两相流与泄漏实验装置的教学实验设计

胡其会，王冬旭，李玉星，王武昌，刘翠伟

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

我国油气长输管线建设飞速发展，大量油气管道已建成并投产[1]。随着管线投产年限的增加，因管线腐蚀及人为事故造成的泄漏事故逐年增多[2-3]。一旦管道发生泄漏，轻则影响生产，重则着火爆炸，造成严重经济损失和人员伤亡[4-5]。

为适应国家管道发展战略，我校油气储运工程专业分别于上世纪90年代末就开设了输油管道设计与管理和输气管道设计与管理2门专业基础课，目前已有4 000余名学生学习了此2门课程。储运工程系实验室已建设有气液两相流试验环道，然而其功能仅限于水平或小起伏管路流型观测、运行参数分析，对于起伏管路流型变化、气液两相流动引发管道振动以及不同复杂地理环境下的管道泄漏扩散方面的实验教学实施较为困难，尚未配备有效的实验设备。

与此同时，我校油气储运工程专业认证工作已经启动，为配合专业认证要求，着力提升学生的工程实践能力和创新能力，拓展学生在油气管线泄漏过程与影响方面的知识储备，同时为国家培养油气管道安全运行及泄漏检测技术方面的人才，在气液两相流实验环道基础上，设计了涵盖大起伏管段、地下以及水下等多场景的油气管道泄漏实验装置和相关实验教学项目。

1 两相流与泄漏实验装置工艺流程

两相流与泄漏实验装置主要由水下泄漏模块、地下泄漏模块、高压气体泄漏环道和气液两相流环道组成。该装置可模拟输气管线在水下、土壤环境中的泄漏过程，也可进行地上高压输气管线泄漏、起伏管路中气液两相泄漏与起伏两相管道振动特性实验。

1.1 实验室布置

动力室布置的两台空压机为整个实验系统提供压缩空气。两台空压机分别为高压小排量和低压大排量两种类型，分别用于输气实验环道和气液两相流实验室环道供气，通过阀门实现高、低压供气管路的切换。动力室阳台布置有两个空气缓冲罐。当进行泄漏水槽、泄漏土槽和高压泄漏环道实验时，通过阀门切换两台缓冲罐，使其分别位于管线进口处与管道末端。当进行气液两相流环道实验时，两个缓冲罐通过阀门切换实现并联，增强稳压功能[6-7]。此时，气液两相流环道中液相由离心泵从泄漏水槽中抽取。实验室泄漏水槽、泄漏土槽共用一条环道，高压气体泄漏环道与气液两相流环道均为独立环道，实验室平面布置见图1。

1.2 主要设备

实验室动力室主要由高、低压空气压缩系统(见图2)，变频泵、气液流量调节计量阀组(见图3)组成，主要设备参数为：①高压空压机，外形尺寸为1.4 m×0.86 m×1.0 m，质量1 000 kg，压力为8 MPa，排气量1 m3/min；②低压空压机，外形尺寸为1.35 m×1.15 m×1.45 m，质量1 050 kg，压力1 MPa，排气量5.8 m3/min；③立式离心泵，扬程8.2 m，流量8 m3/h；④输气管道音波法泄漏检测环道系统，长9.9 m，宽2.1 m，高2.2 m；⑤缓冲罐，2个，容积为0.5 m3，高为2 200 mm，地脚螺栓固定；⑥泄漏水箱，外形尺寸为1.4 m×1.4 m×1.7 m；⑦泄漏土槽，外形尺寸为7.34 m×0.68 m×1.2 m。

图1 实验室平面布置图

图2 高低压空气压缩系统

图3 变频泵及气液流量调节计量阀组

1.3 实验环道

(1)气液两相流环道。气液两相流实验环道总长60 m，管径42 mm，由直管段、水平弯管段、下倾管段、转动立管段组成。该环道可进行不同气液比的气液两相流实验，其中液相循环由离心泵提供动力，气相循环由空气压缩机提供动力。液相和气相分别通过阀组处的流量计计量流量，经环道入口处的气液混合器混合均匀后进入环道流动。实验环道的末端为气液两相流起伏实验管道，由下倾管与转动立管组成，其中下倾与转动立管之间采用金属波纹软管进行连接，可实现α在60°～90°、β在0°～30°内转动，其示意图如图4所示。

P1～P4：压力传感器；CP1～CP4：环形平行电导探针

图4 气液两相流起伏实验装置示意图

起伏管道采用透明有机玻璃管，管道上方布置压力传感器，管道内部装有双平行电导探针，可以进行持液率的数据采集，观测实验环道内包括段塞流在内的典型气液流型及转换规律[8-9]。表面留有泄漏孔口，可以模拟不同孔径的泄漏，实验装置如图5所示。对采集的实验数据运用互相关算法，可以获得泄漏点发生泄漏后，管道内部的流动特性参数(段塞速度、长度、频率)。

图5 气液两相流起伏实验装置图

(2)水下与埋地输气管道泄漏环道。环道总长30 m，最高承压3 MPa，设计运行最高压力1 MPa，管道内径42 mm，管线为不锈钢材质，可模拟油气管道在水下与土壤中的泄漏及扩散。图6、7所示为水下和埋地管道泄漏实验流程示意图和实验装置图，利用空压机与阀组调节管内气体流速、流量，采用环道进、出口缓冲罐稳压。实验时通过改变水箱底部泄漏孔口的直径与水位高度，研究不同泄漏孔径与水深对气体泄漏过程的影响；实验采用高速摄像观察记录泄漏过程，并对图像进行后续处理，以获得泄漏气体在泄漏出口处的速度与截面面积[10]。通过改变土槽内泄漏管段泄漏孔径、管道埋深、泄漏位置等，研究各参数对气体泄漏量的影响，运用压力传感器记录不同泄漏条件下管道压力波动规律[11-15]。

图6 水下与埋地输气管道泄漏实验流程示意图

图7 水下与埋地管道泄漏实验装置图

1.4 实验结果

通过研制的气液两相流与泄漏实验装置可以进行管内不同流型下的压力波动特性实验、管内流动引发立管振动特性实验以及不同场景管道泄漏检测与定位实验，实验功能性较强。图8所示为实验观测到的上倾管段内不同流型的压力波动特性。图9所示为不同流型作用下的管道振动幅度对比，可发现段塞流对管的结构破坏性更强。图10所示为实验环道测量的不同泄漏位置原始信号与小波分析信号的实验泄漏与定位误差对比，可以发现实验室泄漏检测与定位的定位误差在±1%以内，具备很高的可靠性和准确性。

图8 上倾管段内不同流型下的压力波动特性

图9 各流型压力波动幅度与管道振动幅度对比

图10 实验环道不同泄漏位置原始信号与小波信号的实验泄漏定位误差

研制的气液两相流与泄漏实验装置可以进行管内不同流型下的压力波动特性实验、管内流动引发立管振动特性实验以及不同场景管道泄漏检测与定位实验，实验功能性较强，且实验室泄漏检测与定位的定位误差在±1%以内，具备很高的可靠性和准确性。

2 教学实验设计

2.1 装置进行实验教学的可行性分析

该实验装置包含了起伏管道气液两相流动、水下输气管道泄漏、埋地输气管道泄漏、气液两相流起伏管道泄漏多个功能模块，可以同时进行起伏管段两相流实验、不同环境的泄漏实验，也可以进行单独泄漏模块的实验，装置的功能性较强。为保证实验的安全性，实验装置的气原采用氮气，实验过程不涉及易燃易爆气体，且空压机缓冲罐均配有安全阀。实验时，各动力设备能够快速启动，可以满足教学实验对时间的要求。在费用方面，气原采用空气液体为水，实验采用的空压机为变频节能空压机，故实验过程中产生的费用较低。

综上所述，该实验环道系统完整、功能性较强，能够实现多场景、多泄漏口的管道泄漏实验，装置本身又具有快速启动、费用低等特点，具有非常好的教学实验实用性。

2.2 拟开设教学实验项目设计

气液两相流与泄漏实验装置既可进行管内气液两相流特性实验、输气管道在不同介质中的泄漏实验，也可以进行起伏管路中气液两相泄漏实验。通过实验可以全面理解地形起伏对管道气液两相流特性影响以及不同条件下管道泄漏过程与特点，基于我校油气储运工程专业学生培养方案和输油管道设计与管理、输气管道设计与管理两门课程教学大纲的相关要求，可利用本装置设计如下主要教学实验项目：

(1)地形起伏管道气液两相流动特性实验。本装置包括水平管段、起伏管段和立管段，可通过调节实验环道入口气、液管段针型阀，改变环道入口的气、液流量，分别观测水平管、起伏管段以及立管内的气液两相流动形态，并绘制各自流型图；改变流动条件，对不同流型下的管道内的压力波动特性和参数变化规律进行测试与分析。通过实验，可以使学生充分理解不同地形对管道内气液两相流动特性的影响。

(2)立管振动特性实验。海洋立管内的两相流动是海洋油气开发中必须面对的难题，而由于立管内部流动引发的振动问题是造成立管疲劳甚至损伤的主要原因，基于此在气液两相流与泄漏环道实验装置上设计了立管振动特性实验管段。实验装置的立管段底部设置位移传感器，用于捕捉立管在垂直方向上的位移随时间的变化。通过实验，并对振动信号进行时域和频域分析，可得到立管在不同流型下的振动特性和立管内流型与压力信号之间的对应关系，确定引发海洋立管振动的主要因素，为立管设计和安全运行提供参考。

(3)水下输气管线泄漏实验。海洋油气资源开发中，海底管道泄漏是不得不面对的紧迫问题，进行水下输气管道泄漏实验，对于模拟水下输气管道泄漏扩散规律、泄漏量评估和泄漏源确定具有一定的借鉴。进行水下输气管线泄漏实验时，通过空压机调节输气压力，进行不同输气压力下管道在水下泄漏实验；通过调节针型阀开度，分析不同输气流量、泄漏孔径、管线埋深等参数，运用高速摄像系统与浓度检测仪观测记录各参数对泄漏过程的影响。能够直观理解压缩空气是如何从管线中泄漏出来的，同时理解输气管线工艺流程。

(4)水下与埋地输气管线泄漏实验。本装置可以模拟水下、埋地输气管线发生泄漏的过程，有助于学生深入理解输气管线在不同介质中的泄漏过程与特点。可以通过调节输气压力、流量、泄漏孔径、管线埋深等参数，运用高速摄像系统与浓度检测仪观测记录各参数对泄漏过程的影响。能够直观地理解压缩空气是如何从管线中泄漏出来的，同时理解输气管线工艺流程。

(5)声波法测漏实验。运用10 mm、42 mm管径的输气实验环道、声波传感器、数据采集系统进行声波法测漏实验。改变输气压力、流量、管道内径、泄漏孔口直径，用数据采集系统记录不同条件下泄漏声波产生过程及传播规律。通过数据分析来深入了解影响泄漏声波产生与传播的因素，从而系统地学习泄漏声波沿管道传播的规律。

(6)气液混输管道泄漏实验。本实验系统的气液混输管道可以模拟水平与起伏管段的泄漏工况。气液两相流动相比于单相管道，其内部的流动规律更加复杂，管道内部的流型对泄漏过程有着重要影响。实验中可以通过有机玻璃管道观察管道起伏对流型的影响，探究不同流型、不同泄漏位置下管道泄漏的机理，结合数据采集系统进一步分析泄漏发生后对管道沿线压力，持液率的影响，对于增强学生对气液两相管道中的泄漏过程的理解具有非常大的帮助。

3 结 论

本文将研制的气液两相流与泄漏实验装置与本科实验教学相结合，介绍了气液两相流与泄漏实验装置及性能分析，探讨了该装置作为教学实验的可行性，并设计了教学实验内容，主要得到以下结论：

(1)气液两相流与泄漏实验装置的工艺流程、相关设备及功能符合油气储运工程专业本科生培养方案和输气管道设计与管理课程的实验要求。该实验装置性能完善、功能较强，可以满足油气储运专业本科生实验教学的需要。

(2)基于输气管道设计与管理课程的教学目标和教学大纲，设计了起伏管段流型观测实验、立管振动特性实验、输气管线在水下和土壤环境的泄漏实验、气液两相混输泄漏实验等内容，有利于培养学生的实验操作能力和各种环境下的应对能力。

(3)本实验装置将科学研究与本科实验教学相结合，配合我校油气储运工程专业认证工作的逐步推进，将科研实验装置进行功能拓展，设计本科教学实验，是“以学生为中心、以产出为导向”的教育理念的具体体现，有利于使学生在教学过程中了解前沿研究热点和工程实际需求，激发学生的学习兴趣，培养学生解决工程问题的能力。