陳媛媛， 崔艷雨， 于 達(dá)， 宮 敬

(1. 中國民航大學(xué) 油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，天津 300300； 2.中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京102249)

0 引 言

新建管道的充水排氣是其后期安全投入運(yùn)營的重要保證[1]。對(duì)地形起伏管道，在試壓掃水、充水投產(chǎn)等過程中，水頭翻越高點(diǎn)后極易發(fā)生氣塞現(xiàn)象，導(dǎo)致管內(nèi)產(chǎn)生大量積氣[2-4]。積氣的存在會(huì)造成液柱分離、輸送效率降低以及能耗增加[5-6]，如果發(fā)生瞬間的氣泡潰滅還可能引起管道材料和結(jié)構(gòu)的破壞。因此，這部分氣體就是投產(chǎn)時(shí)管內(nèi)所產(chǎn)生的積氣段，需及時(shí)排出。

利用排氣閥來排除管道積氣，以消減管道系統(tǒng)水擊，保證管內(nèi)通水流暢，在工程中應(yīng)用非常廣泛。但由于對(duì)氣體在管道中運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，實(shí)際工程中因氣塞導(dǎo)致的爆管事故仍常有發(fā)生。2010年，國內(nèi)某起伏管道在試壓排水過程中，曾連續(xù)兩次出現(xiàn)爆管事故，究其原因，管道高點(diǎn)存氣誘發(fā)水擊是導(dǎo)致爆管的主要因素[7]。Deng等[8]以國內(nèi)某爆管事故管段起伏地形為原型，將室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，因下坡段氣塞的存在，試壓排水過程在末期會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)壓力脈沖。袁文麟等[9]通過對(duì)管道充水工況下的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在管道充水過程中，在氣液交界面處，氣、水會(huì)發(fā)生劇烈摻混，較大的剪切力使小氣泡從氣團(tuán)中分離，隨水流流向下游。文獻(xiàn)中常將這一現(xiàn)象稱為“氣泡破碎”[10-12]。郝榮貴[13]指出，因?yàn)椤皻馀萜扑椤钡拇嬖?，管道局部充水排氣過程中，管道中的水并非完全將管道中的氣體排出，而是要經(jīng)歷層流、段塞流等過程，個(gè)別情況下還會(huì)出現(xiàn)泡沫流等特殊流動(dòng)狀態(tài)。張欣雨等[14]通過對(duì)V字型管道進(jìn)行數(shù)值模擬，指出復(fù)雜管道下傾管段內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)方式由入口流速?zèng)Q定。Pothof等[15]在進(jìn)行下傾管空氣-水的水躍流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，定義了水躍過程中的4種氣液兩相流流型：分層流(Stratified flow)、段塞流(Blow-back flow)、氣團(tuán)流(Plug flow regime)和分散泡狀流(Dispersed bubble flow)。Bernard等[16]分別對(duì)管道充水啟動(dòng)過程中的氣、液兩相建模求解，通過和試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)流量越大，充水時(shí)間越短，管內(nèi)氣體壓力也越大。

由于氣體在起伏管道中的運(yùn)動(dòng)特性非常復(fù)雜，近一個(gè)世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)含氣塞管道氣液兩相流動(dòng)的研究進(jìn)展緩慢，主要集中在石油天然氣管道、水泵及輸配水管路中氣塞的防治，絕大多數(shù)研究是工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，缺乏對(duì)氣塞形成及演變機(jī)理的系統(tǒng)研究。為此，本文設(shè)計(jì)并搭建了一套可大范圍調(diào)節(jié)管路傾角范圍(0°～30°)的含氣塞管道充水排氣模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)ζ鸱艿莱渌艢膺^程中的管內(nèi)氣塞形成和發(fā)展過程中的氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和記錄，并實(shí)現(xiàn)其可視化。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建設(shè)

含氣塞管路充水排氣模擬試驗(yàn)環(huán)路系統(tǒng)主要包括供水系統(tǒng)、測(cè)試管路系統(tǒng)、傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)及數(shù)采系統(tǒng)。該系統(tǒng)在中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室搭建完成，管道規(guī)格為DN50，環(huán)路總長(zhǎng)約70 m，試驗(yàn)環(huán)路系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 含氣塞管路充水排氣模擬試驗(yàn)環(huán)路系統(tǒng)示意圖

1.1 供水系統(tǒng)

由于本實(shí)驗(yàn)所采用的液相為水，因此供水系統(tǒng)包括儲(chǔ)水罐、注水泵和變頻器。

儲(chǔ)水罐容積為1.5 m3，實(shí)驗(yàn)前，向儲(chǔ)水罐中加入少許紅色染料，對(duì)無色水體進(jìn)行“染色”處理以便在透明有機(jī)玻璃管系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。實(shí)驗(yàn)所用注水泵為不銹鋼立式多級(jí)離心增壓泵，最小揚(yáng)程為40.5 m，最大揚(yáng)程113 m，流量范圍40～130 L/min，額定轉(zhuǎn)速2 850 r/min，功率為2.2 kW。水泵的轉(zhuǎn)速通過變頻器控制，調(diào)節(jié)范圍0～60 Hz。實(shí)驗(yàn)過程中通過變頻器作用實(shí)現(xiàn)管段入口不同液相流速的供給。

1.2 測(cè)試管路系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試管段主要由下傾管路(下坡段)和上傾管路(上坡段)組成，兩者之間通過2個(gè)曲率半徑均為20D的90°彎管進(jìn)行連接，整體構(gòu)成“U”形狀，模擬實(shí)際大落差管道的起伏地形。

上坡段為長(zhǎng)8 m的有機(jī)玻璃管段，下坡段是由12個(gè)有機(jī)玻璃管段組成的總長(zhǎng)為6.1 m的實(shí)驗(yàn)段，其中6個(gè)為測(cè)量持液率的雙平行電導(dǎo)探針?biāo)诘亩坦?jié)段，各短節(jié)段之間采用法蘭連接。上、下坡管路分別置于2根鋼的橫梁上，沿線安裝多個(gè)U形固定環(huán)和橫梁保持固定，再通過鋼絲繩連接吊車實(shí)現(xiàn)各段管路整體的起升和回落。

下坡管路的入口和上坡管段的出口均通過軟管分別和進(jìn)水管路與回水管路系統(tǒng)進(jìn)行連接。

1.3 傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，上、下坡段傾斜管路均可在0°～30°(相鄰間隔5°)范圍內(nèi)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)中通過傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種不同角度間的變換。該系統(tǒng)主要包括活接頭、傾角調(diào)節(jié)支撐架及吊車。

活接頭安裝在低點(diǎn)兩90°彎管連接處，將上下坡段分開，實(shí)現(xiàn)上、下坡段各自變換角度，互不影響。需要注意的是，無論在調(diào)試或者正式實(shí)驗(yàn)的過程中，只要是對(duì)上或下傾管路進(jìn)行角度調(diào)整，在這之前一定要先松開活接頭，否則會(huì)造成彎管或有機(jī)玻璃管路的扭曲、變形，破壞整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)道。

傾角調(diào)節(jié)支撐架采用實(shí)驗(yàn)室已有的多根圓形鋼管互相連接、固定、搭建而成。在搭建過程中，以活接頭所在的位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)上下坡段管路的長(zhǎng)度計(jì)算不同角度下各支撐點(diǎn)的具體位置和高度。對(duì)較短的下傾管路，每個(gè)角度設(shè)置3個(gè)支撐銜接點(diǎn)，對(duì)較長(zhǎng)的上坡管路，每個(gè)傾角下設(shè)置4個(gè)支撐點(diǎn)。傾角調(diào)節(jié)支撐架建設(shè)完成后，對(duì)各個(gè)支撐架對(duì)應(yīng)的支撐角度進(jìn)行數(shù)字標(biāo)識(shí)，避免造成不同角度下相近支撐架位置的混淆。另外，各支撐架的外側(cè)圓形截面由于切割痕跡的存在而比較毛糙，因此，在各支撐架的外側(cè)面均纏上了較厚的白色塑料泡沫防震帶。一方面防止有機(jī)玻璃管在起落的過程中撞上支撐架導(dǎo)致管道的破裂，影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行；另一方面也避免粗糙的斷面劃傷實(shí)驗(yàn)人員。

吊車共2臺(tái)，上、下坡段管路各用1臺(tái)，安裝在最高位置的連接鋼管上，利用鋼絲繩連接固定在橫梁上的U形固定環(huán)，實(shí)現(xiàn)環(huán)路整體的起升和回落。在使用吊車的過程中，一定要控制好吊車的速度，避免速度過快造成有機(jī)玻璃管段和周圍鋼管等尖銳物體發(fā)生碰撞，損壞管道。

1.4 排水系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，上下坡管路中的水均從低點(diǎn)排出，因此排水系統(tǒng)包括低點(diǎn)排水閥和排水管。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后打開低點(diǎn)排水閥排水，并稍稍松動(dòng)低點(diǎn)活接頭的螺母以加快排水速度。

1.5 攝像系統(tǒng)

為了更清楚地觀察到充水排氣過程中管內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)中采用加拿大Mega Speed Corp公司生產(chǎn)的MS55K型高速攝像機(jī)對(duì)下坡段的局部區(qū)域進(jìn)行了集中拍攝。該高速攝影機(jī)的拍攝速度從1～10 000 f/s可調(diào)，可直接通過千兆以太網(wǎng)將拍攝的圖片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，且可以很方便地進(jìn)行回放和分析，小巧、輕便，易于使用。

1.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括液體流量計(jì)和雙平行電導(dǎo)探針。液體流量計(jì)采用德國型號(hào)為10DX4311C的電磁流量計(jì)，測(cè)量管道入口的液相流量，共2臺(tái)，布置在注水泵的出口處，量程分別為45 L/min和200 L/min，精度均為0.5%。2個(gè)電磁流量計(jì)并聯(lián)安裝，以測(cè)量不同大小的流量。

持液率是實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的重要參數(shù)之一，實(shí)驗(yàn)中選用自行設(shè)計(jì)制作的雙平行電導(dǎo)探針來測(cè)量下坡段排氣過程中的持液率[17]。主要設(shè)備包括信號(hào)發(fā)生器、含有探針的管段、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集卡。各探針等間距布置在下坡段，沿流動(dòng)方向依次編號(hào)為1#～6#。

將以上各設(shè)備用信號(hào)電纜線與數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行連接，再將數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)連接，利用DASYlab8.0軟件的模擬信號(hào)輸入、曲線記錄儀、數(shù)據(jù)記錄等模塊繪出數(shù)據(jù)采集流程圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、記錄和控制。

2 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)環(huán)道的主要目的是對(duì)含氣塞起伏管道充水排氣過程中的氣液兩相流動(dòng)特性及其影響因素進(jìn)行研究分析，因此主要操作方案如下：

(1) 保持下坡管路傾角和上坡管路傾角均不變，依次調(diào)節(jié)泵頻率以改變液相流速，利用數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行記錄，并觀察在不同液相流速下，上、下坡管路中的流型及氣液兩相的流動(dòng)規(guī)律特性。

(2) 保持下坡管路傾角不變，依次改變上坡管路傾角，按照步驟(1)的操作，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(3) 改變下坡管路傾角，重復(fù)步驟(1)和(2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以得到不同下傾角度下，充水排氣過程中氣液流動(dòng)特性變化情況，進(jìn)而可對(duì)實(shí)際長(zhǎng)距離大落差起伏管道沿線不同傾角的下坡段處的進(jìn)氣、排氣和存氣情況進(jìn)行理論指導(dǎo)分析。

為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)步驟、降低工作量，設(shè)計(jì)了如圖2所示的傾角調(diào)節(jié)方案，實(shí)驗(yàn)中按圖中箭頭所示方向依次進(jìn)行上、下坡管路傾角的調(diào)節(jié)。圖中，(5,15)表示起伏管路的傾角組合為下傾5°、上傾15°(下同)；“→”表示下坡段固定、上坡段起升；“←”表示下坡段固定、上坡段降落；“↓”表示上坡段固定、下坡段起升。按此傾角調(diào)節(jié)方案，全部實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，下坡管路僅起升5次，上坡管路共起降12次，可大幅減少試驗(yàn)工作量。

圖2 傾角調(diào)節(jié)方案圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 氣泡破碎實(shí)現(xiàn)充水排氣

圖3是用高速攝像機(jī)記錄的4#、5#探針之間、距離5#探針50 cm處，從初始積氣段的形成到完成充水排氣、管路完全被液體填充的全過程，可非常清楚、直觀地觀察到由于氣泡破碎的發(fā)生，下坡段由氣液不滿流變成全液滿管流的整個(gè)過程。

圖3 下坡段某點(diǎn)處完成充水排氣、從不滿流變?yōu)闈M管流的全過程

從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)開始后，液體進(jìn)入下坡段以不滿流的形式向下游低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，下坡段內(nèi)是典型的分層流流動(dòng)：管上壁是管內(nèi)初始存留的空氣，下壁是高速運(yùn)動(dòng)的液膜(a)；當(dāng)液體到達(dá)低點(diǎn)形成液塞后，由于上游壓力不足以克服液塞的阻力，液塞開始分別向下游上坡管路和上游下傾管路增長(zhǎng)，下坡段內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)的液膜沖進(jìn)逆向低速上升的液塞中，在積氣段尾部形成強(qiáng)烈的紊流擾動(dòng)，使積氣段尾部發(fā)生氣泡破碎，液塞頭中充滿了破碎出的小氣泡，變成含氣液塞頭(Aeration Liquid Slug Head，ALSH)(b)；ALSH繼續(xù)向上游運(yùn)動(dòng)(c)、(d)，下坡段內(nèi)是含有非常多小氣泡的氣液混合物(e)、(f)；破碎出的小氣泡在浮力的作用下，迅速上升至管上壁，結(jié)合、聚并形成新的積氣段(g)，下坡段內(nèi)又變成了氣液分層流，新一輪的氣泡破碎過程開始發(fā)生(h)、(i)。如此循環(huán)往復(fù)。隨著破碎出的小氣泡進(jìn)入下游上坡段逐漸被液流帶出管道系統(tǒng)，下坡段的積氣量越來越少，積氣段尾部破碎出的小氣泡也越來越少，直到最后所有積氣段均完全破碎，下坡段變成全液相的滿管流動(dòng)(j)、(k)、(l)，完成排氣過程。

3.2 下傾管持液率變化

由圖4可以看出，各持液率值沿下傾管方向由下往上(探針編號(hào)由大到小)逆向依次變化。在ALSH尚未到達(dá)探針處時(shí)，各探針處持液率始終保持為初始?xì)庖悍謱恿鞯某忠郝手怠ｋS著低點(diǎn)積累的液塞向上游下坡管路的生長(zhǎng)，ALSH首先前進(jìn)至距離低點(diǎn)最近的6#探針處，使HL6迅速增大到約1.0，隨后開始下降，下降的原因是積氣段尾部破碎出的小氣泡在浮力的作用下很快上升到上管壁處，在距離ALSH不遠(yuǎn)處結(jié)合形成“大氣泡”(a)或“長(zhǎng)氣囊”(b)。從持液率下降的幅度可判斷氣泡破碎的速度。下降的幅度越大，持液率值越小，說明積氣段尾部的紊流擾動(dòng)作用越強(qiáng)，破碎出的小氣泡越多，在下游聚并形成的氣泡或氣囊越大。隨著ALSH繼續(xù)向下傾管入口前進(jìn)，HLi將不斷重復(fù)HLi+1(i=1,2,…,5)的變化過程。對(duì)比(a)和(b)可知，在不同的管路傾角和液相流速下，下傾管的持液率變化特性截然不同，表明在不同的試驗(yàn)工況下，下傾管中的氣液兩相可能呈現(xiàn)不同的流型及相應(yīng)的流動(dòng)特性。因此，需要深入開展充水排氣試驗(yàn)研究，以確定充水排氣過程中氣液兩相流型變化及不同因素對(duì)氣液兩相流動(dòng)特性的影響規(guī)律。

(a)(20,15)、液相流速0.36 m/s

(b)(10,5)、液相流速0.48 m/s

4 結(jié) 語

含氣塞管路充水排氣模擬試驗(yàn)環(huán)路系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、操作方便，可用于模擬新建油氣管道在投產(chǎn)過程中的充水排氣過程，對(duì)深入開展充水排氣過程中的氣液兩相流動(dòng)規(guī)律具有重要意義。通過改變管路傾角和液相流量，可研究實(shí)際起伏地形和管道入口流量對(duì)管道沿線進(jìn)氣、排氣和存氣的影響，進(jìn)而為復(fù)雜地形管道安全投入運(yùn)營提供重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。