管道低洼处积水排除实验.pdf

文章编号：1 0 0 0 8 2 4 1(2 0 1 1)0 5 0 3 6 9 0 4管道低洼处积水排除实验徐广丽张国忠赵仕浩(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院。山东青岛2 6 6 5 5 5)徐广丽等管道低洼处积水排除实验油气储运，2 0 11，3 0(5)：3 6 9 3 7 2，3 7 5 摘要：通过分析成品油管道清管杂质中铁锈和水的来源，指出管道不断产生杂质的原因是管道投产期间水压试验过程中低洼处积水引起的管道内腐蚀。提出了油流携水的积水排除方法。为研究油流携水系统的流型、积水分布以及出水量，分别利用透明管、钢管对积水在油流冲刷作用下的运动形态和出水量大于0 的临界条件进行了实验研究。借助由下倾、水平、上倾3 段测试管段组成的内径为1 5r f l m 的玻璃管和内径为2 5n l l n 的塑料管两套实验系统，采用柴油和水分别对积水分布形态进行了观察，并利用内径为2 7I T l l n 的钢管实验系统对上倾管段不同位置的出水量进行测量。在实验范围内，油相流量较小时，积水以近壁偏心大水滴的形式在油流携带下向前爬行；随油相流量增大，偏心大水滴下游被打散成小水滴进入油流：油相流量越大，大水滴经过的距离越长，出水量越大。关键词：成品油管道；内腐蚀：偏心大水滴：积水；油流携水；油水两相流中图分类号：T E 8 8文献标识码：AD O I：C N K I：1 3 1 0 9 3 T E 2 0 1 1 0 5 l O 2 1 3 0 0 0 7成品油管道在生产运营过程中，存在不同程度的过滤器堵塞问题。对兰成渝管道2 0 0 4 年7 月的清管杂质进行组分分析，其主要成分为沙石、焊渣和铁锈，含水量约5，远大于国标规定管输油品的含水量1。沙石、焊渣主要是施工残留物，虽然在投产运营过程中采取分段通球、风吹扫线等措施，但因管道较长，致使沙石、焊渣等杂物难以彻底清除。有学者指出沉积物中的铁锈来源于施工期间管道暴露于大气中产生的浮锈3 1。然而，这一思路完全忽略了管壁内腐蚀产生铁锈这一因素。钢管暴露于水盆环境的腐蚀速率为0 0 0 9lm m a，兰成渝管道成都站实测管道内腐蚀速率为0 0 0 5 0 0 2 44m m a 幢o。因此，清管杂质中的铁锈来源应包括管道投产之前形成的浮锈和管道内腐蚀产生的铁锈两部分，前者随清管次数的增多面减少，后者随管道运营时间的延长而持续增加。水的来源有两个：管输油品中含有微量水，因其密度比油品大，长期运行过程中不断沉积，聚集在管道低洼处；管道依地势敷设，落差较大，投产时采用油项水的方式驱水，由于油水的密度差，同等版能下油品的爬坡能力比水强，可能出现油晶已经越过高点而水沿管道底部逆流的现象，在管道低洼处形成积水。由于钢管本身存在电化学不均匀性，即在金属表面或内部的不同区域具有不同的电极电位，形成多对电极。若有电解质存在，则形成无数微小的原电池而发生电化学腐蚀H-。油品中的酸性物质可溶解在水中发生电离，电离出的H+使电解质溶液呈酸性，其酸性越大，腐蚀性越强b 1。只要管道中有水，就会持续发生内腐蚀，不断生成固体腐蚀物。为满足市场需求，增加上游来油量时，油品流速加快，紊流扰动增大，油品的携带能力增强，管道内的固体腐蚀产物在油流剪切作用下随油流运动，引起过滤器、减压阀等设备阻塞，甚至导致计划外停输，严重影响管道的正常运营。管输油品自身对杂质具有一定的冲刷携带能力，若能够利用油流将低洼处积水携带出去，则有助于上述问题的解决。因此，研究油流携水机理和过程对保障成品油管道的安全运营具有莺要的工程应用价值。目前，仅有挪威科技大学和荷兰代尔夫特科技大学采用流体携带低洼处积液的方法来研究管中积液的排除，但尚未见其公开发表的研究成果。1 实验系统1 1 钢管实验系统为研究地形条件复杂的成品油管道低洼处积水的万方数据蕊_ 强O I L G A SS T O R A G E A N DT R A N S P O R T A T I O N r l 障，设计r 一套由蛮验管路系统和数据采集系统组成的管艳为2 7 m m(I D)的制铝实验装置(刿I)。宜啦介质为0 号柴油和自米水2 5 时的甫度分圳为8 5 58 3k g m 3 和9 7 70 4k 咖，粘度分别为3 4 3 m P a-s和08 9 5 m P a s。目I*m*镕*m m#镕$#t t 目柴油储仃n 储油罐，h 盯】泉入“道+缝标定的流艟进 洲试管段(曲个 上“2 削为测试符段)，址后刹储汕罐：测试 段总长6 m 由F 倾、小甲和 倾3 段蚶成竹K 讣别为Im、05 l n 目4 m，H 余0 5 m 用P f g【n 测试书。段州，m 的“、琏接。r 哪竹段倾厢为36 h 倾管段倾角为1 2。I 倾竹段装仃4 个均匀讣加的内径为6 m m 的山水鹇(分刖U 山I 一4 号|j 水u)-川】t 驯；t 被油i m 携带的水付，j E 目，水r*段-端也的距离分别为0 5 m、l5 m、25m、35 m。枇个实验系统采川盘颦架起，以雠i l E(iJ l l n 抖址低的水、r 管段J|水阀破审环进。来J I f m 虻E 射犍H(1 q2)抒“水州将水i ：小r1 1 段，此沣埘装H 山内行3m m 的金属管、控一I j I f|附、“射m 以技晰封戟符组成。金属*端拙 水i 竹段底柙 一端通过带埘软符1，沣时器连接。汗 制管水1 世段的水请为I5 m L、2 5 m L，4 0 m L a j q I*a T i n I 目2t m l 匠*女m m 女*目g I实验装置删帚】|，降、油槲流量咀厦油洫携带g!水的体秘t 即H 水量)，茸-I-m 薛通过荤J 一f 甚器E J A l l O A 准确度00 7 5)删得：油桕t m 量采州流量堕田日睢l：珏#鲴#t 霸堑堂送器(L W G y o l5 A 准确度05)删得：r 倾管段不同位置的出水量通过量筒【准确艘2)测樽。廿惟忙感和流母变送器均缝标定后性用。油相流量通过删节阀和旁路系统控制为避免离心泵震动对蛮验测量结果产生影州在泵的出口和八L l 均安装减震轼管。采用温度传感器测最当验过程中的油温，发现其变化小J5 舣忽略温度变化列油-；A 物性参数的影响。油棚流最范|*为0 l 卜04 9 m l m 屠大汕+U 流髓对应的需谢数小】I20 0 0，汕相保持层流流动。蛮驰升姑前油m 蜮人流艟F i,i 经牲个环道以排m 虾遁一f-日卒。渊 l i i l l 柑流节节所需仉J；，停泵采刚自制注射姨忾将水注 水1|测试段底部。辟HIr a i n 后启采-水托柴油带曲下运础聃泉J d 时于J 开_ 二倾管段的。l 水阀。5 m i n 后f f 采，时关闭 I 水阀。测鞋5 m i n 内接H 1 讹卉液lr f 自水域，即为m 汕“t 拂带F 的；l!水帚埘mm 水城不为0 的蚰小油#l 流h l：t l l 为临抖i I 棚流最，雎J i 将尘验虾道放宅。#敞删盛H|同条件F 的山水艟-取多敬删咕。，粜的均方撒l X 等(R M S E)为测试珙差J 1 _ 蛙小删试谨坨为2 0。1 2 透M 管支路系统为F 跏认汕流挑水的*L 础状态震川o o 制管系统测哺竹段地孵敢，内行为15m m 的玻璃竹和内轾山2 5m m 的耐蚋抖软管阿套生路彖统埘秘水计如J K 盎进打观察。眄垂支踹东统的端通过通接头测试箭殴游*雌，端则帆汕赫J 部捅 汕罐-透1“管-l，屯满柴i j 肝将水通过蟮群r 太气帕3 mF，依靠水的f】g E 山缓世地聚粜圣地势最低处。注 艘聩竹的水艟竹制为5m L、1 0 m L、3 0 m L，“加橱嗄科软韬的水￥斗刖为2 0 m L、3 0 m L、5 0 m L。2 实验结果。j 分析2 1 积水分布形态通吐理察透明柠中油流舯税水的冲刷过n 分析油流挑水系统的流掣$j 祝水的分布聪志，发现帆水盘J z，流流动的油流冲刊作咐F 随油流社劬的分布聪奄有4 种(1 目3 髓色代丧水)。积水在汕流冲刷作用F*升培流型分布汕瀛流量较小时秘水受到的帅胡自无法克服其与竹壁问的痒撩山秘水近似F 铺柱地势最低万方数据讣析I 4 畸1 水IJ 北水f d 分刖山I5m L、2 5m L、4 0 m L 时的1 水 龇汕剌农腿地膻乩的韭化(1 4)。对f：I：倾竹段1 P 均什柑的4 十：I l 水【I、“鞍小时油濉埘秘水的蚺切山小址U 电服靴水受刘的啭i h】睁棒、挺张力肚艰山术艟为0。存北十垃小汕目怵l d 牲雠l 蒯1 1 4、山O 记为临抖油自I 流咐“(_】心的“泄l d 为k)即：扑U。“。|；水 为0：“，川水I n 伙蛙增人。水II 趴承1 r 什段越“，越凡。T I I I 1 1 i 1 f l 增1 止W 地J i，1 测试“”4q m m I I口4*n 目m I m m$2 3 界面光滑分屡渣的临界条件山确定J：倾箭政禁似“i 水呲凡r0 的临抖条“，一日什所靴水进 l：倾竹艘J i 蚪I h l 越什产生被动。舣牲日l l 水峭自1 分联流匏定性州断班则，1 1U p“(n t 0)峨总岍水H 盯托和蚪 h J K 山坝【n 汕n I 惯性J 自报小J，i l l l 袍；Z 钾的采r|，叩J I ：女一教姆枇燕技波饱，t H 朱“倾制竹持t l r l l j 水H 扪f*”圯万方数据曩匝譬重霸啊E I 吲E 麓强姗睦若刑观瑚一陆蔷强O I L&G A SS T O R A G EA N DT R A N S P O R T A T I O N式中：C 为取决于管内油相速度的分布常数，由流动状态决定，对于紊流，C=1 6，对于层流，C=1 2；f l 为管路倾角；爿。、么。分别为油相、水相的流通面积，m 2；h 为水相厚度，m；p。、p。分别为油水两相的密度，k g m 3D 为管径，m。将圆管中的A。和删、曲代入式(1)，取层流时的分布常数C=1 2，可得界面光滑分层流的临界条件为：吒产型咝篙筹蔷筠产式中：后为无量纲水相厚度，f i-h O。已知油水两相密度、管径及上倾管段倾角(1 2。)，由式(2)可得到某水相厚度时油水两相分层流保持界面平滑的临界。分析3 套实验管路中的计算结果(图5)，发现叱随厍增大而单调递减，且递减速率随蓐增大而减小；若石不变，油水两相分层流保持界面平滑的临界油相表观速度随管径增大而增大。乇童8世嘲露琳罂景无量纲水相厚厦图5 油水两相光滑分层流的判定准则因钢管实验系统中的水相厚度未知，无法根据式(2)确定界面平滑分层流的临界叱。因此，在实验范围内(油相流动状态为层流)，界面处是否产生波动，尚需通过对水相厚度在流动方向上的分布进行理论分析。假设界面一旦产生波动，积水便可被打散成小水团进入油流，则界面光滑分层流的临界条件即为出水量大于0 的临界条件。虽然钢管的管壁粗糙度与玻璃管、加筋塑料软管存在差别。但因在实验条件下，油相均处于层流，故管壁的粗糙度对摩阻因数的计算没有影响，可忽略不同管壁粗糙度对积水分布的影响。即钢管中积水的分布形态应与相近管径的透明管中的情况基本一致。若界面无波动，则积水在油流剪切作用下呈界面平滑的偏心大水滴向前运动；若界面有波动，则积水主体呈偏心(2)大水滴而部分水被打散进入油流向前运动。体积为K 的水注入地势最低的水平管段后，饥。较小时，油水界面无波动，积水以近壁面偏心大水滴的形式在油相冲刷作用下以平均速度砜向前运动，且乩很小，5r a i n 内积水行程较短，未到达上倾管段1 4号出水口所在位置(仁O 5m、1 5m、2 5m、3 5m)，出水量为0；随睨增大，若界面平滑，则出水量大于0 的临界条件为：积水行程大于，；若界面存在波动，部分水脱离积水主体进入油流中，随油流以较大速度向前运动，则出水量大于0 的临界条件为界面波动的临界条件。3 结论成品油管道内腐蚀产生的腐蚀产物是清管杂质中铁锈的重要来源之一。管道内腐蚀不仅会降低管道的使用寿命，还会导致管道阻塞甚至计划外停输。针对国内多次发生的成品油管道沉积物阻塞事故，采用由下倾、水平、上倾3 段测试管段组成的管流实验装置对油流携水系统的流型、积水分布以及上倾管段不同位置处的出水量进行了实验研究。为确定流动系统中出水量大于0 的临界条件，需进一步研究分析水相厚度的分布。若增大测试管段的管径，研究不同管径的管路对应同一位置处出水量大于0 的临界条件，同时目测大管径管路中积水在油流冲刷作用下的分布形态，可以很好地指导成品油管道中低洼处积水的排除。另外，天然气管道中有水存在，停输过程中会形成天然气水合物，导致管道或沿线设备阻塞，因此油流排除积水的方法也可作为防治天然气管道水合物的一种方案。(下转第3 7 5 页)万方数据基于图像处理的油水两相流含水率计算W a t e rc o n t e n tc a l c u l a t i o nf o rw a t e r o i lt w o p h a s ef l o wb a s e do ni m a g ep r o c e s s3 3 模型数值解法与结果分析使用M a t l a b 计算软件中的辛普森数值积分模型进行求解，计算结果为18 8 5 3，则体积含液率为9 2 8，真实值为1 0，相对误差为7 2。该结果具有较高的准确度，可以满足测量要求。透明管油水两相流含水率的图像测鼍误差主要来自3 方面：(1)实验环境。透明管中的油水两相流，水和透明管亮度相似，拍摄易受光线反射和介质流动的影响而发生抖动，产生一定的误差。(2)图像处理。任何算法在降噪的同时，都会发生信息的丢失。对图像进行降噪处理，水相边缘检测常常不准确，从而产生测量误差。(3)模型假设。基于图像处理的含水率计算模型是基于油水界面为平面而建立的，实际油水两相流界面不可能是标准的平面，随着紊流程度的增强，界面更加不稳定，由此产生的误差将更大。2 L iQ i a n g w e i，H u a n gZ h i y a o，W a n gB a o l i a n g，e ta 1 V o i df r a c t i o nm e a s u r e m e n to fo i l-g a st w o-p h a s ef l o wb a s e do na n ts y s t e ma n de l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y J J o u r n a lo fC h e m i c a lI n d u s t r ya n d E n g i n e e r i n g 2 0 0 7，5 8(1)：6 1-6 6 3 D a i d z i cNE，S c h m i d tE，H a s a nMM，e ta 1 G a s l i q u i dp h a s ed i s t r i b u t i o na n dv o i df r a c t i o nm e a s u r e m e n t su s i n gM R I J N u c l e a r E n g i n e e r i n g a n d D e s i g n 2 0 0 6，2 3 5：1 1 6 3 1 1 7 8 4 M o n j iH，M a t s u iG F l o wp a t t e mr e c o g n i t i o no fg a sl i q u i dt w o-p h a s ef l o wu s i n gan e u r a ln e t w o r k C T h i r dI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nM u l t i p h a s eF l o w，L y o n，F r a n c e 1 9 9 8【5 施丽莲，泽魁，沙蒲垂直管道中气液两相流参数的图像检测方法 J 流体机械，2 0 0 4 3 2(9)：4-9 6 张东衡，唐志航，叶鸿明，等一种气液两相流气相参数图像检测方法 J】计算机测量与控制，2 0 0 6，1 4(5)：5 9 7 5 9 9(收稿日期：2 0 1 0 0 9 2 9)参考文献：1 L u g g a r R D，K e y MJ M o r t o nEJ，e ta i E n e r g yd i s p e r s i V e x-r a y作者简介：赵仕浩，在读硕士生，1 9 8 4 年生，2 0 0 9 年毕业于江苏工s c a r e rf o rm e a s u r e m e n to f o i l-w a t e rr a t i o sN u c l e a r J 1 n s U u m e n t s业学院油气储运工程专业，现丰要从事成晶油管道携水机理研究。a n dM e t h o d si nP h y s i c sR e s e a r c h，1 9 9 9，4 2 2(I I)：9 3 8 9 4 1 电话：1 5 8 6 3 0 3 1 4 4 2：E m a i l：s h i h a 0 2 3 1 1 2 6 c o m(上接第3 7 2 页)参考文献：c 1 高庭禹，张增强兰成渝成品油管道内杂质的成阂及对策 J 油气储运，2 0 0 6，2 5(1 0)：5 2 5 4 2 杨庆阳兰成渝管道杂质成因与应对 D 山东青岛：中国石油大学(华东)，2 0 0 9 3 宋飞，朱峰潘红梅。等兰成渝管道杂质来源分析 J 油气储运2 0 1 0，2 9(5)：3 8 1 3 8 3 4 张昆混输盼道内腐蚀及影响闪素分析 J 油气田地呵I：程，2 0 0 8。2 7(6)：3 2 3 3 5 赵学芬，姚安林地形起伏地p(集气管道内腐蚀敏感性预测分析 J 天然气与石油，2 0 0 7，2 5(3)：3 6 3 9，5 5 6 B r a u n e rN，M a r o nDM S t a b i l i t ya n a l y s i so fs t r a t i f i e dl i q u i d-l i q u i df l o w J I n tJM u i t i p h a s eF l o w，1 9 9 2。1 8(1)：1 0 3-1 2 1(收稿ft 期：2 0 1 0 1 0 1 1)作者简介：徐广丽。在读博士生。1 9 8 4 年生，2 0 0 6 年毕业于|1 国石油大学(华东)油气储运专业，现卡要从事成品油管道的油携水机理和过程研究。电话；1 8 7 5 4 2 7 2 11 2：E m a i l 5 3 0 x u g l 1 6 3 c o r n万方数据