非金屬管道內(nèi)原油流動(dòng)靜電起電速率實(shí)驗(yàn)研究

劉寶峰，呂宇玲，朱國承，池 坤

（1.中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580；2.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西西安710000）

油田開發(fā)與建設(shè)普遍使用鋼制管道。但全鋼質(zhì)管道[1]存在如下問題：腐蝕嚴(yán)重、粗糙度大。近年來，因非金屬管道[2‐4]具有抗腐蝕能力強(qiáng)、較好的彎曲能力、維護(hù)保養(yǎng)簡易等優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外工程領(lǐng)域的青睞，尤其是熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管材（簡稱RTP管）是一種耐高壓塑料復(fù)合管材，在施工過程中具有高強(qiáng)度、連接方便且質(zhì)量較輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中、高壓力輸油氣的工程建設(shè)中，但是在實(shí)際輸油生產(chǎn)中，使用非金屬管道較金屬管道易產(chǎn)生靜電積聚，易發(fā)生靜電事故[5‐14]。

國內(nèi)外不少學(xué)者針對(duì)靜電起電機(jī)理以及影響因素等進(jìn)行了大量的研究。目前比較認(rèn)可的起電機(jī)理是雙電層理論。油品在管道流動(dòng)過程中和管道內(nèi)壁相互接觸摩擦，靠近管壁的電荷將會(huì)被束縛，一般不會(huì)隨著油品的流動(dòng)而發(fā)生移動(dòng)，而在油品內(nèi)部的等量異性電荷伴隨著油品在管內(nèi)流動(dòng)，形成雙電層（見圖1）[15]。被束縛在管壁上的電荷稱作緊密層，而隨油品流動(dòng)的為擴(kuò)散層。擴(kuò)散層的電荷流動(dòng)便形成沖流電流[8]，緊密層電流稱作逸散電流。

圖1 雙電層結(jié)構(gòu)Fig.1 Electric double layer

影響起電速率大小的因素有油品流速、含水率、溫度以及管道內(nèi)壁粗糙度等，針對(duì)其影響因素，早期J.M.Cabaleiro等[16]就起電機(jī)理提出了計(jì)算沖流電流的方程。J.V.Garcia[17]以燃料油為研究對(duì)象，考慮絕緣流體在非金屬管道下沖流電流與流速關(guān)系，提出了絕緣流體在非金屬管流動(dòng)靜電計(jì)算模型。王菊芬等[18‐20]考慮流體速度、流體電阻率、管壁粗糙度等因素，建立了以成品油為研究對(duì)象，得出了紊流條件下油流帶電的計(jì)算模型。劉凱等[21]從理論上初步計(jì)算了管道中沖流電流的大小，并得出理論模型。田強(qiáng)等[22]研究了油品流速對(duì)成品油帶電量的影響，并得出沖流電流正比于油品流速的3.23次方。黃永華等[23‐24]通過實(shí)驗(yàn)研究得到了絕緣流體起電速率與流體溫度、流體黏度、線速度等因素的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

本文通過搭建油品流動(dòng)靜電測試系統(tǒng)，對(duì)影響起電速率大小的因素進(jìn)行詳細(xì)的研究，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出適用于非金屬管道和金屬管道的流動(dòng)靜電模型。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。浸入式加熱器將油品加熱至設(shè)定溫度，通過攪拌器將油品混合均勻；變頻控制器控制螺桿泵轉(zhuǎn)速將油品輸送至非金屬管道；質(zhì)量流量計(jì)和溫度傳感器分別顯示油品流速和溫度；PPR管將逸散罐和測試管（非金屬管）絕緣隔離開，其產(chǎn)生的靜電可以忽略不計(jì)；逸散罐消除初始電荷；微電流計(jì)采集以及讀取逸散電流，法拉第筒和電荷儀分別采集和讀取沖流電流。

1.2 實(shí)驗(yàn)主要裝置

實(shí)驗(yàn)采用NETZSCH NOMO-BY直聯(lián)型單螺桿泵為油品運(yùn)行提供動(dòng)力。JRJ-三項(xiàng)380 V-7 kW/（0.5 m）浸入式電加熱器，深入儲(chǔ)油罐的深度為0.5 m，使發(fā)熱部位完全進(jìn)入介質(zhì)，對(duì)油品的控制溫度精度為±1℃。微電流計(jì)為GT 8232納安表，其分表率分別達(dá)到0.1 pA和1 pA（10-13A和10-12A），主要用于測量存在于RTP管外表面上的逸散電流。非金屬管外壁環(huán)形纏繞截面0.15 mm的純銅線進(jìn)行逸散電流的采集。法拉第筒負(fù)責(zé)收集油品內(nèi)部的沖流電流并將電流傳送至6 517 A電荷儀進(jìn)行讀取。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Experimental system procedure

1.3 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

采用《石油瀝青四組分測定法》NB/SH/T 0509-2010對(duì)高黏原油的四組分進(jìn)行了精確的測定，測試結(jié)果為：膠質(zhì)32.38%，瀝青質(zhì)15.76%，飽和分16.23%（干燥狀態(tài)下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

通過體積比的方法將蒸餾水和原油進(jìn)行混合配制不同含水率的油品，采用UV‐2600紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行含水率的測試。

選用長度同為6 m，直徑為25 mm的不銹鋼管、鋼絲增強(qiáng)非金屬管以及玻璃纖維增強(qiáng)非金屬管，其粗糙度及電導(dǎo)率如表1所示。

表1 管材類型及參數(shù)Table 1 Pipe type and parameters

2 實(shí)驗(yàn)測量及分析

2.1 初始電荷的測試及消除

在油品進(jìn)入RTP管之前經(jīng)過泵、彎頭以及流量計(jì)會(huì)產(chǎn)生大量的電荷。在油品流經(jīng)RTP管實(shí)驗(yàn)之前，先進(jìn)行了初始電荷的測量。測試工況：溫度為20℃，油品為含水率6%的原油，油流速為0.1～0.9 m/s。

2.1.1 初始電荷測試 在不加裝靜電緩和器情況下測試初始電荷（沖流電流）隨原油流速的變化情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 沖流電流隨流速的變化關(guān)系Fig.3 The change of streaming current with velocity

從圖3可以看出，沖流電流隨流速呈現(xiàn)非線性增大，并在流速為0.3 m/s和0.6 m/s時(shí)，斜率突變，說明此時(shí)不銹鋼管產(chǎn)生的沖流電流突然增大?？梢哉J(rèn)為沖流電流與流速呈正相關(guān)。

為了能顯示在測試過程中突然停泵對(duì)沖流電流測試的影響，實(shí)驗(yàn)選取了三種流速（0.2、0.5、0.7 m/s）狀態(tài)下沖流電流隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種流速下沖流電流隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 The change of streaming current with time at three velocity

由圖4可知，原油到達(dá)設(shè)定的流速越大，沖流電流到達(dá)穩(wěn)定所需要的時(shí)間越久，但是在穩(wěn)定后突然停泵，沖流電流直至為零所需要的消失時(shí)間基本相同。

2.1.2 初始電荷消除 由于油品經(jīng)過攪拌器的攪拌、沖擊和旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的電荷，所以設(shè)計(jì)靜電緩和器進(jìn)行初始電荷的消除，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，三種不同流速下，在加裝靜電緩和器以后油品內(nèi)的沖流電流得到很好的抑制，數(shù)值大小可以忽略不計(jì)，基本上可以認(rèn)為油品進(jìn)入非金屬管前帶電量為零。

2.2 油品流速對(duì)起電速率的影響

2.2.1 沖流電流 油品的流動(dòng)速度是決定油品在RTP管靜電產(chǎn)生速度的關(guān)鍵因素。在其他條件保持不變的情況下，對(duì)0.2、0.4、0.8 m/s下的原油的沖流電流大小進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖6所示。

圖5 初始電荷的消除Fig.5 Initial charge elimination

圖6 沖流電流隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.6 The change of streaming current with time

采集時(shí)間都保持在60 s之內(nèi)，油品在達(dá)到設(shè)定流速后沖流電流大小基本上保持不變，且在到達(dá)相同流速時(shí)產(chǎn)生的沖流電流大小相同。油品流速越大，沖流電流越大，達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間越久。

2.2.2 沖流電流和逸散電流對(duì)比 沖流電流與逸散電流隨流速變化如圖7所示。

圖7 沖流電流與逸散電流隨流速的對(duì)比變化Fig.7 Comparison of streaming current and relaxation current at different velocity

從圖7可以看出，逸散電流和沖流電流有相同的變化趨勢。其電流隨著流速逐漸增大，在相同流速下的電荷大小差距越來越大；其曲線斜率幾乎呈線性正比關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)過程中，原油流速越大，電荷的波動(dòng)越大，沖流電流和逸散電流數(shù)值差越大。在此需要說明，在這個(gè)速度范圍內(nèi)，原油的流動(dòng)狀態(tài)為層流，其速度分布較為穩(wěn)定，靜電的產(chǎn)生原理較為簡單（原油與RTP管內(nèi)壁摩擦起電占主要原因）。

2.3 溫度對(duì)起電速率的影響

三種溫度下沖流電流隨溫度的變化測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同溫度下沖流電流隨速度的變化Fig.8 Streaming current changes with the velocity at different temperature

測試結(jié)果表明，溫度的改變必然會(huì)引起原油黏性、介電常數(shù)的變化。隨著溫度的升高，相對(duì)介電系數(shù)增大，原油的電阻率增大即絕緣性特性更好，靜電不易被導(dǎo)走；原油黏度隨著溫度的升高而逐漸減小，也不利于靜電的產(chǎn)生，以上兩種因素導(dǎo)致溫度的升高，導(dǎo)致油品起電速率減小。

2.4 含水率對(duì)起電速率的影響

三種流速下沖流電流與不同含水量的變化曲線如圖9所示。

圖9 不同流速下沖流電流隨含水率的變化Fig.9 The streaming current of different flow rate varies with Moisture content

由圖9可以看出，隨著油品含水率的升高，沖流電流的曲線有著相同的變化趨勢。油品含水率小于60%時(shí)，沖流電流隨著含水率的升高而逐漸增大，油品含水率超過60%之后，沖流電流與含水率呈相反的趨勢。

為了進(jìn)一步得出不同含水率下油品的沖流電流是如何隨著流速變化的，選取了7種不同含水率的油品進(jìn)行測試，如圖10所示。

圖10 不同含水率下沖流電流隨流速的變化Fig.10 The variation of streaming current with different moisture content and velocity

由圖1可知，在一定含水率范圍內(nèi)，隨著含水率的升高油品的黏度逐漸增大，導(dǎo)致油品的起電速率變大，油品由于水的加入其電導(dǎo)率也增大，此時(shí)油品的黏度起主導(dǎo)作用；當(dāng)油品的含水率超過60%以后，占主導(dǎo)作用的是油品的電導(dǎo)率。

2.5 不同材質(zhì)對(duì)起電速率的影響

為了驗(yàn)證管線材質(zhì)不同對(duì)起電速率的影響，本文選用直徑同為25 mm的鋼絲增強(qiáng)非金屬管、玻璃纖維增強(qiáng)非金屬管以及304不銹鋼管，其不同的是非金屬管粗糙度Ra=0.67、不銹鋼管粗糙度Ra=3.22、流速為0.1～2.1 m/s。

不同材質(zhì)下沖流電流隨流速的變化如圖11所示。

圖11 不同材質(zhì)下沖流電流隨流速的變化Fig.11 The streaming current of different materials varies with the flow rate

相同粗糙度情況下非金屬管產(chǎn)生的沖流電流隨流速變化的曲線基本重合，而304不銹鋼管產(chǎn)生的沖流電流要明顯大于非金屬管產(chǎn)生的沖流電流，由此可見粗糙度是影響沖流電流不同的原因。

不同材質(zhì)下沖流電流與時(shí)間流速的變化如圖12所示。由圖12可以看出，三種不同流速下鋼絲增強(qiáng)非金屬管和玻璃纖維增強(qiáng)非金屬管產(chǎn)生的沖流電流達(dá)到設(shè)定流速時(shí)所用的時(shí)間一樣，但是不銹鋼管產(chǎn)生的沖流電流到達(dá)設(shè)定流速所需要的時(shí)間小且其沖流電流數(shù)值大于非金屬管產(chǎn)生的沖流電流。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)定流速2 m/s時(shí)，三種不同管材產(chǎn)生的沖流電流波動(dòng)比較大，尤其是不銹鋼管。

圖12 不同材質(zhì)下沖流電流與時(shí)間流速的變化Fig.12 The law of streaming current and time velocity of different materials

3 模型建立及驗(yàn)證

3.1 模型建立

原油在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，影響流動(dòng)電流的因素有：油品流速、含水率、溫度、管材內(nèi)壁粗糙度等，沖流電流大小的計(jì)算可以表示為：

其中：ε0為真空介電系數(shù)，F(xiàn)/m；εr為油品相對(duì)介電系數(shù)；U為油品的平均流速，m/s；γ為油品的電導(dǎo)率，s/m；T為油品溫度，℃；μ為油品的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；Ra為管內(nèi)壁的粗糙度，μm；R為管線內(nèi)半徑，m；L為管線的長度，m；Js為單位時(shí)間從擴(kuò)散層單位面積上沖刷下來的電流密度，A/m2；Ja單位時(shí)間內(nèi)向單位面積管壁泄放的電流密度，A/m2。

假設(shè)原油是勻速運(yùn)動(dòng)，其速度u為單一的常數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散層單位面積上積累的電量Js也是常數(shù)。在單位時(shí)間內(nèi)，向單位面積管壁泄放的電量Ja，則液體在流過dl長管線時(shí)，流動(dòng)電流的增量di為：

根據(jù)高斯定理，考慮到l=0，電荷密度ρt=0，將式（2）積分得:

由于Js為單位時(shí)間從擴(kuò)散層單位面積上沖刷下來的電流密度，為未知量，且其和油品的速度、黏度以及管內(nèi)壁粗糙度有關(guān)，所以假設(shè)：

其中a、b為常數(shù)，那么式（4）就可以表示為：

3.2 模型驗(yàn)證

為了使油品達(dá)到最大流速，選用20 mm管徑。原油物性參數(shù)：溫度為20℃；鋼絲增強(qiáng)非金屬管；原油含水率為6%；電導(dǎo)率為5.9×10-13s/m；相對(duì)介電系數(shù)為8.85×10-12；Ra=0.67；管線長度為6 m。

在油品流速小于2 m/s時(shí)，沖流電流和流速基本上呈正比，當(dāng)流速超過2 m/s時(shí)，沖流電流與流速不再是直線而是呈曲線且斜率逐漸增大。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（5），可確定參數(shù)a為3.23，b為-2，于是沖流電流的計(jì)算式為：

圖13為理論計(jì)算與試驗(yàn)條件下測得油品流速與沖流電流的關(guān)系。

圖13 油品流速與沖流電流的關(guān)系Fig.13 The relationship between flow rate and streaming current

由圖13可以看出，理論計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)曲線很貼近，沖流電流在數(shù)值上隨著流速的增大和實(shí)際數(shù)值相差不大，而且總趨勢相同。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并搭建非金屬管道原油靜電起電速率測試系統(tǒng)，以原油為實(shí)驗(yàn)流體樣品并以非金屬管道以及金屬管道為測試管道，針對(duì)油品流動(dòng)相對(duì)速度、溫度、含水率、管線材質(zhì)等對(duì)油品的靜電起電速率特性進(jìn)行了測試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）油品在管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的沖流電流與油品的流速的3.23次方呈正比關(guān)系。不同物性的油品其轉(zhuǎn)折點(diǎn)不同，但總趨勢相同。

（2）油品溫度與沖流電流呈負(fù)相關(guān)，溫度的升高不利于油品靜電的積聚，升高油品溫度能有效地抑制起電速率。

（3）不同物性的油品其反向點(diǎn)不同，在反向點(diǎn)之前沖流電流隨著油品含水率的升高而逐漸增大，反向點(diǎn)之后呈相反的趨勢，但是反向點(diǎn)之后的起電速率要大于反向點(diǎn)之前的起電速率。

（4）其他條件相同，管線內(nèi)壁粗糙度越大沖流電流的起電速率越大，所以實(shí)際生產(chǎn)中選擇內(nèi)壁粗糙度小的廢金屬管線有利于靜電的控制。

（5）本文建立了油品沖流電流模型關(guān)聯(lián)油品流速、含水率、溫度、粗糙度等因素。本模型將理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，其相對(duì)誤差不超過10%，且該模型普適性強(qiáng)，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的意義。