非金属管道内原油流动静电起电速率实验研究

刘宝峰，吕宇玲，朱国承，池 坤

（1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266580；2.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西西安710000）

油田开发与建设普遍使用钢制管道。但全钢质管道[1]存在如下问题：腐蚀严重、粗糙度大。近年来，因非金属管道[2‐4]具有抗腐蚀能力强、较好的弯曲能力、维护保养简易等优点，受到国内外工程领域的青睐，尤其是热塑性增强复合管材（简称RTP管）是一种耐高压塑料复合管材，在施工过程中具有高强度、连接方便且质量较轻等优点，广泛应用于中、高压力输油气的工程建设中，但是在实际输油生产中，使用非金属管道较金属管道易产生静电积聚，易发生静电事故[5‐14]。

国内外不少学者针对静电起电机理以及影响因素等进行了大量的研究。目前比较认可的起电机理是双电层理论。油品在管道流动过程中和管道内壁相互接触摩擦，靠近管壁的电荷将会被束缚，一般不会随着油品的流动而发生移动，而在油品内部的等量异性电荷伴随着油品在管内流动，形成双电层（见图1）[15]。被束缚在管壁上的电荷称作紧密层，而随油品流动的为扩散层。扩散层的电荷流动便形成冲流电流[8]，紧密层电流称作逸散电流。

图1 双电层结构Fig.1 Electric double layer

影响起电速率大小的因素有油品流速、含水率、温度以及管道内壁粗糙度等，针对其影响因素，早期J.M.Cabaleiro等[16]就起电机理提出了计算冲流电流的方程。J.V.Garcia[17]以燃料油为研究对象，考虑绝缘流体在非金属管道下冲流电流与流速关系，提出了绝缘流体在非金属管流动静电计算模型。王菊芬等[18‐20]考虑流体速度、流体电阻率、管壁粗糙度等因素，建立了以成品油为研究对象，得出了紊流条件下油流带电的计算模型。刘凯等[21]从理论上初步计算了管道中冲流电流的大小，并得出理论模型。田强等[22]研究了油品流速对成品油带电量的影响，并得出冲流电流正比于油品流速的3.23次方。黄永华等[23‐24]通过实验研究得到了绝缘流体起电速率与流体温度、流体黏度、线速度等因素的关联规律。

本文通过搭建油品流动静电测试系统，对影响起电速率大小的因素进行详细的研究，最后根据实验数据提出适用于非金属管道和金属管道的流动静电模型。

1 实验系统及实验装置

1.1 实验流程

实验流程如图2所示。浸入式加热器将油品加热至设定温度，通过搅拌器将油品混合均匀；变频控制器控制螺杆泵转速将油品输送至非金属管道；质量流量计和温度传感器分别显示油品流速和温度；PPR管将逸散罐和测试管（非金属管）绝缘隔离开，其产生的静电可以忽略不计；逸散罐消除初始电荷；微电流计采集以及读取逸散电流，法拉第筒和电荷仪分别采集和读取冲流电流。

1.2 实验主要装置

实验采用NETZSCH NOMO-BY直联型单螺杆泵为油品运行提供动力。JRJ-三项380 V-7 kW/（0.5 m）浸入式电加热器，深入储油罐的深度为0.5 m，使发热部位完全进入介质，对油品的控制温度精度为±1℃。微电流计为GT 8232纳安表，其分表率分别达到0.1 pA和1 pA（10-13A和10-12A），主要用于测量存在于RTP管外表面上的逸散电流。非金属管外壁环形缠绕截面0.15 mm的纯铜线进行逸散电流的采集。法拉第筒负责收集油品内部的冲流电流并将电流传送至6 517 A电荷仪进行读取。

图2 实验流程Fig.2 Experimental system procedure

1.3 实验介质

采用《石油沥青四组分测定法》NB/SH/T 0509-2010对高黏原油的四组分进行了精确的测定，测试结果为：胶质32.38%，沥青质15.76%，饱和分16.23%（干燥状态下的质量分数）。

通过体积比的方法将蒸馏水和原油进行混合配制不同含水率的油品，采用UV‐2600紫外可见分光光度计进行含水率的测试。

选用长度同为6 m，直径为25 mm的不锈钢管、钢丝增强非金属管以及玻璃纤维增强非金属管，其粗糙度及电导率如表1所示。

表1 管材类型及参数Table 1 Pipe type and parameters

2 实验测量及分析

2.1 初始电荷的测试及消除

在油品进入RTP管之前经过泵、弯头以及流量计会产生大量的电荷。在油品流经RTP管实验之前，先进行了初始电荷的测量。测试工况：温度为20℃，油品为含水率6%的原油，油流速为0.1～0.9 m/s。

2.1.1 初始电荷测试 在不加装静电缓和器情况下测试初始电荷（冲流电流）随原油流速的变化情况，结果如图3所示。

图3 冲流电流随流速的变化关系Fig.3 The change of streaming current with velocity

从图3可以看出，冲流电流随流速呈现非线性增大，并在流速为0.3 m/s和0.6 m/s时，斜率突变，说明此时不锈钢管产生的冲流电流突然增大。可以认为冲流电流与流速呈正相关。

为了能显示在测试过程中突然停泵对冲流电流测试的影响，实验选取了三种流速（0.2、0.5、0.7 m/s）状态下冲流电流随时间的变化情况，结果如图4所示。

图4 三种流速下冲流电流随时间的变化关系Fig.4 The change of streaming current with time at three velocity

由图4可知，原油到达设定的流速越大，冲流电流到达稳定所需要的时间越久，但是在稳定后突然停泵，冲流电流直至为零所需要的消失时间基本相同。

2.1.2 初始电荷消除 由于油品经过搅拌器的搅拌、冲击和旋转会产生大量的电荷，所以设计静电缓和器进行初始电荷的消除，结果如图5所示。由图5可以看出，三种不同流速下，在加装静电缓和器以后油品内的冲流电流得到很好的抑制，数值大小可以忽略不计，基本上可以认为油品进入非金属管前带电量为零。

2.2 油品流速对起电速率的影响

2.2.1 冲流电流 油品的流动速度是决定油品在RTP管静电产生速度的关键因素。在其他条件保持不变的情况下，对0.2、0.4、0.8 m/s下的原油的冲流电流大小进行了测试，结果如图6所示。

图5 初始电荷的消除Fig.5 Initial charge elimination

图6 冲流电流随时间的变化关系Fig.6 The change of streaming current with time

采集时间都保持在60 s之内，油品在达到设定流速后冲流电流大小基本上保持不变，且在到达相同流速时产生的冲流电流大小相同。油品流速越大，冲流电流越大，达到稳定所需要的时间越久。

2.2.2 冲流电流和逸散电流对比 冲流电流与逸散电流随流速变化如图7所示。

图7 冲流电流与逸散电流随流速的对比变化Fig.7 Comparison of streaming current and relaxation current at different velocity

从图7可以看出，逸散电流和冲流电流有相同的变化趋势。其电流随着流速逐渐增大，在相同流速下的电荷大小差距越来越大；其曲线斜率几乎呈线性正比关系。在实验过程中，原油流速越大，电荷的波动越大，冲流电流和逸散电流数值差越大。在此需要说明，在这个速度范围内，原油的流动状态为层流，其速度分布较为稳定，静电的产生原理较为简单（原油与RTP管内壁摩擦起电占主要原因）。

2.3 温度对起电速率的影响

三种温度下冲流电流随温度的变化测试结果如图8所示。

图8 不同温度下冲流电流随速度的变化Fig.8 Streaming current changes with the velocity at different temperature

测试结果表明，温度的改变必然会引起原油黏性、介电常数的变化。随着温度的升高，相对介电系数增大，原油的电阻率增大即绝缘性特性更好，静电不易被导走；原油黏度随着温度的升高而逐渐减小，也不利于静电的产生，以上两种因素导致温度的升高，导致油品起电速率减小。

2.4 含水率对起电速率的影响

三种流速下冲流电流与不同含水量的变化曲线如图9所示。

图9 不同流速下冲流电流随含水率的变化Fig.9 The streaming current of different flow rate varies with Moisture content

由图9可以看出，随着油品含水率的升高，冲流电流的曲线有着相同的变化趋势。油品含水率小于60%时，冲流电流随着含水率的升高而逐渐增大，油品含水率超过60%之后，冲流电流与含水率呈相反的趋势。

为了进一步得出不同含水率下油品的冲流电流是如何随着流速变化的，选取了7种不同含水率的油品进行测试，如图10所示。

图10 不同含水率下冲流电流随流速的变化Fig.10 The variation of streaming current with different moisture content and velocity

由图1可知，在一定含水率范围内，随着含水率的升高油品的黏度逐渐增大，导致油品的起电速率变大，油品由于水的加入其电导率也增大，此时油品的黏度起主导作用；当油品的含水率超过60%以后，占主导作用的是油品的电导率。

2.5 不同材质对起电速率的影响

为了验证管线材质不同对起电速率的影响，本文选用直径同为25 mm的钢丝增强非金属管、玻璃纤维增强非金属管以及304不锈钢管，其不同的是非金属管粗糙度Ra=0.67、不锈钢管粗糙度Ra=3.22、流速为0.1～2.1 m/s。

不同材质下冲流电流随流速的变化如图11所示。

图11 不同材质下冲流电流随流速的变化Fig.11 The streaming current of different materials varies with the flow rate

相同粗糙度情况下非金属管产生的冲流电流随流速变化的曲线基本重合，而304不锈钢管产生的冲流电流要明显大于非金属管产生的冲流电流，由此可见粗糙度是影响冲流电流不同的原因。

不同材质下冲流电流与时间流速的变化如图12所示。由图12可以看出，三种不同流速下钢丝增强非金属管和玻璃纤维增强非金属管产生的冲流电流达到设定流速时所用的时间一样，但是不锈钢管产生的冲流电流到达设定流速所需要的时间小且其冲流电流数值大于非金属管产生的冲流电流。当到达稳定流速2 m/s时，三种不同管材产生的冲流电流波动比较大，尤其是不锈钢管。

图12 不同材质下冲流电流与时间流速的变化Fig.12 The law of streaming current and time velocity of different materials

3 模型建立及验证

3.1 模型建立

原油在管内流动时，影响流动电流的因素有：油品流速、含水率、温度、管材内壁粗糙度等，冲流电流大小的计算可以表示为：

其中：ε0为真空介电系数，F/m；εr为油品相对介电系数；U为油品的平均流速，m/s；γ为油品的电导率，s/m；T为油品温度，℃；μ为油品的运动黏度，m2/s；Ra为管内壁的粗糙度，μm；R为管线内半径，m；L为管线的长度，m；Js为单位时间从扩散层单位面积上冲刷下来的电流密度，A/m2；Ja单位时间内向单位面积管壁泄放的电流密度，A/m2。

假设原油是匀速运动，其速度u为单一的常数，单位时间内扩散层单位面积上积累的电量Js也是常数。在单位时间内，向单位面积管壁泄放的电量Ja，则液体在流过dl长管线时，流动电流的增量di为：

根据高斯定理，考虑到l=0，电荷密度ρt=0，将式（2）积分得:

由于Js为单位时间从扩散层单位面积上冲刷下来的电流密度，为未知量，且其和油品的速度、黏度以及管内壁粗糙度有关，所以假设：

其中a、b为常数，那么式（4）就可以表示为：

3.2 模型验证

为了使油品达到最大流速，选用20 mm管径。原油物性参数：温度为20℃；钢丝增强非金属管；原油含水率为6%；电导率为5.9×10-13s/m；相对介电系数为8.85×10-12；Ra=0.67；管线长度为6 m。

在油品流速小于2 m/s时，冲流电流和流速基本上呈正比，当流速超过2 m/s时，冲流电流与流速不再是直线而是呈曲线且斜率逐渐增大。将实验数据代入式（5），可确定参数a为3.23，b为-2，于是冲流电流的计算式为：

图13为理论计算与试验条件下测得油品流速与冲流电流的关系。

图13 油品流速与冲流电流的关系Fig.13 The relationship between flow rate and streaming current

由图13可以看出，理论计算曲线与实验曲线很贴近，冲流电流在数值上随着流速的增大和实际数值相差不大，而且总趋势相同。

4 结 论

本文设计并搭建非金属管道原油静电起电速率测试系统，以原油为实验流体样品并以非金属管道以及金属管道为测试管道，针对油品流动相对速度、温度、含水率、管线材质等对油品的静电起电速率特性进行了测试，根据实验结果得出以下结论：

（1）油品在管内流动产生的冲流电流与油品的流速的3.23次方呈正比关系。不同物性的油品其转折点不同，但总趋势相同。

（2）油品温度与冲流电流呈负相关，温度的升高不利于油品静电的积聚，升高油品温度能有效地抑制起电速率。

（3）不同物性的油品其反向点不同，在反向点之前冲流电流随着油品含水率的升高而逐渐增大，反向点之后呈相反的趋势，但是反向点之后的起电速率要大于反向点之前的起电速率。

（4）其他条件相同，管线内壁粗糙度越大冲流电流的起电速率越大，所以实际生产中选择内壁粗糙度小的废金属管线有利于静电的控制。

（5）本文建立了油品冲流电流模型关联油品流速、含水率、温度、粗糙度等因素。本模型将理论与实验数据相对比，其相对误差不超过10%，且该模型普适性强，对工程实践具有重要的意义。