积水在成品油输送管道中运动状态的数值模拟

李　涛， 范静雯, 梁　云， 刘亚洁

(1.青岛科技大学 机电工程学院， 山东青岛 266061；

2.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580)



积水在成品油输送管道中运动状态的数值模拟

李涛1， 范静雯1, 梁云1， 刘亚洁2

(1.青岛科技大学 机电工程学院， 山东青岛 266061；

2.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580)

摘要：为了解决成品油管道经常会因积水而产生内腐蚀的问题，通过FLUENT建立模型，模拟了成品油输送管道内低洼爬坡段积水的相关流态，分析了油品流速、管径对积水运动状态的影响以及积水的成因.结果表明：成品油输送管道内积水的运动状态与传统的油水两相流不同，在不同管段呈现不同的流型.在上倾管段中，受成品油剪切作用与水相自身重力作用及管壁摩擦力的影响，积水在管道底部达到动态平衡，因此难以排出管道.此外，流体流速增大，管道内的积水减少，而管径增大，积水增多；流体密度增大，管道内积水减少，管道弯曲角度增大，积水减少.

关键词：成品油管道；积水；流型；运动状态

管道中积水的存在，很容易诱发管道材质生锈，发生管道内腐蚀，导致过滤器和减压阀堵塞[1]，最终导致输送管道停运检修，从而增加成品油运输的成本，并且极易发生油泄漏事故.

目前，对油品管道问题已有颇多研究[2-7]并有结论：油品温度升高, 可引起同一位置处的水相厚度减小,管道倾角的增大可使同一位置处的水相厚度梯度增大,在油相层流的油流携水系统中，油相流量越大，越易形成水塞，油流的携水能力越强.孙伟栋[8]指出，油品在管道中的流动问题非常复杂，不能单纯依靠解析法、数值计算求解，而应通过实验来获取数据.但在实际情况中，管路装备多、工况复杂，开展现场试验有些困难，张宁等[9]则提出，可以根据相似理论设计模型试验来解决这个问题.许道振等[10]建立了室内实验环道，通过高速摄像等方法，研究了低洼-爬坡成品油管段内积水的运动状态，分析了积水充满管径或部分管径时流速和积水量对流动状态的影响，但没有探讨管径的影响.徐广丽等[11]对透明管中油相流体对积水的冲刷过程进行了观察，分析了油流携水系统流型的种类以及积水的分布形态，但仅仅通过观察而得出结论使得科学性与说服力稍欠.

采用计算流体力学(CFD)软件对管道内多相流问题进行流场模拟，可以得到不同相态、压力下流体在管道内的流动情况，是目前较为合理的研究方法.在CFD软件中，FLUENT软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一[12].朱红钧等[l3]用FLUENT软件模拟了油水两相流在突扩和突缩管内的流动.于莉娜等[14]用此软件数值分析了垂直上升管内不同含水率工况下油气水三相流动.宫莎莎[15]利用FLUENT对管道内气液两相及油气水三相流型进行模拟.在多相流流型研究方面，油水两相流流型的研究远远落后于油气两相或油气水三相的流型研究，油水面两项流在研究方法上局限于实验手段，由于不同研究者的实验条件不同，其实验数据往往缺乏对比性，另外还存在实验代表性不足的问题.

随着科学技术的发展，世界成品油管道正向着大口径、大流量的方向发展，而管径势必会对成品油管道中积水的运动状态产生直接影响.通过对比不同管径下不同流速、不同角度下不同流体密度的油水两相流动状态，研究积水在油流冲刷作用下的分布形态，并分析油水相互作用的过程以及积水的成因，可为成品油输送管道低洼处积水的排除提供很大帮助，并为减少管道的内腐蚀提供依据.

1　管道积水模型的建立

选取某输油管道工程内直径为600mm的90°管道，弯径比为3，并在弯管前后各取10m直管段进行建模，其几何模型如图1所示，假设管道弯曲段存在积水.

图1　输送管道模型

流体在圆管内流动考虑重力因素，采取三维模拟计算.FLUENT中用于模拟多相流的模型主要有VOF模型、混合模型以及欧拉模型.其中混合模型和欧拉模型适用于有相混合或分离的情形，而VOF模型适合于有分层的多相流场及带自由表面流动的流场的模拟，因此文中采用VOF模型.将油流假定为各向同性的均匀湍流，采用标准κ-ε(其中κ为湍动能，ε为湍流耗散率)湍流模型来表示流体运动，此模型稳定性高，计算开支少，并且计算精度高，在湍流模型中应用范围最广.某品牌润滑油动力密度为879kg/m3，粘度0.048Pa·s，油品运行速度为1m/s时可计算出雷诺数大于2000，流动状态符合紊流的条件，段管入口为速度入口边界，出口为自由出流，管道为无滑移壁面.输送管道网络划分如图2所示.

(a) 面网格　　　　　　　　　(b)体网格图2　输送管道网格划分

2　模拟结果与分析

2.1速度与直径一定时的油水两相变化

图3为流体以1.7m/s的速度，通过内径为600mm管道的过程中，随着时间的推移，油水两相的变化情况.

图4为文献[10]中研究积水在成品油管道中的运动状态时所做实验的结果图.

从图3(a)可以看出：在管道最低点处存在少量水，当油品以1.7m/s的速度注入管道时，油相与水相接触形成稳定清晰的界面，在界面上油相对水相施加一定的推力，推动水相向上倾管段运动，这与许

图3　不同时刻下管道中油相体积分布图

道振用高速摄像得到的图4(a)一致.在油相的不断冲击下，两侧的水相如波浪般往上倾管段涌动着前进，此时油相未完全超越水相而形成连续的流动层，如图4(b)所示.

(a)积水前锋运动状态

(b)油相越过积水时油相前锋运动状态

(c)平衡时水平管段积水分布

(d)平衡时倾斜管段积水运动状态

(e)平衡时爬坡末端积水运动状态图4　积水的运动状态

强大的推动力使得密度较低的油相更容易被推动，迫使其在流动2.4s后开始慢慢越过水相而形成连续流动层，如图3(c)、3(d)及图4(b)所示.此时油相与水相之间存在剪切作用，在剪切作用下，水相被携带至更高的高度，同时，又要克服自身重力及管壁摩擦力做功.故当水相运行到一定高度时，受剪切力、重力及管壁摩擦力共同作用，达到瞬时动态平衡，不能再继续向前运动，从而形成积水.

油水流动4.8s后，由于油相的剪切作用、水相的重力作用以及管壁的摩擦作用，水相的横截面很小，这使得水相所达到的瞬时动态平衡随时都能被打破，从而导致油水界面失稳，如图3(e)、3(f)及图4(c)~图4(e)所示.油相与水相相互渗入，不断形成油包水和水包油的现象.随着油相对水相的不断冲刷，油水两相界面逐渐变得模糊，流型也由分层流变为分散流，分散的水滴因重力作用往管底回流.

2.2速度与直径一定时的流速分布

图5为流体以1.7m/s的速度，通过内径为600mm管道的过程中，随着时间的推移，油流与积水速度的变化.

从图5(a)~5(c)可以看出，当油品以1.7m/s的速度通过管道时，在弯管处出现了最大速度，随着积水爬坡高度的增加，在油相剪切与重力及管壁摩擦力的共同作用下，水相在管道的底部达到动态平衡而不能继续向前运动，此时便在管道中出现了速度最小的点.

从图5(d)~5(f)可以看出，管道中速度最小的点到达最大高度后，又出现了下降的趋势，这是因为当水滴在油相的携带作用下向上倾管段运动时，速度逐渐减小，携带水滴的能力逐渐减小，水滴由于重力的作用逐渐在管道底部聚集，形成连续的水层，从而产生回流.

2.3 不同管径下不同流速的油水两相变化

图6为流体分别以2m/s、1.7m/s、1.5m/s的速度，通过内径为600mm管道的过程中，6.0s时油水两相的变化.

由图6可以看出，当流体以2m/s的速度通过管径时，管道积水最少，随着流体速度的减小，“推举”水相到一定高度的推力减小，管道积水便逐渐增多.

图5　流体速度变化

图6　直径60mm管道中油水两相变化

图7为流体分别以2m/s、1.7m/s、1.5m/s的速度，通过内径为300mm管道的过程中，6.0s时油水两相的变化.

通过观察对比流体以一定的速度通过不同的管径过程中，油水两相最终的变化，即对比图6(a)与图7(a)可以看出，当流体的速度一定时，管道管径越大，管道积水越多.这是因为管径增大，横截面的面积增大，而油相对水相所施加的推力不变，单位截面上的推力减小，由油相带走的水相减少，故而积水会增多.故对比图6(b)和图7(b)、图6(c)和图7(c)会得到相同的结论.

2.4不同弯度管道下不同密度的油水两相变化

图8是密度分别为730kg/m3、780kg/m3、879kg/m3的油品，以1.7m/s的速度通过内径为600mm、管道弯曲角度为90°的管道的过程中，6.0s时油水两相的变化.

由图8可以看出，流体密度为730kg/m3、780kg/m3时，油相未完全超越水相而形成连续的流动层，油相与水相密度越接近，湍动程度加强，越易形成乳化现象，当油品以879kg/m3的速度通过管径时，管道积水最少，随着流体密度的增大，在界面上油相对水相施加的推力增强，水被“推举”到一定高度的推力增强，管道积水便逐渐减少.

图9是密度分别为730kg/m3、780kg/m3、879kg/m3的油品，以1.7m/s的速度通过直径为600mm、弯度为120°的管道的过程中，6.0s时油水两相的变化.

通过对比图9中的各个模拟图可以发现，随着油品密度的增加，油水两相界面上的剪切力增强，管道中的积水回流现象减弱，管道上倾段的积水长度减短.

图7　直径300mm管道中油水两相变化

图8　90°弯管中油水两相变化

图9　120°弯管中油水两相变化

观察对比流体以一定的密度通过不同的弯度管道过程中，油水两相最终的变化，即对比图8(a)与图9(a)可以看出，当流体的密度一定时，管道角度越大，管道积水越少.这是因为管道角度增大，弯道接近水平管道，油水两相界面上推力不变，由油相带走的水的量稳定不变，积水回流现象减弱，故而积水会逐渐减少.同时，油水两相之间湍动程度减弱，油相与水相相互渗入现象消失，故对比图8(b)和图9(b)、图8(c)和图9(c)会得到相同的结论.

3　结论

1)成品油管道中存在少量水时，油流以一定速度进入管道，与水相之间形成清晰稳定的界面，并不断推动水相向前运动.在油相的携带下，水相沿上倾管段运动，并在某一高度达到瞬时动态平衡，形成积水.积水在油流的不断冲刷下失去平衡，油水界面严重失稳，油水相互渗入，并逐渐在界面处形成油包水及水包油的小液滴.油相本身不具备足够维持水滴存在的湍动能，故水滴在运动过程中会逐渐聚集、沉降，发生回流.

2)在管径一定的情况下，随着流体速度的减小，“推举”水相到一定高度的推力减小，管道积水逐渐增多；在流体速度一定的情况下，随着管道管径的增大，单位面积上“推举”水相到一定高度的推力减小，管道积水会逐渐增多.当管道弯曲角度一定时，随着油品密度的增大，在界面上油相对水相施加的推力增强，管道积水便逐渐减少；在流体密度一定的情况下，随着管道角度增大，油水混合运动平稳，水回流现象减弱，积水会逐渐减少，这为进一步研究积水的排除方法，减少管道内腐蚀提供了依据.

参考文献:

[1]WicksM，FraserJP.Entrainmentofwaterbyflowingoil[J].MaterialsPerformance, 1975(5):9-12.

[2]VedapuriD.Studyonoilwaterflowininclinedpipelines[D].Wilkens:OhioUniversity,1999 .

[3]施丽莲,周泽魁,任沙浦.垂直管道中气液两相流参数的图像检测方法[J].流体机械,2004,32(9):4-9 .

[4]徐广丽,张国忠,刘刚,等. 管道中油携水流动时的水相界面分布模型[J].油气储运,2010,29(11):821-826.

[5]赵仕浩,张国忠,徐广丽,等.基于图像处理的油水两相流含水率计算[J].油气储运,2011,30(5):373-375.

[6]DeWaard,SmithLM,CraigBD.Theinfluenceofcrudeoilsonwelltubingcorrosionrates[C]//Corosion/2003.SanDiego：NACEInternatsonal,2003:254-269.

[7]ScottGM.Astudyoftwo-phaseliquid-liquidflowatvariableinclinations[D].Austin:UniversityofTexas, 1985.

[8]孙伟栋.海底输油管道传热模拟计算[J].大庆石油学院学报，2007(2):188-191.

[9]张宁，吴明，胡志勇，等.管输成品油相似理论的适用范围研究[J].当代化工,2012,31(7):760-762.

[10]许道振,张国忠,赵仕浩.积水在成品油管道中的运动状态[J].油气储运,2012,31(2):131-134.

[11]徐广丽,张国忠,赵仕浩. 管道低洼处积水排除实验[J].油气储运,2011,30(5):369-372.

[12]蒙伟安,穆塔里夫·阿赫迈德,严荣波. 气液两相流泄漏扩散的数值模拟[J]. 应用力学学报,2006,2(23):182-186.

[13]朱红钧,曹妙渝,陈小榆,等.油水两相流管路流动的模拟研究[J].石汕工业计算机应用,2008,60(4):27-29.

[14]于莉娜,郭学涛,孔令富,等.垂直上升管内油气水三相流数值模拟方法研究[J].油气田地面工程,2010,29(3):15-16.

[15]宫莎莎.水平混输管路流型研究[D].青岛:中国石油大学(华东),2009.

(编辑：郝秀清)

Thenumericalsimulationofthewater′smotionstatesinoilpipeline

LITao1,FANJing-wen1，LIANGYun1,LIUYa-jie2

(1.CollegeofElectromechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266061，China;

2.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qindao266580,China)

Abstract:Severe internal corrosion often happens in domestic oil pipeline as a result of residual water. To solve this problem, fluent models were built to simulate flowing states of residual water in low-lying and upward pipeline section. Built on these models, the motional state of residual water was studied, along with its cause of formation and how diameters of the pipe exert an influence on it. The results show that different flow patterns of residual water appear in different pipeline sections, which is different from that of the traditional two-phase flow. In the upward section of the pipe, the residual water can attain to a dynamic equilibrium under the influence of the oil, gravity of itself and friction exerted by the pipe wall, so it is very hard to be drained away. Besides, when increasing flow velocity and decreasing pipe diameter, the amount of residual water increase. The fluid density and pipe bending angle increases, the amount of residual water reduce. Based on these results, further study will be focused on the way to drain off the water to reduce the corrosion of the inner wall of pipeline.

Key words:product oil pipeline; residual water; flow patterns; motion states

中图分类号：U17

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2015)04-0060-06

作者简介：李涛，男，lootoo@126.com

收稿日期：2014-09-29