水預(yù)潤(rùn)濕對(duì)液體管道流動(dòng)阻力特性的影響

齊紅媛 ，梁愛(ài)國(guó) ，蔣華義 ，種新民 ，敬加強(qiáng) ，王玉龍

（1. 西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 西安石油大學(xué) 陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3. 克拉瑪依紅山油田有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000；4. 新疆油田采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；5. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

隨著先進(jìn)測(cè)試手段及分析技術(shù)的發(fā)展，一些研究結(jié)果表明，在某些條件下經(jīng)典流體力學(xué)中所采用的固-液界面無(wú)滑移假設(shè)并不成立［1-2］，界面滑移有可能出現(xiàn)［3-6］，且滑移邊界條件和液體所流經(jīng)表面的性質(zhì)直接相關(guān)，流體流過(guò)疏水表面時(shí)容易發(fā)生滑移，壁面處的滑移又可以降低流動(dòng)阻力［7-12］。本課題組從管材角度開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)于相同的管輸液體，可通過(guò)更換管輸?shù)牟馁|(zhì)改變潤(rùn)濕性，進(jìn)而降低流動(dòng)阻力［13-15］。但對(duì)于已有管道材質(zhì)，在不改變管輸液體的前提下，如何通過(guò)固-液界面潤(rùn)濕性能的調(diào)控對(duì)流動(dòng)阻力進(jìn)行優(yōu)化仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。許道振等［16］針對(duì)含水輸油管道的內(nèi)腐蝕問(wèn)題，研究了潤(rùn)濕歷史在油-水-固三相體系中的作用。研究結(jié)果表明，在碳鋼和有機(jī)玻璃表面，預(yù)潤(rùn)濕的一相均表現(xiàn)出阻礙另一相潤(rùn)濕固體表面的傾向。

鑒于此，本工作提出通過(guò)管壁預(yù)潤(rùn)濕的方法來(lái)調(diào)節(jié)固-液界面的潤(rùn)濕性能，進(jìn)而影響液體流動(dòng)阻力的思路。以有機(jī)玻璃管、304不銹鋼管和26#白油為研究對(duì)象，采用接觸角測(cè)定儀和管路實(shí)驗(yàn)裝置，分別測(cè)量白油在兩種水預(yù)潤(rùn)濕管壁的接觸角及水預(yù)潤(rùn)濕條件下兩種管段內(nèi)的流量和壓降，通過(guò)與未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探討了水預(yù)潤(rùn)濕歷史對(duì)白油流動(dòng)阻力特性的影響，為輸油管道內(nèi)流動(dòng)阻力的減小提供新的研究思路和方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)液體及管段

實(shí)驗(yàn)液體為陜西富紳工業(yè)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的26#白油，在28 ℃下的密度、表面張力和動(dòng)力黏度分別為0.885 g/cm3，29.45 mN/m，48.48 mPa·s。預(yù)潤(rùn)濕液體為自來(lái)水，在28 ℃下的密度、表面張力和動(dòng)力黏度分別為0.995 g/cm3，70.13 mN/m，0.91 mPa·s。

實(shí)驗(yàn)管段為304不銹鋼管和有機(jī)玻璃管，管徑均為14 mm，管長(zhǎng)均為5 m，表面粗糙度分別為3.216 μm 和 0.100 μm。

1.2 水預(yù)潤(rùn)濕管壁接觸角的測(cè)量

試件的制備及預(yù)處理［17］：由于實(shí)驗(yàn)管段的管徑較小，為了減小管段曲率對(duì)接觸角測(cè)量結(jié)果的影響，使試件表面更接近于平面，選用較大管徑的管子切取試件，每種材質(zhì)制備4個(gè)試件，幾何尺寸約為5 mm×5 mm×3 mm。將所有試件用丙酮、無(wú)水乙醇、蒸餾水在超聲波清洗機(jī)中超聲處理后烘干，置于干燥皿中備用。

為了模擬測(cè)量水預(yù)潤(rùn)濕工況下管材表面的接觸角，在上海中晨數(shù)字設(shè)備有限公司JC2000D2型接觸角測(cè)定儀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)液-液-固接觸角測(cè)量池，用于測(cè)定油相（26#白油）在水-固界面（水相為自來(lái)水）的接觸角，測(cè)量池的示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 液-液-固接觸角測(cè)量池Fig.1 Liquid-liquid-solid contact angle（θ） measurement.

液-液-固接觸角測(cè)量池是由5 cm×5 cm×5 cm的玻璃槽和水平托架組成。測(cè)量前，先用雙面膠將待測(cè)試件粘在水平托架的下表面，置于玻璃槽中，然后向槽中注自來(lái)水，使其液面沒(méi)過(guò)托架上表面。測(cè)量時(shí)，先用彎頭微量進(jìn)樣器將10 μL白油油滴注入試件下表面的水中，油滴在水中上浮并附著在試件下表面，待平衡后記錄接觸角圖像，計(jì)算白油在水-固界面的接觸角，每種管材重復(fù)4次，取平均值。

固-液界面的潤(rùn)濕性通常用接觸角來(lái)衡量。對(duì)于水預(yù)潤(rùn)濕工況，當(dāng)測(cè)得的固-液界面的接觸角大于90°時(shí)，表明管道表面呈現(xiàn)親水疏油性，水相占主導(dǎo)地位，油相不易潤(rùn)濕管道表面；反之，管道表面呈現(xiàn)親油疏水性，油相占主導(dǎo)地位，油相容易潤(rùn)濕管道表面。

1.3 管路實(shí)驗(yàn)裝置及方法

為測(cè)試水預(yù)潤(rùn)濕工況下白油在不同管道內(nèi)的流動(dòng)阻力，本工作搭建了一套小型循環(huán)管路實(shí)驗(yàn)裝置，可拆卸的實(shí)驗(yàn)管段全長(zhǎng)5 m，管徑14 mm，其中測(cè)試段長(zhǎng)度為1 800 mm。為減小入口和出口效應(yīng)的影響，選取入口段和出口段長(zhǎng)度分別為2 100 mm和1 100 mm，除實(shí)驗(yàn)管段外，其余管路均為透明有機(jī)玻璃管，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖2。

測(cè)試方法：按照?qǐng)D2所示的平臺(tái)示意圖，安裝并調(diào)試好實(shí)驗(yàn)管路；啟泵，關(guān)閉管路中的出口閥門(mén)，待自來(lái)水完全充滿管道后，關(guān)閉流量計(jì)上游的進(jìn)口閥門(mén)同時(shí)停泵，待30 min后，排空管內(nèi)自來(lái)水；將26#白油注入儲(chǔ)液罐中，再次啟泵，分別調(diào)節(jié)白油在有機(jī)玻璃管和不銹鋼管內(nèi)的流量，記錄每個(gè)流量下的壓降。

圖2 管路實(shí)驗(yàn)裝置示意圖［14］Fig.2 Schematic diagram of pipeline experiment apparatus［14］.

2 結(jié)果與討論

2.1 水預(yù)潤(rùn)濕管壁的接觸角

為了對(duì)比26#白油在水預(yù)潤(rùn)濕前后兩種管道表面的接觸角，先采用接觸角測(cè)定儀測(cè)量白油和自來(lái)水在兩種未預(yù)潤(rùn)濕管道表面的接觸角，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。在水預(yù)潤(rùn)濕條件下，白油在304不銹鋼管和有機(jī)玻璃管表面的接觸角如圖5所示。

2.2 白油在不銹鋼管內(nèi)的流動(dòng)

2.2.1 流量與壓降

基于室內(nèi)管路實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量了白油在水預(yù)潤(rùn)濕304不銹鋼管內(nèi)流動(dòng)的流量和壓降，并與未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖3 白油在兩種管道表面未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的接觸角Fig.3 Contact angles of white oil on two pipe surfaces without water prewetting.

圖4 自來(lái)水在兩種管道表面的接觸角Fig.4 Contact angles of tap water on two pipe surfaces.

圖5 白油在兩種管道表面水預(yù)潤(rùn)濕后的接觸角Fig.5 Contact angles of white oil on two pipe surfaces prewetted by water.

通過(guò)圖6對(duì)比可知，經(jīng)自來(lái)水預(yù)潤(rùn)濕后，相同流量下，白油在304不銹鋼管內(nèi)的壓降比未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的壓降有所降低。當(dāng)流量較?。?.146 m3/h）時(shí)，白油在304不銹鋼管內(nèi)預(yù)潤(rùn)濕前后的壓降分別為4 821，4 724 Pa，壓降降低了2.01%。當(dāng)流量較大（0.348 m3/h）時(shí)，白油在304不銹鋼管內(nèi)預(yù)潤(rùn)濕前后的壓降分別為8 799，8 536 Pa，壓降降低了2.99%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，不銹鋼管經(jīng)過(guò)自來(lái)水預(yù)潤(rùn)濕后，管道內(nèi)壁形成了一層薄薄的水膜，阻隔了白油與管壁的接觸，使得輸送同等流量白油的壓降減小。

圖6 白油在水預(yù)潤(rùn)濕304不銹鋼管內(nèi)的流量與壓降的關(guān)系曲線Fig.6 Plot of pressure drop（Δp） of white oil against flow rate（Q）in 304 stainless steel pipe prewetted by water.

2.2.2 雷諾數(shù)與摩阻系數(shù)

根據(jù)白油在水預(yù)潤(rùn)濕304不銹鋼管內(nèi)流動(dòng)的流量和壓降，計(jì)算了相應(yīng)雷諾數(shù)范圍（65～190）和摩阻系數(shù)，并與未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。

圖7 白油在水預(yù)潤(rùn)濕304不銹鋼管內(nèi)的雷諾數(shù)與摩阻系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 Plot of frictional coefficient（λ） of white oil against Re in 304 stainless steel pipe prewetted by water.

從圖7可看出，當(dāng)白油在304不銹鋼管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)相同時(shí)，經(jīng)水預(yù)潤(rùn)濕后，油品實(shí)測(cè)摩阻系數(shù)仍與理論摩阻系數(shù)有較大差異。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，預(yù)潤(rùn)濕后的摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值大于摩阻系數(shù)理論值，呈現(xiàn)增阻現(xiàn)象，這與未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的規(guī)律一致。但在相同雷諾數(shù)下，經(jīng)水預(yù)潤(rùn)濕后的摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值小于未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值。如當(dāng)雷諾數(shù)為65時(shí)，水預(yù)潤(rùn)濕后的白油摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值比未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)減小了2.01%。當(dāng)雷諾數(shù)為164時(shí)，白油摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值從未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的0.379 78降至預(yù)潤(rùn)濕后的0.368 09，減小了3.08%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)白油在不銹鋼管表面的接觸角僅有9.20°（見(jiàn)圖3），白油易黏附在不銹鋼管表面，引起流動(dòng)阻力增大。但經(jīng)水預(yù)潤(rùn)濕后，白油在不銹鋼管表面的接觸角增大到122°（見(jiàn)圖5），遠(yuǎn)大于自來(lái)水在不銹鋼管表面的接觸角，白油變得很難潤(rùn)濕管壁。正是由于水的預(yù)潤(rùn)濕阻隔了管壁與白油之間的接觸，使得不銹鋼管表面由原始的親油表面變成疏油表面，從而使得流動(dòng)過(guò)程中白油的摩阻系數(shù)變小。

2.3 白油在有機(jī)玻璃管內(nèi)的流動(dòng)

2.3.1 流量與壓降

基于室內(nèi)管路實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量了白油在水預(yù)潤(rùn)濕有機(jī)玻璃管內(nèi)流動(dòng)的流量和壓降，并與未潤(rùn)濕時(shí)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。

圖8 白油在水預(yù)潤(rùn)濕有機(jī)玻璃管內(nèi)的流量與壓降的關(guān)系曲線Fig.8 Plot of pressure drop of white oil against flow rate in plexiglass pipe prewetted by water.

與白油在水預(yù)潤(rùn)濕的304不銹鋼管內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律不同的是，白油在有機(jī)玻璃管內(nèi)經(jīng)水預(yù)潤(rùn)濕后的流量-壓降曲線反而高于未潤(rùn)濕時(shí)。當(dāng)流量為0.173 m3/h時(shí)，白油預(yù)潤(rùn)濕前后的壓降分別為4 652 Pa和5 117 Pa，增大了10%；當(dāng)流量為0.217 m3/h時(shí)，白油的壓降從預(yù)潤(rùn)濕前的5 435 Pa增大到預(yù)潤(rùn)濕后的5 821 Pa。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，經(jīng)水預(yù)潤(rùn)濕后，白油在有機(jī)玻璃表面的接觸角僅有69°（見(jiàn)圖5），與未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的46.77°（見(jiàn)圖3）相差較小，但未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)，有機(jī)玻璃管壁的水接觸角已達(dá)到86.7°（見(jiàn)圖4），自來(lái)水不易黏附在管壁上，而是容易從管壁上滑落。因此在白油輸送過(guò)程中，經(jīng)水預(yù)潤(rùn)濕后的有機(jī)玻璃管內(nèi)，白油比自來(lái)水更易與管壁黏附，預(yù)潤(rùn)濕的自來(lái)水沒(méi)有起到阻隔白油和管壁的作用反而造成了白油流動(dòng)阻力的增大、壓降的增加。

2.3.2 雷諾數(shù)與摩阻系數(shù)

根據(jù)白油在水預(yù)潤(rùn)濕有機(jī)玻璃管內(nèi)流動(dòng)的流量和壓降，計(jì)算了相應(yīng)雷諾數(shù)范圍（58～205）和摩阻系數(shù)，并與未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示。

圖9 白油在水預(yù)潤(rùn)濕有機(jī)玻璃管內(nèi)的雷諾數(shù)與摩阻系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.9 Plot of frictional coefficient of white oil against Re in plexiglass pipe prewetted by water.

由圖9可見(jiàn)，白油在有機(jī)玻璃管內(nèi)水預(yù)潤(rùn)濕前后的雷諾數(shù)與摩阻系數(shù)的關(guān)系曲線與其在304不銹鋼管內(nèi)的不同，在相同雷諾數(shù)下，經(jīng)水預(yù)潤(rùn)濕后的白油摩阻系數(shù)反而比未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)大。當(dāng)雷諾數(shù)為123時(shí)，白油在水預(yù)潤(rùn)濕后的有機(jī)玻璃管內(nèi)的摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值比未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)增大了3.14%。當(dāng)雷諾數(shù)為170時(shí)，白油摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值從未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的0.326 63增大到預(yù)潤(rùn)濕后的0.340 29，增大了4.18%。

3 結(jié)論

1）白油在水預(yù)潤(rùn)濕有機(jī)玻璃管和304不銹鋼管表面的接觸角均大于未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)的接觸角。

2）經(jīng)水預(yù)潤(rùn)濕后的304不銹鋼管表面由原始的親油表面變成疏油表面，導(dǎo)致相同流量下，白油在管內(nèi)流動(dòng)的壓降和摩阻系數(shù)均小于未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)。

3）經(jīng)水預(yù)潤(rùn)濕后的有機(jī)玻璃管內(nèi)，白油比自來(lái)水更易與管壁黏附，造成相同流量下，白油在管內(nèi)流動(dòng)的壓降和摩阻系數(shù)均大于未預(yù)潤(rùn)濕時(shí)。

4）白油在水預(yù)潤(rùn)濕有機(jī)玻璃管（雷諾數(shù)小于120）和鋼管（雷諾數(shù)小于137）內(nèi)流動(dòng)的摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值大于摩阻系數(shù)理論值，呈現(xiàn)增阻現(xiàn)象。