上倾管道油携积水运动研究

张佩颖 张 杰 李 旺 姜海斌 宫 敬

1. 中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室, 北京 102200;2. 中国石油西南管道分公司, 四川 成都 610041

0 前言

输油管道投产油顶水过程中,由于油水密度和黏度差异,上倾管道油品爬坡能力大于水,水回流至低洼处形成积水。现场检测结果证明，管道内确实存在积水[1],积水现象在大落差输油管道中更常见[2],若长期积水,管道会发生腐蚀,尤其在酸性环境下腐蚀更快。

目前，针对油水两相的研究多是流型的划分与判别、压降和反相[3-10]。油携积水过程与传统的油水两相流存在差别,如前者管道入口处仅一油相,而后者入口处为两相。国内外学者采用实验与模拟相结合的方式,已验证油携积水的可行性。徐广丽[11-12]、张鑫[13]、宋晓琴[14]、刘刚[15]、许道振[16-17]、隋冰[18-19]等人做了一些环道实验来分析油携积水过程。Magnini M等人[20]、Irikura M[21]、Pouraria H等人[22-23]利用Openfoam、CFX、Fluent等软件对油携积水过程进行了更细致的模拟计算。然而,目前的研究多是关于携水的临界条件、携水规律等,未有文献针对上倾管道油携积水过程的油水速度分布专门进行建模分析。基于油水分层流理论,本文拟建立油水速度分布模型,分析不同参数对水相回流比例的影响,得出水相临界回流参数,应用于西南成品油管道,以期为上倾管道油携积水过程提供理论支持。

1 模型建立

1.1 油水速度分布模型

为计算上倾管道油携积水过程的油水速度分布,仅考虑油水两相为分层流且油水界面平滑的情况。忽略惯性项,考虑x轴方向速度,即流体沿管道轴向速度,对油水两相分别列一维N-S方程，油携水分层流动情况见图1。

图1 油携水分层流动示意图

油相:

(1)

水相:

(2)

式中:Pox、Pwx分别为管道沿x轴方向油相和水相的压力,Pa; ρo、 ρw分别为油相和水相密度,kg/m3;μo、 μw分别为油相和水相动力黏度,Pa·s;θ为管道上倾角,rad;hw为水相厚度,m;x为x轴方向的距离,m;y为距管道底部的高度,m;D为管道直径,m;g为重力加速度,取9.8 m/s2;uxo、uxw分别为油相和水相在x轴方向的速度,m/s。

设油水压降相等,即:

(3)

式中:c为x轴方向压力梯度,Pa/m。

认为油水界面处速度连续,剪切力大小相等:

uxw|y=hw=uxo|y=hw

(4)

(5)

积分得到油相、水相速度分布为:

(6)

(7)

式中:A1、B1、A2、B2为常数。

考虑壁面“无滑脱”,壁面处边界条件为:

y=D,uxo=0;y=0,uxw=0

(8)

已知进油速度为Uos,得油相平均速度Uo、水相平均速度Uw:

(9)

(10)

式中:Uo为油相平均速度,m/s;Uos为进油速度,m/s;Uw为水相平均速度,m/s。

设y=H处水相速度为零,即:

y=H,uxw=0

(11)

式中:H为水相速度为0的点距管道底部的高度,m。

联立式(1)～(11),利用Python编程解得A1、A2、B1、B2、c、H,作图即可得到油水速度分布曲线。

1.2 水相厚度模型

通常情况下，已知的是水相体积Vw,因此需要由此来推断水相厚度。水相厚度大小主要由毛细管力(表面张力系数σ和接触角α)、重力和界面剪切力共同决定。在静止状态下,作用在水相上的力只有前两项,且被邦德数Bo=ρgR2/σ所限制。

当邦德数远小于1时,毛细管力占主导作用,水相形状接近于一个球冠,水相厚度仅是水相体积和接触角的函数:

(12)

式中:Vw为水相体积,m3;α为接触角,rad。

当邦德数远大于1时,水相变平坦，有学者[24]对此水相厚度进行了研究:

(13)

(14)

式中:lc为毛细管长度,m;σ为表面张力系数,N/m。

这种水相厚度的计算方法未考虑管道形状,因此实际水相厚度的大小比计算值略高些。

2 油水速度分布影响因素分析

进油速度、油品性质、管道上倾角、管径、水相厚度均会影响油水速度分布。本文利用已建的油水速度分布模型,探讨各因素对油水速度分布、水相回流比例的影响。后文提及的两临界值分别表示水相无回流和水相全回流时所分析的影响因素的值。模拟分析的对照组条件见表1。

表1 对照组条件

参数数值参数数值油品运动黏度/(mm2·s-1)4水相厚度/mm10水相运动黏度/(mm2·s-1)1管径/mm50油品密度/(kg·m-3)800进油速度/(m·s-1)0.5水相密度/(kg·m-3)1 000管道上倾角/(°)1

2.1 进油速度

对进油速度分别为0.4、0.5、0.6、0.7 m/s的案例进行分析,结果见图2和表2。

图2 不同进油速度下油水速度分布图

表2 不同进油速度下的水相回流比例

进油速度/(m·s-1)0.40.50.60.7水相回流比例/(%)78.7664.8649.632.78

由图2、表2可知,在管径、管道倾角、油品物性、水相厚度确定的情况下,进油速度越大,水相回流比例越小。由图3可知,进油速度存在两临界值,当进油速度大于0.88 m/s时,水相无回流;速度小于0.23 m/s时,水相全回流。另外,通过对比发现,改变进油速度几乎不改变油相速度最大处位置。

图3 进油速度临界值下油水速度分布图

2.2 油品性质

2.2.1 油品运动黏度

分别对油品运动黏度为3、4、5、6 mm2/s的案例进行分析,结果见图4和表3。

图4 不同油品运动黏度下油水速度分布图

表3 不同油品运动黏度下的水相回流比例

油品运动黏度/(mm2·s-1)3456水相回流比例/(%)77.4764.8655.1747.13

由图4、表3可知,在其余条件不变的情况下,油品运动黏度越大,水相回流比例越小。由图5可知,当油品运动黏度大于13.5 mm2/s时,水相几乎无回流,当油品运动黏度小于1.8 mm2/s时,水相全回流。另外,对比发现,增大油品运动黏度,油相速度最大值减小,且油相速度最大位置向下移。

2.2.2 油品密度

分别对油品密度为700、750、800、850 kg/m3的案例进行分析,结果见图6和表4。

图5 油品黏度临界值下油水速度分布图

图6 不同油品密度下油水速度分布图

表4 不同油品密度下的水相回流比例

油品密度/(kg·m-3)700750800850水相回流比例/(%)91.6781.0964.8634.86

由图6、表4可知,在其余条件不变的情况下,油品密度越大,水相回流比例越小。由图7可知,油品密度小于650 kg/m3时,水相全回流;油品密度大于880 kg/m3时,水相无回流。油品密度与油品黏度对油相最大速度的影响趋势相似。

图7 油品密度临界值下油水速度分布图

2.3 管道上倾角

取管道上倾角分别为0.6°、1°、1.4°、1.8°的案例进行分析,结果见图8和表5。

图8 不同管道上倾角下油水速度分布图

表5 不同管道上倾角下的水相回流比例

管道上倾角/(°)0.611.41.8水相回流比例/(%)7.4864.8684.3594.17

由图8、表5可知,在其余条件不变的情况下,管道上倾角越大,水相回流比例越大。由图9可知,当管道上倾角大于2.2°时,水相全回流;倾角小于0.5°时,管道趋于平坦,水相无回流。增大管道倾角,油相速度最大值增大,且油相速度最大位置向上移动。

图9 管道上倾角临界值下油水速度分布图

2.4 管径

分别对管径为25、50、75、100 mm的案例进行分析,结果见图10和表6。

图10 不同管径下油水速度分布图

表6 不同管径下的水相回流比例

管径/mm255075100水相回流比例/(%)064.8694.53100

由图10和表6可知,在其余条件不变的情况下,管径越大,水相回流比例越大。当管径大于100 mm时,水相全回流;管径小于25 mm时,水相无回流。增大管径,油相速度最大值减小。

2.5 水相厚度

分别对水相厚度为7.5、10、12.5、15 mm的案例进行分析,结果见图11和表7。

图11 不同水相厚度下油水速度分布图

表7 不同水相厚度下的水相回流比例

水相厚度/mm7.51012.515水相回流比例/(%)46.2664.8672.7675.90

由图11、表7可知,在其余条件不变的情况下,水相厚度越大,即积水量越大,水相回流比例越大。并且水相厚度越大,油相速度最大值越大。

3 案例分析

案例一:

采用本文建立的模型对西南成品油管道某U型管段进行分析,管道上倾角约0.57°,管道直径406.4 mm。实验测得所输柴油密度834.7 kg/m3,20 ℃柴油运动黏度4.228 mm2/s。管道积水厚度约6 mm,管道在设计输量410、490、530 m3/h情况下上倾管段油水分布见图12。

案例二:

对西南成品油管道不同上倾管段进行分析,管道上倾角分别为0.57°、0.63°、0.8°,输量按最大设计输量530 m3/h计算,积水厚度约6 mm,上倾管道油水分布见图13。

由图12可知,在不同设计输量下,实际管径较大的管道即使是小倾角、小积水量,油品的携水能力依然很有限;由图13可知,在最大设计输量下,即使水相不多,管道上倾角大于0.8°时水相已全回流。

图12 西南成品油管道不同设计输量下油水速度分布图

图13 西南成品油管道不同上倾角下油水速度分布图

积水长时间滞留于管道低洼处,会造成油水混合物不断增加。如果要缩短积水的排除时间，减少油水混合物长度,可提高油品进油流速以增加携水能力。但管道中油品流速受管道承压能力、站场压力要求等因素影响,油品流速有一定限制,不可无限增加。因此,对于实际管径较大的管道,水相回流现象会更明显。

4 结论

随着管输事业的蓬勃发展,输油管道投产过程中的积水问题得到进一步重视。油流携带低洼处积水是一种减少管存水的可行且经济的方式,有助于减少管道腐蚀、保障管道安全。

基于油水分层流理论,建立了油水速度分布模型,能很好地预测油水两相在上倾管道的速度分布情况。通过对各种影响因素进行分析,发现增大进油速度、增大油品黏度密度、减小管道上倾角、减小管径、减小水相厚度,均有利于减少水相回流比例。同时,各种影响因素均存在临界值,介于临界值之间水相仅部分回流。采用该模型对西南成品油管道某些管段进行分析发现，实际工程管道管径较大,油品输量有限，导致携积水能力也很有限。

由于在建立油水速度模型的过程中做了相应简化,所以计算结果仅适用于油水两相为分层流的情况。然而,在油携积水过程中,针对不同的条件,油水两相的流型不仅是分层流,油水两相间还存在液滴的裹挟,这将减少水相回流量。因此,该模型计算的水相回流比例大于实际情况,但结果有助于理解各因素对油携积水过程的影响。该模型的拓展研究需考虑更为复杂的油水流型,以满足各种实际情况。

另外,以邦德数为约束条件,总结了水相厚度的计算方法，但未考虑管道的实际形状,且不同油品表面张力和接触角也需要实验测量,因此,还应进一步探索更精确的计算方法。