通球過程皮碗球運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究綜述

王學(xué)成，張雷雷，龔治海，張方曉，王國振，陳俊丞，趙磊*

通球過程皮碗球運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究綜述

王學(xué)成1，張雷雷1，龔治海1，張方曉1，王國振1，陳俊丞2，趙磊2*

（1. 東莞市盛源石油化工有限公司，廣東 東莞 523000； 2. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

通球過程利用氮?dú)馔苿?dòng)皮碗球，將管道內(nèi)的汽油或柴油輸送至儲(chǔ)罐，是連接碼頭與廠區(qū)完成油品運(yùn)輸?shù)挠行侄?。皮碗球是通球過程中的重要設(shè)備，在管道清理操作中也可作為清管器使用。 皮碗球的速度決定著通球過程的效率和安全性，受到后方氣體的推力，管壁的摩擦阻力和前方液體的阻力等因素的共同影響，皮碗球在管道中的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程。本文對(duì)近10年通球過程皮碗球運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究進(jìn)行綜述，理論研究部分給出了氣體速度，皮碗球速度和阻力的計(jì)算公式，實(shí)驗(yàn)研究部分介紹了旁通率對(duì)通球效率的影響，模擬研究部分介紹了通球過程中管道內(nèi)的流場(chǎng)情況。研究結(jié)果為相關(guān)企業(yè)設(shè)計(jì)效率高，經(jīng)濟(jì)性好的通球清管過程提供參考。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，利用數(shù)值模擬方法解決工業(yè)生產(chǎn)中的復(fù)雜問題具有廣闊前景。

通球過程；皮碗球；油氣輸送；旁路清管；清管器

運(yùn)輸汽油與柴油的船舶需要在碼頭或港口完成卸油操作，卸下的油品通過輸油管道輸送至廠區(qū)儲(chǔ)罐中進(jìn)行儲(chǔ)存。在油品被注入管道之后，向管道中放置皮碗球設(shè)備，皮碗球放置完成后，利用輸氣軟管向管道內(nèi)輸入氮?dú)猓诘獨(dú)獾耐苿?dòng)下，皮碗球向前移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)油品沿管道向儲(chǔ)罐方向移動(dòng)，這一過程通常被稱作通球過程。除此之外，皮碗球設(shè)備也可作為清管器使用，當(dāng)管道內(nèi)存在殘存液體時(shí)，可以利用皮碗球?qū)⑵渫瞥龉艿溃辉诠艿莱笗r(shí)，也可利用皮碗球推動(dòng)清洗液，將垢層溶解在清洗液中一起推出管道。皮碗球在油品輸送與管道清管過程中均具有重要作用。受到后方氣體的推力，管壁的摩擦阻力和前方液體的阻力等因素的共同影響，皮碗球在管道中的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程。在通球過程中，通入氣體的速度和皮碗球的速度決定著通球過程的效率和安全性，速度過低，油品的輸送時(shí)間變長(zhǎng)；速度過高，管道內(nèi)的壓力以及流體的沖擊力會(huì)對(duì)管道與儲(chǔ)罐造成破壞。皮碗球與管壁之間的摩擦阻力又會(huì)使皮碗球發(fā)生磨損。為了解決這些可能出現(xiàn)的問題，有必要對(duì)通球過程和清管過程中，推動(dòng)氣體速度與皮碗球速度之間的關(guān)系，皮碗球受到的阻力以及影響通球和清管效率的因素進(jìn)行分析，為相關(guān)企業(yè)設(shè)計(jì)效率高，經(jīng)濟(jì)性好的通球清管過程。通過調(diào)研近十年通球過程的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，研究方法主要有三種，分別是理論研究，實(shí)驗(yàn)研究與模擬研究，成果多集中于近五年，且目前并沒有關(guān)于這些研究的系統(tǒng)性綜述?；诖?，本文對(duì)上述三種研究方法的相關(guān)成果進(jìn)行介紹，包括但不限于氣體速度，皮碗球速度和阻力的計(jì)算公式，旁通率對(duì)通球效率的影響，通球過程中管道內(nèi)的流場(chǎng)情況等。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，利用數(shù)值模擬方法解決工業(yè)生產(chǎn)中的復(fù)雜問題具有廣闊前景。

1 理論研究

M. Lesani等[1]推導(dǎo)和求解了皮碗球通過液體管道時(shí)的二維和三維動(dòng)力學(xué)方程，采用動(dòng)量方程和能量方程研究了流場(chǎng)對(duì)皮碗球運(yùn)行軌跡的影響。M. Mirshamsi和M. Rafeeyan[2]利用動(dòng)量方程和狀態(tài)方程計(jì)算氣體沿管道流動(dòng)時(shí)的密度、速度和壓力等參數(shù)，導(dǎo)出了皮碗球運(yùn)動(dòng)的微分方程。同時(shí)，他們[3]在二維燃?xì)夤艿篱L(zhǎng)清管器的動(dòng)態(tài)分析中將清管器分成若干個(gè)小部分，依照牛頓第二定律對(duì)所有小部分分別列出方程，然后將所有方程相加，最終得到清管器總的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程。在龍格庫塔法的基礎(chǔ)上，提出了求解運(yùn)動(dòng)微分方程的算法。

上述研究給出了皮碗球的總運(yùn)動(dòng)方程，為后續(xù)氣體與皮碗球之間關(guān)系的研究打下了基礎(chǔ)。在此之后，鄢華士和余恒東[4]對(duì)清管器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析：清管器在運(yùn)行過程中，速度呈現(xiàn)加速、減速的交替變化。清管器運(yùn)行的最大阻力出現(xiàn)在初始階段，即清管器從初始速度為零加速至勻速這一過程，此時(shí)沿程摩阻最大，清管器所需的氣體驅(qū)動(dòng)力最大，對(duì)應(yīng)的氣體流量最大。因此，以清管器初始運(yùn)行階段作為研究對(duì)象，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)清管器所需的氣體流量，即可作氣源管道設(shè)計(jì)的依據(jù)。清管器所需的驅(qū)動(dòng)力由（1）-（4）聯(lián)立計(jì)算可得，驅(qū)動(dòng)清管器所需的氣體質(zhì)量流量則由式（5）計(jì)算：

式中：F—清管器受到的氣體驅(qū)動(dòng)力，N；

F—清管器受到的液體阻力（包括管道摩阻及液位高差引起的阻力），N；

F—清管器與管壁的摩擦力，N；

—清管器的質(zhì)量，kg；

—清管器的重量，N；

Δ—清管器加速時(shí)間，s；

—清管器勻速運(yùn)行速度，m·s-1。

式中：λ—管道的摩阻系數(shù)；

ρ—液體化工品的密度，kg·m-3；

L—通球管線的長(zhǎng)度（包括管線長(zhǎng)度及管件當(dāng)量摩阻長(zhǎng)度），m；

—重力加速度，m·s-2；

H—收球端與發(fā)球端之間的液位差壓，Pa。

式中：—清管器皮碗與管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)；

—管道內(nèi)徑，m；

—清管器皮碗數(shù)量；

1—清管器中心軸直徑，m；

—清管器的過盈率；

—清管器材料的彈性模量；

—清管器材料的泊桑系數(shù)。

式中：P—清管器初始受到的氣體最大驅(qū)動(dòng)壓力，Pa。

式中：Q —?dú)怏w質(zhì)量流量，kg·s-1；

ρ0—?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg·m-3;

P0—?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)壓力，取 98 000 Pa;

0—?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)溫度，K;

T—?dú)怏w實(shí)際溫度，K。

王鋒等研究發(fā)現(xiàn)[5]皮碗清管器的磨損量與滑動(dòng)距離、法向載荷、皮碗過盈量、材料的屈服極限等有關(guān)。通球管道內(nèi)的輸送介質(zhì)不同，所使用的公式也存在差異。Chen等[6]通過對(duì)天然氣管道通球?qū)嶒?yàn)所得數(shù)據(jù)的整理分析，提出了表征皮碗球速度與后方推進(jìn)氣體速度之間關(guān)系的公式。Zhang等[7]研究了皮碗球在丘陵天然氣管道中運(yùn)行過程的動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)響應(yīng)面法（RSM）的模擬結(jié)果，提出了一個(gè)預(yù)測(cè)水平輸氣管道皮碗球穩(wěn)態(tài)速度的公式

在明確了皮碗球與推動(dòng)氣體之間的關(guān)系后，就可以針對(duì)管道的實(shí)際情況進(jìn)行皮碗球的選型。白港生等[8]推導(dǎo)出了清管器通過凹陷變形直管段、三通、厚壁及閥門、彎頭時(shí)需要滿足的長(zhǎng)度、骨架鋼體直徑、皮碗密封間距等基本設(shè)計(jì)參數(shù)，并給出具體的指導(dǎo)公式和經(jīng)驗(yàn)值。何畏等[9]通過分析清管器運(yùn)行過程中碟形皮碗相較于直板皮碗的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)選碟形皮碗作為清管器的皮碗類型；對(duì)碟形皮碗進(jìn)行力學(xué)分析并采用有限元軟件 Abaqus 分析得出，過盈量和皮碗唇部厚度與接觸長(zhǎng)度呈正相關(guān)，皮碗唇部長(zhǎng)度與接觸長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)；接觸應(yīng)力隨著過盈量和唇部厚度增加而逐漸增大，隨著唇部長(zhǎng)度增加而逐漸減小。

2 實(shí)驗(yàn)研究

Chen等[10]采用水平，豎直和傾斜管道相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以皮碗球的旁通率為自變量進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，對(duì)通球過程中管內(nèi)壓力波動(dòng)、皮碗球速度以及管道末端排出液體流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)管內(nèi)液體體積由2L提高到8L時(shí)，旁路管道壓力峰值增加14.4%，無旁路管道壓力峰值增加34%，使用帶旁路的皮碗球裝置可以顯著降低通球過程中管內(nèi)的壓力波動(dòng)，同時(shí)對(duì)管內(nèi)液體加載量的變化具有更好的適應(yīng)性。皮碗球兩端的壓差與旁路分?jǐn)?shù)無關(guān)，與皮碗球運(yùn)動(dòng)過程中的沿程阻力有關(guān)。皮碗球在管道中的平均速度隨旁路分?jǐn)?shù)的的增大線性減小。在此之后，Chen等[11]在只包含水平管道的實(shí)驗(yàn)裝置上繼續(xù)使用不同旁通率的皮碗球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旁通率從0%提高到2%，液體流出速率降低了75%。

此外，相關(guān)企業(yè)結(jié)合已有線路對(duì)海上油氣田通球過程進(jìn)行了有效的實(shí)驗(yàn)研究[12-15]。

3 模擬研究

左施施等[16]利用fluent對(duì)清管器模型內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真，獲得不同形狀的旁通閥在清管器工作時(shí)的壓力云圖和湍流動(dòng)能圖。田宏軍等[17]利用fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明: 在旁通狀態(tài)下，高速流體通過旁路，對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用，流過清管器后，在下游形成渦流區(qū)。壓力場(chǎng)分為上游高壓區(qū)、清管器中壓區(qū)、頭部低壓區(qū)和下游穩(wěn)定區(qū); 旁路上和軸線上最大流體速度隨間隙量的增加而減小，流場(chǎng)壓降及所受的驅(qū)動(dòng)力隨間隙量的增加而急劇減小。Asghar Talbizadeh 和Mohammad Mehdi Keshtkar[18]對(duì)通球過程中皮碗球周圍的全湍流流動(dòng)進(jìn)行建模，對(duì)影響皮碗球兩端壓降的參數(shù)進(jìn)行了研究，確定了這些基本參數(shù)在通球過程中的最優(yōu)狀態(tài)。

Li等[19]提出了一種基于移動(dòng)網(wǎng)格法的皮碗球模型，將皮碗球與流體的接觸面視為離散網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，采用精細(xì)的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格對(duì)皮碗球周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，模擬著重考慮了氣體的可壓縮性和通球過程中皮碗球受到的摩擦力。他們[20]為了快速準(zhǔn)確地描述皮碗球在通球過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，首先建立了一個(gè)適用于瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)條件下的分析模型，然后建立了一個(gè)包含管道進(jìn)口氣體質(zhì)量流量、皮碗球摩擦力和旁路參數(shù)等變量的模型，用以計(jì)算通球過程所需時(shí)間。在考慮氣體可壓縮性和摩擦剖面變化的基礎(chǔ)上，在模擬程序中添加摩擦段，研究了皮碗球在通球過程中可能出現(xiàn)的卡死和滑移現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)的摩擦段內(nèi)正摩擦偏差是造成突然減速然后突然停止的主要原因，而當(dāng)皮碗球進(jìn)入低摩擦區(qū)域時(shí)，氣體可壓縮性則成為皮碗球速度波動(dòng)或卡死的主要原因。皮碗球與管壁之間的配合關(guān)系、皮碗球表面的的摩擦系數(shù)、管材特性(內(nèi)徑、內(nèi)壁粗糙度)和皮碗球速度對(duì)摩擦力均有影響。

Liu等[21]采用多相流瞬態(tài)模擬軟件對(duì)中國普光氣田P102集氣站通球清管過程進(jìn)行了研究。左施施等人[22]以可控速清管器為例，建立了清管器的流體區(qū)域泄流流場(chǎng)模型，通過仿真得到了旁通閥不同開度下清管器的流場(chǎng)壓力分布，得到了旁通閥相對(duì)開度與壓差的關(guān)系曲線（圖1）。隨著旁通閥開度增大，清管器前后壓差先急劇下降再趨于平緩，對(duì)附近流場(chǎng)的湍動(dòng)能影響逐漸變小，清管器在管道中的運(yùn)行速度逐漸趨于平穩(wěn)。為得到一個(gè)合理的開度區(qū)間來平穩(wěn)地調(diào)節(jié)清管器運(yùn)行速度，擬合了開度與壓差的方程式（6），根據(jù)擬合函數(shù)可對(duì)閥門不同開度時(shí)的壓差進(jìn)行估算。

式中，α定義為旁通閥開度，由式（7）計(jì)算可得：

式中:S—旁通閥任意狀態(tài)下的泄流面積;

1—旁通閥最大泄流面積。

Liu等[23]采用OLGA和CFD模擬相結(jié)合的方法，分析了不同進(jìn)口質(zhì)量流量和旁通率對(duì)提升管底部壓力、皮碗球速度和液相分布形態(tài)等特征參數(shù)的影響。模擬結(jié)果表明:立管底部最大壓力隨著皮碗球旁通率的增加先減小后基本保持不變，最小壓力和通球時(shí)間增大，壓力變化范圍和通球速度減小; 當(dāng)旁通率從0%增加到2%時(shí)，壓力和皮碗球速度波動(dòng)下降最顯著，而進(jìn)口質(zhì)量流量對(duì)立管底部壓力的影響不大。過高的旁通率或不足的進(jìn)口質(zhì)量流量會(huì)降低通球操作的效率，并可能不足以提供皮碗球運(yùn)動(dòng)所需的壓差。

在長(zhǎng)距離氣液管道通球過程中，皮碗球和管道內(nèi)壁之間的摩擦?xí)?dǎo)致皮碗球皮碗的直徑小于管道的內(nèi)徑，從而產(chǎn)生間隙，間隙的存在對(duì)液體的流動(dòng)有重要影響。為了探究流體在管道中的流動(dòng)特性，Chen等人[24]基于CFD方法進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬。結(jié)果表明：間隙越大，管道內(nèi)殘留液體越多，輸送流體效率越低，此時(shí)需要適當(dāng)增大后方推動(dòng)氣體速度，進(jìn)而增大皮碗球速度。

圖1 旁通閥相對(duì)開度與壓差的關(guān)系[21]

4 結(jié)束語

1）利用理論研究得到的公式，可以計(jì)算在管道輸送不同介質(zhì)時(shí)，皮碗球的速度，后方推動(dòng)氣體的流量，皮碗球在運(yùn)動(dòng)過程中受到的阻力等。通過分析可知，皮碗球速度的主要影響因素是管道中的氣體速度，其次是旁通面積和皮碗球受到的摩擦阻力，而提高皮碗球清管器的旁通率，是提升通球效率的有效手段。

2）通過搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備和速度監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以較好的得到通球過程中管道內(nèi)的壓力變化情況和皮碗球的速度，同時(shí)使用透明管道可以清晰看到管內(nèi)輸送介質(zhì)的流動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用帶旁路的皮碗球裝置可以顯著降低通球過程中管內(nèi)的壓力波動(dòng)，同時(shí)對(duì)管內(nèi)液體加載量的變化具有更好的適應(yīng)性；皮碗球兩端的壓差與旁路分?jǐn)?shù)無關(guān)，與皮碗球運(yùn)動(dòng)過程中的沿程阻力有關(guān)；皮碗球在管道中的平均速度隨旁路分?jǐn)?shù)的的增大線性減小。

3）使用數(shù)值模擬軟件對(duì)通球過程進(jìn)行仿真模擬可以得到通球過程中管內(nèi)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布情況，利用流固耦合功能可以分析皮碗球的變形與應(yīng)力，使用瞬態(tài)模型還可以分析某一時(shí)刻的相關(guān)結(jié)果，仿真模擬所得結(jié)果與理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合程度好，這些優(yōu)勢(shì)使得模擬方法成為研究通球過程的最佳手段，相關(guān)成果在近五年的文獻(xiàn)中得到大量介紹。

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Research on the Movement Mechanism of the Bowl Ball During the Passing Process

1,1,1,1,1,2,2*

（1. Dongguan Shengyuan Petrochemical Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523000, China;2. Liaoning Petrochemical University, Fushun Liaoning 113001, China）

The ball passing process uses nitrogen to push the cup ball to deliver the gasoline or diesel in the pipeline to the storage tank.It is an effective means to connect the wharf and the factory to complete the transportation of oil products.The ball is an important equipment in the process of passing the ball, and it can also be used as a pig in the pipeline cleaning operation.The speed of the bowl ball determines the efficiency and safety of the passing process.Affected by the thrust of the gas behind, the frictional resistance of the pipe wall and the resistance of the liquid in the front, the movement of the ball in the pipe is a complex movement process. In this paper, the research on the movement mechanism of the ball during the passing process in the past 10 years was summarized. In the theoretical part, the calculation formulas of gas velocity, cup ball velocity and resistance were given; in the experimental part, the influence of bypass rate on ball passing efficiency was introduced; and in the simulation part, the flow field in the pipeline during ball passing was introduced. The research results can provide some reference for related enterprises to design high efficiency and good economy pigging process. At the same time, it is found that the numerical simulation method has broad prospects for solving complex problems in industrial production.

Ball pass process; Bowl ball; Oil and gas transportation; Bypass pigging; Pig

2022-06-27

王學(xué)成（1966-），男，新疆人，研究方向：成品油庫運(yùn)營管理。

趙磊（1982-），男，講師，博士，儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)控制與仿真。

TE83

A

1004-0935（2023）01-0117-04