并且Aromatic—200和水的密度差很小。這三種油品的特殊物性，為研究黏度以及密度對油品攜水能力的影響提供了幫助。為了提高電阻探針的靈敏度，水相中加入了1%的NaCl作為實驗介質(zhì)。

表1 樣品物性參數(shù)

對于每一種油品，分別在5%、10%、15%以及20%四種含水率工況下進(jìn)行測試，流體的速度范圍為0.3～1.7m/s。

2.2 實驗步驟

為了保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性以及每次實驗具有相同的初始狀態(tài)，采取以下實驗步驟：

（1）每次實驗前用砂紙對電阻探針進(jìn)行打磨，除去表面的氧化層，保證電阻探針有良好的導(dǎo)電性，然后對電阻探針進(jìn)行測試。當(dāng)電阻探針全部顯示為未導(dǎo)通，進(jìn)行下一步。

（2）按照實驗方案設(shè)定的含水率，將油、水依次注入到環(huán)形空間內(nèi)，待油水分層穩(wěn)定后，對探針進(jìn)行測試。當(dāng)電阻探針全部顯示為導(dǎo)通后，進(jìn)行下一步。

（3）調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，待穩(wěn)定后首先對電阻探針進(jìn)行10次數(shù)據(jù)采集，電阻探針數(shù)據(jù)穩(wěn)定后對皮托管進(jìn)行5次數(shù)據(jù)采集。

（4）排除裝置中的油水，并對實驗裝置進(jìn)行清洗。

（5）重復(fù)以上前三個步驟，在不同油品、不同流速、不同含水率下進(jìn)行實驗。

實驗結(jié)果與后面的模型預(yù)測一并給出并對比分析。

本文采用Hinze、Brauner提出和改進(jìn)的液滴穩(wěn)定理論進(jìn)行模型驗證，計算過程可參考文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]。

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗現(xiàn)象

通過分析采集到的壁面潤濕圖，可以將壁面的潤濕情況分為三大類：①恒定水相潤濕，所有探針均顯示被水相潤濕，并且均保持恒定；②油水間歇性潤濕，部分探針顯示被水相潤濕，并且隨著時間的延長，部分探針顯示壁面在油相潤濕和水相潤濕之間轉(zhuǎn)換；③恒定油相潤濕，所有探針均顯示被油相潤濕，并且均保持恒定。

初始時刻，由于重力的作用，水相分布在裝置的底部，壁面全部為水相潤濕。隨著流速的增加，部分油滴會接觸到管壁底部，壁面的潤濕情況由恒定水相潤濕變?yōu)殚g歇性水相潤濕，但是由于流速較低，系統(tǒng)內(nèi)的湍動能不足以維持液滴的穩(wěn)定，部分水滴在重力的作用下重新沉降至壁面處潤濕壁，從而使得部分探針在水相潤濕和油相潤濕之間頻繁轉(zhuǎn)換。隨著流速的進(jìn)一步增加，越來越多的探針在油相潤濕和水相潤濕之間轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換頻率逐漸降低，油相潤濕的時間逐漸增長。當(dāng)流速達(dá)到臨界點后，所有的探針均顯示為油相潤濕，并且不再表現(xiàn)出在油相潤濕和水相潤濕轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。在實際生產(chǎn)過程中，如果管道能夠在臨界流速之上運行，能夠極大地減少管道的內(nèi)腐蝕速率。

3.2 數(shù)據(jù)分析

圖1為三種油品的測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：對于同一種油品，隨著水相持液率的增加，流型轉(zhuǎn)換的臨界流速也逐漸增大。當(dāng)水相持液率從5%增加到20%，油品介質(zhì)為LVT—200時的臨界轉(zhuǎn)換流速從1.2m/s提高到1.6m/s，另外兩種油品表現(xiàn)出相同的趨勢；油品介質(zhì)為Isopar—V時，水相持液率從5%增大到15%時，臨界轉(zhuǎn)換流速由0.9m/s增大到1.2m/s；油品介質(zhì)為Aromatic—200，水相持液率從10%增大到20%時，臨界轉(zhuǎn)換流速由0.5m/s增大到0.8m/s。由于Isopar—V油品黏度高，流動時能量耗散較大，受到電動機功率的限制，當(dāng)水相持液率為20%時，并沒有觀察到油潤濕的情況。由于在Aromatic—200介質(zhì)環(huán)境中壁面表現(xiàn)出完全的憎水性，當(dāng)水相持液率為5%時，在測量范圍內(nèi)僅觀察到了油相潤濕一種情況。

圖2為三種油品流型轉(zhuǎn)換線對比圖。Isopar—V和LVT—200兩種油品密度相近，Isopar—V的黏度為LVT—200黏度的5.8倍，從圖2可以看出油品為sopar—V時的臨界轉(zhuǎn)換流速要遠(yuǎn)小于油品為LVT—200時的臨界轉(zhuǎn)換速度，即黏度較大的油品具有更好的攜水能力。

圖1 管壁潤濕圖

圖2 三種油品轉(zhuǎn)換線對比

LVT—200和Aromatic—200兩種油品黏度相近，Aromatic—200的密度大于LVT—200，從圖2可以看出油品為Aromatic—200時的臨界轉(zhuǎn)換流速要遠(yuǎn)小于油品為LVT—200時的臨界轉(zhuǎn)換速度，即密度較大的油品具有更好的攜水能力。

由于Aromatic—200的密度和水較為接近，即當(dāng)水相的持液率為20%時，流速達(dá)到0.8m/s時，壁面潤濕已經(jīng)轉(zhuǎn)化為油相潤濕。在該實驗條件下，密度對于油品攜水能力的影響大于黏度。

3.3 模型對比

對比實驗測得轉(zhuǎn)換線和模型預(yù)測值，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水相持液率較低時，LVT—200和Aromatic—200兩種油品的實驗測得值與模型的預(yù)測值吻合得比較好，Brauner的模型可以較好地預(yù)測在液滴濃度較低時的流型轉(zhuǎn)換條件；當(dāng)液滴濃度較高時，對于LVT—200和Isopar—V這兩種密度較小的油品，預(yù)測值要高于實測值。Angeli[4]和Simmons[5]也發(fā)現(xiàn)，在液滴濃度較高時，模型并不能給出較準(zhǔn)確的預(yù)測值。對于密度較大的Aromatic—200，預(yù)測值低于實測值，這是由于雖然油品密度的增大，增加了水滴受到的浮力，但是Aromatic—200的密度和水的密度差極小，油水兩相的運動趨于相同，在湍流作用下部分水相會運移到管壁，相比于預(yù)測值，需要更高的流速使得水相分布在管道的中心部分。

4 結(jié)論

利用自主開發(fā)的環(huán)形裝置及壁面齊平式電阻探針對油品攜水能力進(jìn)行了研究，通過對三種具有特殊性質(zhì)的油品實驗測試，分析了油品黏度、密度對攜水能力的影響。

（1）隨著水相持液率的增加，水相完全分散在油相中的臨界速度增加。

（2）油品黏度和密度的增加均會提高油相的攜水能力，即在同樣的水相持液率下，油品黏度和密度的增加能夠減小油品攜水的臨界速度。

（3）在水相持液率較低時，實驗結(jié)果與模型預(yù)測值吻合較好；水相持液率較高時，仍需對模型進(jìn)行改進(jìn)。

[1]ChongLi．Effectofcorrosioninhibitoronwaterwettingandcarbon dioxidecorrosioninoil-watertwo-phaseflow[D]．OhioUniversity，2009：6-7．

[2]Hinze．Fundamentalsofthehydrodynamicmechanismofsplittingin dispersionprocesses[J]．AIChEJournal，1955，1（3）：289-295.

[3]BraunerN．Thepredictionofdispersedflowsboundariesinliquidliquidandgas-liquidsystems[J]．InternationalJournalofMultiphase Flow，2001,27（5）：885-910.

[4]AngeliP,HewittGF．Dropsizedistributionsinhorizontaloilwaterdispersedflows[J].ChemicalEngineeringScience，2000，55（16）：3133-3143.

[5]SimmonsMJ.Dropsizedistributionsindispersedliquid-liquid pipeflow[J]．InternationalJournalofMultiphaseFlow，2001，27（5）：843-859.

(010)82383369，daozhenxu@petrochina.com.cn

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.008

許道振：工程師，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運專業(yè)，目前在中國石油規(guī)劃總院主要從事輸油、輸氣管道方面的工作。