高嵩，尤云祥，俞忠，胡天群，譚練武

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200240)

在海底油氣開采過程中，主要通過鋪設(shè)在海底的管線和連接到海洋平臺的立管系統(tǒng)將儲存于海底的油氣輸送到海洋平臺上.隨著海洋油氣開發(fā)向深海發(fā)展，位于海底的混輸管線越來越長，當(dāng)管內(nèi)氣液流量較低時，容易出現(xiàn)稱為嚴(yán)重段塞流(severe slugging)的特殊有害流型.嚴(yán)重段塞流是一種具有很強的周期性的流型，表現(xiàn)為管內(nèi)壓力和出口氣液流量呈現(xiàn)周期性劇烈波動，不僅會造成油井大幅減產(chǎn)，而且管線出口的斷流和劇烈出流交替出現(xiàn)會給下游處理設(shè)備造成問題［1］.這些都會給正常生產(chǎn)帶來困難，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致停產(chǎn)等事故.此外，嚴(yán)重段塞流的液氣強烈噴發(fā)還會加劇管壁腐蝕，尤其是對立管管壁的腐蝕，而且噴發(fā)帶來的壓力劇烈波動會引起管道的振動，造成管線接頭和支柱的機械損害，縮短其使用壽命，對作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)強度、安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成危害［2］.嚴(yán)重段塞流危害程度與立管內(nèi)流型及物理參數(shù)變化規(guī)律相關(guān).為此，有必要對該流型的形成機理及其流動特性進(jìn)行深入研究，以便于尋找有效措施來減緩或避免上述危害.

嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象自1973年被提出后，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，文獻(xiàn)［3-5］等采用模型試驗方法開展深入研究，研究的方向主要集中在嚴(yán)重段塞流產(chǎn)生機理、嚴(yán)重段塞流分類方式、管內(nèi)流型流態(tài)的變化特性、管內(nèi)液塞速度、液塞長度、壓力波動、流動周期等參數(shù)的變化特性，以及探索控制緩解其危害的方法等方面，并取得了許多重要成果.

本文采用水平管—下傾管—立管管線系統(tǒng)，對水動力嚴(yán)重段塞流特性進(jìn)行實驗研究.在該實驗裝置中，下傾管段設(shè)計得較短，這種設(shè)計其目的在于使水平管中的阻塞流進(jìn)入到下傾管后不會消失，能夠在立管中形成水力嚴(yán)重段塞流.在實驗中，對出現(xiàn)水動力嚴(yán)重段塞流的氣液流量組合及其產(chǎn)生機理與壓力波動特性等進(jìn)行了分析與研究.

1 管線系統(tǒng)實驗裝置介紹

實驗在上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室多相流實驗系統(tǒng)上進(jìn)行，實驗管道是由水平管、下傾管和立管組成的管線系統(tǒng)，如圖1所示.其中，HI段為水平管，長度L2=16.692 m;IJ段為下傾管，長度L3=0.61 m，傾角 β=3°;JK 段為立管，高度 L4=3.74 m.為了便于觀察，管道均采用內(nèi)徑0.026 m的透明有機玻璃管.水路系統(tǒng)主要由集水器、水泵、穩(wěn)壓水箱、液體流量計量及控制器等組成，氣路系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、穩(wěn)壓氣罐、氣體流量計量及控制器等組成.氣液混合器設(shè)置在H處，它與液體入口G之間的距離為L1=4.455 m.

實驗過程中，氣體進(jìn)流流量采用ALICAT公司生產(chǎn)的流量計進(jìn)行測量，量程范圍為0～50 L/min.該流量計同時內(nèi)置有一個比例調(diào)節(jié)閥，可通過PID控制器來自動調(diào)節(jié)閥門開啟度，以保證氣體進(jìn)流流量的穩(wěn)定性.采用美國Thermal Instrument Company生產(chǎn)的9 500型熱式質(zhì)量流量計對液體進(jìn)流流量進(jìn)行測量，量程范圍為0～50 L/min.液體流量控制器由德國福林公司生產(chǎn)的電動調(diào)節(jié)閥及虹潤精密儀器有限公司生產(chǎn)的PID控制器組成，由PID控制器根據(jù)當(dāng)前液體流量自動調(diào)整電動調(diào)節(jié)閥開啟度，以保證液體進(jìn)流流量.

在水平和垂直管段各布置了一臺數(shù)碼攝像機，用來研究水平管與立管中氣液兩相流型特征及其相關(guān)關(guān)系，并分析各種流型的產(chǎn)生機理及其演化特征.在下傾管與立管連接彎頭處(即圖1中J點)，設(shè)置了一個壓力傳感器，用來對管道內(nèi)壓力變化特性進(jìn)行測量分析，并研究其與相關(guān)流型之間的關(guān)系，量程范圍為0～50 kPa.

圖1 試驗系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch of the experiment system

2 實驗描述及結(jié)果分析

氣液兩相混輸管道中，入口處氣液相折算速度是決定管內(nèi)流型的關(guān)鍵參數(shù)，實驗主要通過調(diào)節(jié)入口處氣液兩相質(zhì)量流量來實現(xiàn)調(diào)節(jié)入口處的折算速度.實驗介質(zhì)采用空氣和水，試驗參數(shù)范圍為氣相折算速度 0.036 ～1.45 m/s，液相折算速度 0.036 ～1.45 m/s.

實驗過程中，首先調(diào)節(jié)液體流量控制閥，使管道入口處液體進(jìn)流量保持穩(wěn)定，打開氣閥，調(diào)節(jié)氣體流量觀測水平與立管中的流型變化.

2.1 水平管與立管中流型特征

圖2、3給出了管線系統(tǒng)內(nèi)氣液兩相流動的流型圖.Vsg為氣體在出口狀態(tài)下的折算速度，Vsl為水的折算速度.本次實驗中，水平管內(nèi)共觀察到了4種流型，分別為分層流、阻塞流、氣團(tuán)流和段塞流，而在立管中則觀察到了5種流型，分別為地形嚴(yán)重段塞流、過渡流型、水動力嚴(yán)重段塞流、氣團(tuán)流及段塞流.

當(dāng)實驗系統(tǒng)入口氣液體均處于較小流量范圍時，水平管和下傾管內(nèi)皆為光滑分層流，液體在下傾管與立管交接處(即管道系統(tǒng)的幾何最低點)積聚，在立管中出現(xiàn)地形嚴(yán)重段塞流I型，這是一種液塞長度超過立管高度的流型，也是目前文獻(xiàn)中報道最多的一種最為典型的流型，包括4個流動階段:液塞形成、液塞出流、液氣噴發(fā)和液體回流.在這種流型下，立管內(nèi)部有較大的流量和壓力波動，在立管出口出現(xiàn)周期性斷流和劇烈液氣噴發(fā)的交替現(xiàn)象.

保持液體為小流量，增加入口氣相流量，此時立管內(nèi)液塞增長帶來的壓力增加速度開始小于水平-下傾管內(nèi)氣體累積產(chǎn)生的壓力增長速度，使得液塞頭部在還未到達(dá)立管頂部時，氣體就進(jìn)入立管開始噴發(fā)，即出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流II型流態(tài).對地形嚴(yán)重段塞流II型，沒有液塞出流階段，在液塞形成階段尚未完成之前，氣體就進(jìn)入立管形成液氣噴發(fā)現(xiàn)象，該流型也會出現(xiàn)周期性斷流和劇烈液氣噴發(fā)的現(xiàn)象，破壞及影響程度與地形嚴(yán)重段塞流I類似，但是由于液塞長度小于立管高度，使得下游處理設(shè)備較易接納.

圖2 水平管流型Fig.2 The flow patterns of the horizontal pipeline

圖3 立管流型Fig.3 The flow patterns of the riser

進(jìn)一步增加氣相流量，立管內(nèi)流型的變化取決于水平管流型.當(dāng)水平管內(nèi)仍然保持為分層流動時，如果立管根部累積的液塞無法堵住氣體，而進(jìn)入立管氣體流量也不足以形成環(huán)狀流，立管內(nèi)流態(tài)為介于地形嚴(yán)重段塞流II與環(huán)狀流之間的過渡流型，表現(xiàn)為液體在氣流和重力共同作用下反復(fù)震蕩，直至立管內(nèi)累積了足夠多的液體，氣流攜帶液體噴出管外，即為氣液混合的彌散流.

如果水平管內(nèi)出現(xiàn)阻塞流型，立管內(nèi)則出現(xiàn)水動力嚴(yán)重段塞流型.所謂阻塞流是指，在水平管內(nèi)某處出現(xiàn)一段水平液塞，而其余部分保持為分層流.該液塞到達(dá)下傾管與立管交接處后，會堵住立管根部，阻止氣流進(jìn)入立管，此時在立管中會出現(xiàn)類似于地形嚴(yán)重段塞流的流型，稱其為水動力嚴(yán)重段塞流.

增加入口處液體進(jìn)流量，但保持水平-下傾管內(nèi)仍為分層流.當(dāng)氣體流量較小時，立管內(nèi)出現(xiàn)地形嚴(yán)重段塞流III型，這種流型的主要特點是:在液塞形成階段，即出現(xiàn)液氣間隔性噴發(fā)現(xiàn)象，噴發(fā)階段結(jié)束之后立管內(nèi)充滿液體.地形嚴(yán)重段塞流III型在立管出口沒有斷流現(xiàn)象，且其流動過程只有液塞形成、液塞出流和液氣噴發(fā)3個階段，其造成的壓力波動也小于I型和II型，屬于一種過渡流型.如果進(jìn)一步加大氣體流量，水平管內(nèi)也可能會出現(xiàn)阻塞流，此時立管內(nèi)出現(xiàn)水動力嚴(yán)重段塞流型.關(guān)于這種水動力嚴(yán)重段塞流的相關(guān)特性問題，將在后文做詳細(xì)討論.進(jìn)一步加大入口處液體進(jìn)流量，水平管內(nèi)分層流消失.當(dāng)氣體流量較小時，整個管線系統(tǒng)呈現(xiàn)氣團(tuán)流動;而當(dāng)氣體流量較大時，整個管線系統(tǒng)呈現(xiàn)段塞流動.

2.2 水平管阻塞流形成原理

立管內(nèi)的水動力嚴(yán)重段塞流型是由水平管內(nèi)的阻塞流型引起的.當(dāng)水平管為分層流時，隨著氣體流量的增加，管內(nèi)的光滑分層流轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ朔謱恿鳎覛怏w流量越大，波浪分層流的波動幅值也越高，而水平管并非絕對水平，最終在某個地勢較低處，液體形成的波面堵住管道，并形成一段液塞，即阻塞流.這是阻塞流形成的主要原因之一.此外有其他非預(yù)期的擾動也可能會形成阻塞流.阻塞流形成的液塞段將水平管內(nèi)氣體分隔成兩部分，如圖4所示.在液塞前后水平管內(nèi)流型仍為分層流.該段液塞在其尾部氣體的推動下向水平管下游流動，進(jìn)入下傾管，并匯入下傾管與立管交接處形成積液，堵住立管根部，阻止氣流進(jìn)入立管，造成下傾管內(nèi)氣體被壓縮，形成嚴(yán)重段塞流流型.由圖2可見，阻塞流只存在于較小液體流量和較大氣體流量范圍內(nèi)，當(dāng)水平管內(nèi)分層流消失，形成穩(wěn)定氣團(tuán)流時或段塞流時，該流型消失，立管內(nèi)流型也相應(yīng)變化.

圖4 水平管阻塞流型Fig.4 Blocking flow pattern in the horizontal pipe

水平管內(nèi)阻塞流形成的原因主要為管內(nèi)持液率較高，當(dāng)液面在氣流作用下呈波浪狀運動時，如果遇到擾動或者凹點，波面突然上升堵住管道，形成一段孤立的液塞，并在其后氣流的推動下向下游流動.如果阻塞流的形成是由水平管幾何形狀和入口氣液流量決定的，該流型就有一定周期性，即具有可持續(xù)性;如果阻塞流的形成是由非預(yù)期的擾動決定的，就不存在周期特性，不具有可持續(xù)性.

此外，阻塞形成的液塞在其沿水平管向下游流動過程中，有可能會進(jìn)入立管，但也有可能會在水平管或下傾管中消失，這主要由其尾部壓力和分層流的持液率共同決定.液塞尾部的氣體推動會使液塞后緣不斷增加，導(dǎo)致液塞變長，稱為“鏟起”;同時，由于重力、壓力等因素，段塞前緣不斷消失，導(dǎo)致液塞變短，稱為“泄落”.當(dāng)立管根部被堵住，形成長液塞時，液塞前部壓力大于尾部，此時形成的液塞逐漸消失;而當(dāng)立管根部未被堵住，立管內(nèi)為過渡流型或者處于液體回流階段時，導(dǎo)致阻塞流前部壓力小于尾部，液塞流向下游并逐步增長，直到進(jìn)入立管形成長液塞并封住氣流，發(fā)生嚴(yán)重段塞流.

2.3 水動力嚴(yán)重段塞流特性分析

實驗中觀測到了地形嚴(yán)重段塞流Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型，以及水動力嚴(yán)重段塞流共4種嚴(yán)重段塞流型.在圖5中，給出了4種嚴(yán)重段塞流下立管根部壓力隨時間的變化規(guī)律.

由圖5可知，無論是地形嚴(yán)重段塞流還是水動力嚴(yán)重段塞流都有很好的周期特性，這也說明了實驗中觀察到的水動力嚴(yán)重段塞流不是由意外的擾動引發(fā)的，而是管線幾何形狀和流量等因素共同導(dǎo)致的.從圖5(a)～(c)可見，對地形嚴(yán)重段塞流，立管內(nèi)根部壓力波動劇烈，根據(jù)其在立管內(nèi)的流態(tài)變化，可以把一個周期分為4個階段，依次為液塞形成、液塞出流、液氣噴發(fā)和液體回流，其中Ⅰ型擁有全部4個階段，Ⅱ型沒有獨立的液塞出流階段，Ⅲ型沒有回流階段.

同時，當(dāng)?shù)匦螄?yán)重段塞流發(fā)生時，在液體回流和液塞形成階段，在立管出口處出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，在液塞出流和液氣噴發(fā)階段，在立管出口處出現(xiàn)劇烈出流現(xiàn)象，這2種現(xiàn)象交替發(fā)生，循環(huán)往復(fù)［10］.

由圖5(d)可知，對水動力嚴(yán)重段塞流，在立管內(nèi)的流態(tài)比地形嚴(yán)重段塞流態(tài)要復(fù)雜一些，在水動力嚴(yán)重段塞流的一個周期內(nèi)一般包含5個階段:液塞形成、液塞出流、液氣噴發(fā)、液體回流和液體振蕩.液體振蕩階段是指，在液體回流階段之后，由于立管內(nèi)液體含量較少，不足以流出管外，也不能堵住氣流，在重力和氣流共同作用下往復(fù)振蕩，將該流態(tài)定義為液體振蕩.

圖5 立管根部壓力變化特性Fig.5 The pressure characteristics at the bottom of the riser

實驗中所觀察到的水動力嚴(yán)重段塞流，只有液塞形成、液氣噴發(fā)、液體回流和液體振蕩4個階段，沒有出現(xiàn)液體出流階段，稱其為水動力段塞流Ⅱ型.理論上講水動力學(xué)嚴(yán)重段塞流Ⅰ型也應(yīng)該是存在的，這可能與本實驗系統(tǒng)中水平管長度還不夠長有關(guān)，這將在后續(xù)研究中進(jìn)一步探索.

嚴(yán)重段塞流Ⅲ型的主要特征為噴發(fā)結(jié)束后立管內(nèi)充滿液體，而水動力嚴(yán)重段塞流發(fā)生機理是水平管內(nèi)出現(xiàn)了阻塞流型，該流型產(chǎn)生的液塞能否進(jìn)入立管的前提為立管沒有被液塞堵住，所以在前一段液塞噴發(fā)結(jié)束之前不會產(chǎn)生新的長液塞，即不存在水動力嚴(yán)重段塞流Ⅲ型，實驗也沒有做出該種流型.實驗觀測到水動力嚴(yán)重段塞流發(fā)生時，立管出口仍為斷流和劇烈出流交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，其中斷流發(fā)生在液塞形成、液體回流和液體振蕩階段，出流發(fā)生在液塞出流和液氣噴發(fā)階段.

圖6 立管嚴(yán)重段塞流周期變化特性Fig.6 Severe slugging periodic characteristics of the riser

圖7 立管內(nèi)壓力波動幅值變化特性Fig.7 Pressure fluctuation magnitude characteristics of the riser

在圖6～7中，給出了嚴(yán)重段塞流周期和立管根部壓力波動幅值隨氣液折算速度變化特性的實驗結(jié)果.其中，液體折算速度為 vsl為 0.036、0.049、0.07 m/s，氣體折算速度從0.036 m/s變化到 1.1 m/s，圖中橫坐標(biāo)為氣體折算速度，圖6中縱坐標(biāo)表示為嚴(yán)重段塞流周期，圖7中縱坐標(biāo)為立管根部壓力波動幅值，即一個周期內(nèi)立管根部壓力最大值和最小值之差.

結(jié)合圖3可知，當(dāng)液體折算速度為 vsl=0.036 m/s，氣體折算速度從小到大變化時，立管內(nèi)依次僅出現(xiàn)地形嚴(yán)重段塞流Ⅰ和Ⅱ型，其周期及壓力波動幅值隨著氣相折算速度增大而呈冪函數(shù)規(guī)律逐漸減小.當(dāng)液體折算速度變?yōu)関sl=0.049 m/s，而氣體折算速度小于0.543 m/s時，立管內(nèi)依次出現(xiàn)地形嚴(yán)重段塞流Ⅰ、Ⅱ和Ⅱ型，其周期仍呈冪函數(shù)規(guī)律逐漸減小.

當(dāng)氣體折算速度達(dá)到0.543 m/s后，水平管內(nèi)出現(xiàn)阻塞流，而立管內(nèi)流型變?yōu)樗畡恿?yán)重段塞流型，其流動變化仍保持周期性，但其周期隨氣體折算速度增加而增加，達(dá)到某一最大值后又隨著氣體折算速度的增加開始逐漸減小，直至水平管內(nèi)阻塞流型消失.

對于壓力波動幅值，當(dāng)阻塞流出現(xiàn)時，其值隨著氣相折算速度增加逐步增加，達(dá)到某一極值點后，又隨氣相折算速度增加而減小，直至阻塞流型消失.當(dāng)液體折算速度為vsl=0.07 m/s時，其變化規(guī)律與vsl=0.049 m/s的情況類似.

傳統(tǒng)的地形嚴(yán)重段塞流的危害主要體現(xiàn)在:長液塞的迅速出流超出下游設(shè)備的處理能力，液氣噴發(fā)容易誘發(fā)管線振動，下游設(shè)備長期經(jīng)受沖擊，以及管線內(nèi)存在劇烈的壓力和流量波動等［3］.水動力嚴(yán)重段塞流型也具有上述的危害，且該流型通常發(fā)生于氣流速度較高的情況，其破壞力也是不可忽視的.因此，海洋輸油管線系統(tǒng)內(nèi)的水動力嚴(yán)重段塞流型也應(yīng)是海底采油工程中需要關(guān)注和深入研究的內(nèi)容之一.

3 結(jié)論

利用水平—下傾—立管組合管線系統(tǒng)，在氣液進(jìn)流量的多種組合下開展了實驗研究，獲得了水平管及立管內(nèi)的流型圖，重點研究了水動力嚴(yán)重段塞流形成機理、周期及其壓力波動特性，并與地形嚴(yán)重段塞流的相關(guān)特性進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論:

1)水動力嚴(yán)重段塞流型在氣體速度較高情況下出現(xiàn)，相比于地形嚴(yán)重段塞流，其發(fā)生范圍較廣，這大大拓寬了傳統(tǒng)嚴(yán)重段塞流的范圍，需要在工程設(shè)計上加以關(guān)注.

2)水動力嚴(yán)重段塞流型具有周期特性，并會導(dǎo)致立管內(nèi)部發(fā)生較為劇烈的壓力波動.當(dāng)液體流量值固定時，該流型周期和壓力波動幅值存在一個極值點，并最終隨氣相折算速度的增加而消失.

3)水動力嚴(yán)重段塞流的成因較為復(fù)雜，不僅與水平和下傾管線幾何形狀及相關(guān)幾何參數(shù)有關(guān)，還與氣液流量組合、流體物性等多種因素相關(guān).因?qū)嶒灄l件所限對其成因只進(jìn)行了初步探討，還有待于做更進(jìn)一步的研究工作.

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