含立管段的管道氣頂排空實(shí)驗(yàn)研究

郭 芮，張偉明，尤 楊

（1.軍事新能源技術(shù)研究所，北京102300；2.陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶401331）

輸油管線沿線地形地貌復(fù)雜，容易形成大落差起伏，給管線排空造成一定的困難和風(fēng)險。采用壓縮空氣從管線一端注氣排液是目前較為經(jīng)濟(jì)、高效的手段。氣頂排空容易在氣體和液體交界處產(chǎn)生氣液混合物，導(dǎo)致排空過程不穩(wěn)定。當(dāng)管線在坡度較大的上坡段或遇到立管段時，氣液混合物流態(tài)比水平或微傾斜管道更加復(fù)雜，在液體重力或水動力作用下極易產(chǎn)生嚴(yán)重段塞流，造成排空不徹底、流量波動、管道震動、分離器溢流、油品沉積等危害[1?3]。

姜俊澤等[4]建立了野戰(zhàn)輸油管線排空過程的瞬態(tài)模型，模型包括氣體運(yùn)動方程、液體運(yùn)動方程及相界面的耦合方程，并采用有限體積法對模型進(jìn)行求解。劉振江等[5]將排空管道分為純氣體段、氣液混合段及純液體段，建立了不同工況下的壓降模型。郭芮等[6]對傾斜上坡管道充氣排液過程氣液兩相流動特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了氣液混合物的流型動態(tài)變化規(guī)律。另外，國內(nèi)外學(xué)者對海洋立管氣液混輸過程嚴(yán)重段塞流進(jìn)行了相當(dāng)多的研究[7?9]，立管嚴(yán)重段塞流是指在氣液流速較低時，液體在立管內(nèi)積聚，對氣體造成堵塞，直到氣體壓力足夠大時將液體段塞沖出立管，該過程同氣頂排空有類似之處，但氣液混輸過程管道入口始終有液體輸入，氣頂排空過程是管路預(yù)先充滿液體，入口為單相氣體的特殊工況。

以往的氣頂排空研究多針對水平或微上傾管道，對大起伏特別是含垂直管段的管道研究較少。本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)針對含立管段管道的氣頂排空過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，模擬實(shí)際大起伏管線的排空特征，得到可以指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

實(shí)驗(yàn)以空氣和水為介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、2所示，整個實(shí)驗(yàn)裝置由供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)管路、信號采集系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)管段采用不銹鋼管和亞克力玻璃管組合形式，總長度20.0 m，其中上垂直段1.6 m，下垂直段1.2 m，亞克力管長度2.0 m，管道內(nèi)徑均為40.0 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental flowchart

圖2 實(shí)驗(yàn)管段Fig.2 Experimental pipe section

實(shí)驗(yàn)時，通過離心泵預(yù)先將水輸入管路中，形成滿管狀態(tài)。排空開始，先啟動空壓機(jī)，然后迅速將球閥QF1打開，通過球閥QF1的開度控制排氣壓力。壓縮空氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管段，將水排出，實(shí)驗(yàn)過程中，排氣壓力由小到大依次調(diào)節(jié)，待每個工況排空結(jié)束后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成一個循環(huán)，然后改變排氣壓力，進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。液體流量計采用KATflow200型超聲流量計，量程為0.01~25 m/s，精度0.5級，氣體流量計采用MIK?LUGB型渦街流量計，工況流量為0~30 m3/h，精度1.5級。管路中間分別安裝MIK?P300型號壓力傳感器，量程為?1~1 MPa，精度0.1級。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集板卡、數(shù)據(jù)采集軟件組成，數(shù)據(jù)采集板卡采用研華USB4711A型號數(shù)據(jù)采集模塊，采集頻率1 000 Hz。在上、下玻璃管正面安裝兩臺高速攝像機(jī)，用來記錄排空過程的氣液兩相流動細(xì)節(jié)，采用Photron公司FAST CAM Ultima 512型高速攝像機(jī)，采集速度為250~10 000幀/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 排空發(fā)展進(jìn)程分析

選取具有典型流動特征的三個工況進(jìn)行分析，對應(yīng)的排氣壓力分別為0.01、0.05、0.10 MPa（測壓點(diǎn)P1處的壓力）。記錄上水平管內(nèi)流動狀態(tài)隨時間的變化圖像。排空開始后，由于入口氣體流入，氣體壓縮空間壓力大于立管底部液體壓力，氣體空間膨脹并推動液體流出管外，不同排氣壓力下氣液混合物均呈分層流狀態(tài)。氣體經(jīng)過立管進(jìn)入上水平管之后，不同排氣壓力對應(yīng)的氣液混合物的流動狀態(tài)發(fā)生改變。

圖3 為不同排氣壓力下的上水平管中間位置處的流動狀態(tài)隨時間的變化圖像。由圖3（a）可知，0 s時少量氣泡附著在上壁面，這是由于管道充水不滿造成的，與實(shí)際管線情況類似；排空開始后，液相開始加速前進(jìn)，7.20 s時氣體前鋒到達(dá)觀察段，氣體前鋒呈彈狀侵入液體內(nèi)，緊隨其后的氣液混合物呈分層波狀流；8.12 s時觀察段出現(xiàn)第一個液塞，液塞頭部呈坡狀液層，尾部呈彈狀，符合段塞流的基本特征；8.62 s時出現(xiàn)第二個液塞，該液塞的頭部液層坡度比第一個小，這2個液塞緊隨氣體前鋒到達(dá)觀察段，間隔時間較短，是液氣噴發(fā)過程中形成的液塞；16.54 s觀察段出現(xiàn)第三個液塞，此時管內(nèi)大部分液體已被排空，該液塞的形成是因?yàn)榱⒐軆?nèi)回落的液體在立管底部聚集，當(dāng)氣壓足夠大時，液體以液塞的形式通過立管進(jìn)入水平觀察段，由于氣速較高，液塞體長度較短，該液塞內(nèi)夾雜較多的氣泡，氣液兩相呈攪混狀態(tài)，且流動形態(tài)極不穩(wěn)定；18.60 s后觀察段內(nèi)液體呈穩(wěn)定分層流，氣液相界面光滑，液層厚度總體保持下降趨勢，但下降速度緩慢，說明此時液體在氣體剪切力作用下繼續(xù)被少量排出；66.32 s后液層厚度保持穩(wěn)定。

圖3 不同排氣壓力下的上水平管的流動狀態(tài)Fig.3 The flow state of the upper horizontal pipe under the different exhaust pressure

由圖3（b）可知，排氣壓力為0.05 MPa時排空時間有所縮短。氣體前鋒到達(dá)觀察段的時間為6.72 s時，管內(nèi)為分層坡狀流和分層波狀流，氣體前鋒后面的氣液界面坡度逐漸減小，液面波動減弱，向分層流轉(zhuǎn)變；18.22 s后變成分層流，排空結(jié)束，液層厚度不再變化。

由圖3（c）可知，排氣壓力為0.10 MPa時氣液混合段的發(fā)展過程與0.05 MPa時相似，但排空所用時間更少，排空速度更快。5.36 s時氣體前鋒到達(dá)觀察段，氣液混合物呈現(xiàn)分層坡狀流和分層波狀流；8.42 s后，液層保持穩(wěn)定，液層厚度不再變化。

對比三種排氣壓力下的氣頂排空過程可得到，三種排氣壓力對應(yīng)的氣液混合物的流型不同，0.01 MPa時出現(xiàn)了段塞流，而另兩種工況沒有出現(xiàn)，說明排氣壓力較小時，管底氣體壓力不足以克服立管內(nèi)液體的靜壓力，氣體通道被液體截斷，形成液塞，氣體前鋒通過后，立管段仍保有較大的積液量，液體積累到一定程度后，被氣體推動排出立管進(jìn)入上水平管內(nèi)；排氣壓力分別為0.01、0.05、0.10 MPa時，氣體前鋒到達(dá)上水平管觀察段的時間分別為7.20、6.72、5.36 s，液層達(dá)到穩(wěn)定的時間分別為66.32、18.22、8.42 s，說明排氣壓力越大，氣體前鋒的運(yùn)動速度越快，排空經(jīng)歷的時間越短；排氣壓力對水平管內(nèi)殘液量的影響較小，在經(jīng)過長時間的充氣掃線作業(yè)后，液面高度基本相同，殘液量相差不大。

2.2 排氣壓力對流型的影響

排氣壓力為0.01 MPa時，上水平管內(nèi)氣液混合段出現(xiàn)的主要流型有分層波狀流、分層流及段塞流，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，排空開始時氣體推動液體向前運(yùn)動，受重力影響使兩相完全分離，密度低的氣相在管上部流動，液相在管下部流動，氣體前鋒呈現(xiàn)半弧狀；氣體前鋒后的液相被吹起，氣液相界面呈波浪狀，氣液混合段流型表現(xiàn)為分層波狀流；氣體前鋒后的液位較高（高度約為5/12D，D為管內(nèi)徑），波峰處氣體截面積較?。挥捎诓?yīng)，氣體流速較快，該處的壓力較小，波浪有增大的趨勢；隨著液位的降低，氣體截面積變大，氣相流速減慢，波浪逐漸消失，氣液相界面近似為光滑水平面，分層波狀流轉(zhuǎn)化為分層流；隨后受立管段影響，在立管內(nèi)形成液塞，液塞內(nèi)夾雜大量氣泡，其前段氣泡分布較為均勻，后段氣泡有趨于管道上壁面的趨勢。當(dāng)排氣壓力為0.05、0.10 MPa時，上、下水平管中均未出現(xiàn)段塞流，可見較高的排氣壓力對段塞流有抑制作用。

圖4 排氣壓力為0.01 MPa時上水平管內(nèi)出現(xiàn)的主要流型Fig.4 The main flow pattern in the upper horizontal pipe when the exhaust pressure is 0.01 MPa

排氣壓力分別為0.01、0.05、0.10 MPa時，氣體前鋒表現(xiàn)出了不同的形態(tài)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)排氣壓力為0.01 MPa時，氣體前鋒與管壁相貼，前鋒呈現(xiàn)半弧狀；當(dāng)排氣壓力為0.05 MPa時，氣體前鋒呈氣鼻狀，氣鼻前端在距管底8/10D處；當(dāng)排氣壓力為0.10 MPa時，氣鼻前端在距管底7/10D處。可見，隨著排氣壓力增加，氣體前鋒表現(xiàn)出脫離上壁面的趨勢，其尖端更加趨近于管道的中心線，氣鼻上部的液膜厚度越來越大[10?11]。氣鼻后方的液層厚度分布也不同，當(dāng)排氣壓力較大時，氣相在管軸向的速度分布差異增大，使氣液相界面呈現(xiàn)出一定的坡度，流型表現(xiàn)為分層坡狀流，當(dāng)排氣壓力分別為0.01、0.05、0.10 MPa時，氣液相界面的坡度約為0°、2°、3°，可見排氣壓力提高，氣液相界面的坡度增大，會置換更大體積的液相，排空能力增強(qiáng)。

圖5 不同排氣壓力下上水平管內(nèi)氣體前鋒的流動狀態(tài)Fig.5 The flow state of the gas nose under different exhaust pressures

2.3 排空過程壓力流量變化規(guī)律

圖6 為不同排氣壓力下立管底部測量點(diǎn)P2處的壓力和管道出口液體流量信號圖。由圖6可知，管底壓力變化大致經(jīng)歷三個過程，分別對應(yīng)了立管中流態(tài)變化的三個階段：液體流出、液氣噴發(fā)、液體震蕩，這與海洋立管嚴(yán)重段塞流的規(guī)律相近。排空開始瞬間，立管底部壓力出現(xiàn)躍升，這是因?yàn)楣芫€入口處出現(xiàn)瞬時憋壓，之后壓力緩慢上升，此時立管內(nèi)部為純液體且做加速運(yùn)動，立管內(nèi)部壓降逐漸增大，所以管底壓力逐漸升高，此階段稱為液體流出階段，且排氣壓力越大，立管底部壓力增加幅度越大，對應(yīng)的壓力峰值也越大。氣體進(jìn)入立管后，管底壓力陡降，因?yàn)榱⒐軆?nèi)靜水壓力減小，此階段為氣液噴發(fā)階段，且排氣壓力越大，管底壓力降幅越大。氣體進(jìn)入上水平管后，管底壓力在0 MPa附近保持震蕩，因?yàn)楣軆?nèi)殘余液體無法被排出，在立管底部震蕩，此階段為液體震蕩階段。排空開始后，出口液體流量隨時間快速增加，之后保持相對穩(wěn)定，排氣壓力越大，穩(wěn)定后的液體流量越大，排空效率也越高。

圖6 管底壓力、流量隨時間變化曲線Fig.6 Curve of pressure and flow rate at the bottom of pipe

立管頂部和底部之間的壓力差稱為立管壓降，排空開始后，立管壓降緩慢上升，之后壓降迅速減小，這是因?yàn)榱⒐莒o水壓頭減小，氣體膨脹并將液體排出立管。氣體排出立管后，壓降達(dá)到最小，剩余液體回流并在立管底部積聚，在氣體持續(xù)吹掃作用下壓降微小波動。圖7為三種排氣壓力下的立管壓降變化。由圖7可知，排氣壓力越大，壓降的開始下降時間越短，下降速度越大，但是三種工況下壓降的總體下降幅度基本相同。

圖7 立管壓降隨時間變化Fig.7 Curve of the riser pressure drop

3 結(jié)論

研究了含立管段管道的氣頂排空過程氣液混合物流動狀態(tài)，得到立管出口上水平管內(nèi)氣液混合物流型及立管底部壓力、出口液體流量和立管壓差的變化規(guī)律。

（1）排氣壓力較小時，立管出口氣液混合物為分層流和段塞流，排氣壓力較大時，僅為分層流。且排氣壓力越大，氣體前鋒的運(yùn)動速度越快，排空經(jīng)歷的時間越短。

（2）隨著排氣壓力增大，氣體前鋒表現(xiàn)出脫離上壁面的趨勢，其尖端更加趨近于管道的中心線，氣鼻上部的液膜厚度越來越大。排氣壓力越大，氣鼻后方液層坡度越大。

（3）管底壓力變化大致經(jīng)歷三個過程，分別對應(yīng)了立管中流態(tài)變化的三個階段：液體流出、液氣噴發(fā)、液體震蕩。排氣壓力越大，立管底部壓力增加幅度越大，對應(yīng)的壓力峰值也越大；排氣壓力越大，立管壓降的開始下降時間越短，下降速度越大。

（4）現(xiàn)場操作時，應(yīng)盡量保持排氣壓力在0.1 MPa以上，以減少段塞流的出現(xiàn)，且排氣壓力越大，液體流量越大，排空效率越高；但是排氣壓力不宜過高，因?yàn)檩^大的排氣壓力可能會造成立管底部壓力峰值增大，產(chǎn)生安全風(fēng)險。