垂直管氣液兩相嚴(yán)重段塞流研究進(jìn)展

黨唐超，戚恒慎，張 鵬

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.西北石油管道有限公司，陜西 西安 710018）

氣液兩相嚴(yán)重段塞流是液體段和氣泡在同一空間內(nèi)不同時(shí)間段的交替,段塞單元由液體段和氣泡兩相組成。由于流體在嚴(yán)重段塞流流型下能出現(xiàn)不同的階段,使得管道各項(xiàng)數(shù)據(jù)處于快速變化的狀況，并使得在該流型下的管道受到壓力劇烈變化引起的危害。

1 嚴(yán)重段塞流的形成機(jī)理

B.T.Yocum等在避免海上上升管中的段塞流的研究中發(fā)現(xiàn)了不同于之前的段塞流的嚴(yán)重段塞流，但他并沒(méi)有將其區(qū)分開(kāi)來(lái)，仍將其稱為段塞流。而Z.Schmidt等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象和水力段塞流的本質(zhì)區(qū)別，并根據(jù)性質(zhì)，將這種現(xiàn)象重新命名為嚴(yán)重段塞流。Z.Schmidt等根據(jù)對(duì)嚴(yán)重段塞流的模擬實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流的幾種可能的條件:1）只出現(xiàn)在下傾的臥底管線中；2） 入口處較低的氣液流量；3）當(dāng)立管中流動(dòng)為不穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，氣體流量增加時(shí)液體壓力卻減小，較易產(chǎn)生嚴(yán)重段塞流[1]。

A.Bφe由立管內(nèi)液體段壓力的增量，高于在管線中的氣體的壓力，而得出了判斷立管管線中嚴(yán)重段塞流的判定公式，表達(dá)式為式（1）。

式中，ωg為氣相流速，m/s；ωl為液相流速，m/s；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為流體的溫度，K；M為氣相的摩爾質(zhì)量，g/mol；Ip為立管的高度，m；α為立管中的含氣率，無(wú)量綱；g為重力加速度，m/s2。

Zhang等將段塞流作為基礎(chǔ)流型，分析并建立了段塞流的氣液兩相模型，并通過(guò)改變段塞流關(guān)系式中液膜長(zhǎng)度與段塞體單元長(zhǎng)度的比值進(jìn)一步確定段塞流向分散泡狀流及分層流和環(huán)狀流的邊界條件，確立了該模型在所有流型計(jì)算中的統(tǒng)一。

王鑫在對(duì)上升管路系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流的研究表明，無(wú)論在管道內(nèi)是穩(wěn)定或是不穩(wěn)定的氣液流動(dòng)，都有可能出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流，王鑫將不穩(wěn)定的氣液流動(dòng)引起的嚴(yán)重段塞流稱為不規(guī)則嚴(yán)重段塞流。

2 嚴(yán)重段塞流的流動(dòng)特性

現(xiàn)階段，大多數(shù)研究結(jié)果，均將嚴(yán)重段塞流按周期性進(jìn)行分析。一般一個(gè)周期含有四個(gè)階段，分別是液塞形成 (slug formation)階段、液塞流出 (slug production)階段、液氣噴發(fā)(blowout)階段、液體回流 (liquid fallback)階段。

同時(shí)，嚴(yán)重段塞流也可分為I型、II型和III型。對(duì)于嚴(yán)重段塞流I型，在一個(gè)完整的周期內(nèi)具有全部四種的流動(dòng)階段，II型不存在液塞出流階段，而III型則沒(méi)有液體回流階段[2]。

液塞形成階段指嚴(yán)重段塞流流型下液體段在臥管中由開(kāi)始堆積到最大值的過(guò)程。將Vg定義為臥管中氣體體積，將Pg定義為氣體在臥管內(nèi)的壓力，將T定義氣體為在臥管內(nèi)的溫度。在流動(dòng)過(guò)程中，由于氣相始終保持連接狀態(tài)并且在臥管中液氣流速較低，所以氣體壓縮空間體積不會(huì)出現(xiàn)較大變化，同時(shí)，在該過(guò)程中溫度也基本不發(fā)生變化。對(duì)于氣體而言，由其狀態(tài)方程可推得:

臥管內(nèi)氣體體積Vg可以表示為:

將式 (3)兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得

故

將式（3） 和（5） 代入式 （1） 可得

式中，L表示長(zhǎng)度；Lp表示液體段的長(zhǎng)度；A表示內(nèi)橫截面面積。

由于在流動(dòng)過(guò)程中氣液保持穩(wěn)定的分層流動(dòng)，所以含氣率αp的值不變。L˙p為液體段長(zhǎng)度的時(shí)間變化率，氣、液折算速度在標(biāo)準(zhǔn)狀況下表示為νrsg和νrsl。νsl為液體在出口的折算速度。

液塞出流階段指當(dāng)立管內(nèi)液體段出現(xiàn)流出立管的時(shí)候，流體流動(dòng)開(kāi)始出現(xiàn)液塞出流階段，氣體壓縮空間釋放壓力，通過(guò)膨脹推動(dòng)液體段繼續(xù)向外流動(dòng)。在液塞出流階段立管內(nèi)充滿液體，氣體并不能進(jìn)入立管，同時(shí)氣液兩相也不相混．因此，該階段的氣液流動(dòng)過(guò)程仍與上一階段一樣，保持著穩(wěn)定流動(dòng)[3]。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)部分氣體存在于立管之中時(shí)，標(biāo)志著流體流動(dòng)進(jìn)入液氣噴發(fā)階段，該階段分為液塞噴發(fā)和段塞噴發(fā)兩個(gè)過(guò)程。在第一階段液塞噴發(fā)中，臥管中的氣體繼續(xù)將立管內(nèi)的液體向外推動(dòng)，同時(shí)立管由于氣體的進(jìn)入，存在長(zhǎng)液體段及氣液混合段，立管出口處由于氣體繼續(xù)推動(dòng)液體段出流，使得壓力，液體段出流速度等主要參數(shù)在液塞噴發(fā)階段快速增長(zhǎng)并出現(xiàn)最大值，嚴(yán)重危害下游處理設(shè)備；在第二階段的段塞噴發(fā)中，液體段已經(jīng)完全流出，離開(kāi)立管，故立管內(nèi)只存在氣液混合段，管內(nèi)壓力降低，氣液混合段速度逐步減小。

在液氣噴發(fā)階段，立管內(nèi)的氣液流動(dòng)快速變化，液體段及氣液混合段相互影響，立管內(nèi)液體段速度、壓力等主要參數(shù)在存在不同時(shí)間不同位置有不同的大小。在液氣噴發(fā)階段，立管的平均出流速度可表示為:

式中，當(dāng)液體段未完全離開(kāi)立管時(shí)，可表示液體段離開(kāi)立管的速度，即立管的平均出流速度；當(dāng)立管中僅剩氣液混輸段時(shí)，表示立管出口氣液混輸出流速度。

在段塞噴發(fā)過(guò)程中，立管僅存在氣液混合段，立管的含氣率大小與立管的氣體變化率成正比相關(guān)，則對(duì)于任意時(shí)刻含氣率可表示為:

式中:積分第1項(xiàng)表示立管中氣體增加量，積分第2項(xiàng)表示立管氣體的減少量；νosg為出口氣體折算速度。

當(dāng)段塞流形態(tài)為彈狀流時(shí)，在立管內(nèi)會(huì)持續(xù)出現(xiàn)不連續(xù)的大液彈和氣體段的情況，因此出口氣體折算速度的值會(huì)在此期間快速變化，速度只能根據(jù)立管內(nèi)氣液情況進(jìn)行估算。將速度表示為:

液體回流階段指當(dāng)臥管內(nèi)氣體壓力經(jīng)過(guò)前三個(gè)階段的降低，無(wú)法提供高于液體段和氣液混輸段的重力的壓力，立管中殘留液體段及氣液混輸段內(nèi)的液體逐漸回落到臥管段。由于氣體壓力小于重力，且液體量較小，所以持續(xù)時(shí)間較短。并且當(dāng)在這一周期的液體回流階段中，嚴(yán)重段塞流又重新開(kāi)始一個(gè)新的周期，新的液塞形成階段同時(shí)開(kāi)始。因上一周期立管液體的回流，導(dǎo)致下一周期臥管處的液體段高度應(yīng)從某一h0高度計(jì)算，h0應(yīng)視為液塞在新的周期第一階段的初始高度，h0的計(jì)算式是:

式中，αriser為立管上升管的含氣率，H為高度。

3 立管流型判斷

細(xì)束環(huán)狀流、環(huán)狀流、攪混流、彈狀流和泡狀流等幾種流型會(huì)出現(xiàn)在垂直上升管內(nèi)的氣液兩相流中。這幾種流型的流動(dòng)范圍及邊界可以用穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的氣液折算速度的比值來(lái)確定，流型圖可參考Hewitt圖1。

圖1 Hewitt流型圖

4 嚴(yán)重段塞流的消除方法

嚴(yán)重段塞流是一種氣液兩相流中出現(xiàn)的、具有破壞性的流型，會(huì)危害管段及下游處理設(shè)備。工程上經(jīng)常通過(guò)采用以下方法避免出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流:通過(guò)減小管徑增大氣體速度；在立管底部增加氣量，提升氣體給予立管的壓力，減小液體回流量；在臥管處分離氣液相；立管頂部節(jié)流等。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于嚴(yán)重段塞流，研究方法應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)加數(shù)值模擬的方法。針對(duì)嚴(yán)重段塞流的原理，許多學(xué)者做了大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，建立了很多的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)CFD軟件，用數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)嚴(yán)重段塞流的特性進(jìn)行了大量的仿真模擬，提出了嚴(yán)重段塞流的生成條件，找到了許多可以減小或避免嚴(yán)重段塞流發(fā)生的方法。

研究表明，嚴(yán)重段塞流的形成與流動(dòng)過(guò)程中的幾個(gè)重要參數(shù)有關(guān)，工程上可以通過(guò)控制生產(chǎn)過(guò)程中的這幾個(gè)重要參數(shù)的大小，來(lái)規(guī)避嚴(yán)重段塞流的發(fā)生。