机动输油管线水顶油排空油水两相流动特性研究进展

谭刚 肖栋 李明

摘      要： 水顶油排空是机动管线排空的首选方式，具有工艺简单、速度快、油气损失小、安全性高等优势，但其中涉及复杂的油水两相流。综述了近年来油水两相流相关研究成果，对比了两种主要流型分类方法，讨论了油水两相流压降和持水率与滑移的影响因素，并对今后的发展和下一步的研究方向提出了建议。

关  键  词：机动管线;油水两相流;流型;压降;持水率

中图分类号：TE 832       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）10-2290-07

Abstract： Water instead of oil is the preferred method of mobile pipeline emptying. It has the advantages of simple process， fast speed， small oil and gas loss and high safety， but it involves complex oil-water two-phase flow. In this paper， the relevant research results of oil-water two-phase flow in recent years were summarized， two main flow   pattern classification methods were compared， and the influencing factors of pressure drop， water holdup and slip of oil-water two-phase flow were discussed. Some Suggestions for future development and future research directions were put forward.

Key words： Mobile pipelines; Oil-water flow; Flow pattern; Pressure drop; Water holdup

机动输油管线是由油管、移动式油泵、阀门、计量检测仪器、通信设备等组成的，通过快速接头（承插式或槽头式）连接的装配式系统，如图1所示。作战、军事训练或军事行动时直接铺设于野外地面，具有铺设、撤收迅速的特点。机动管线在完成输油任务撤收、输送过程中较长时间停输以及管线检修时必须将管内油料排出，回收到油罐或运油车。目前机动管线的排空主要采用水顶油排空和气顶油排空。水顶油排空是利用管线系统的输油泵将水注入管内，逐步将管线中的油料顶出管道。与气顶油排空相比，水顶油排空具有可直接利用输油设备、工艺简单、速度快、油气损失小、安全性高等优势，被广泛采用。因此，在气温和水源条件允许的情况下，均优先采用水顶油排空。

目前，机动输油管线水顶油排空时，排空参数的确定，油水混合物的跟踪、测算和切割主要基于成品油管道油-油顺序输送理论。然而，由于油水不相溶的特性导致水顶油排空与成品油的顺序输送具有截然不同的流动特性，基于顺序输送混油模型确定的油水混合量误差较大。2019年在韶关机动管线水顶油排空演训中，依据成品油顺序输送理论确定的排空方案，导致油水混合段长达数十公里，不仅消耗了大量水资源，而且浪费了大量时间，降低了排空效率，增加了管线终端接收、处理油水混合物的难度;同时，在排空作业完成后的管线撤收过程中发现部分管线中还存有较多量的柴油未排尽，极大影响了管线撤收的进度。机动输油管线的机动性是它的重要军事特点之一，战场形势瞬息万变，管线的撤收进度直接影响油料保障效率。水顶油排空时，油水混油界面在管内移动，使管线系统的供能和耗能不断发生变化，系统一直处于非稳态流动，直到油水混合物被完全排出管线，非稳态运行使得管线排空指挥以及工况控制的难度急剧增加。机动输油管线水顶油排空问题的本质是油水两相流。

1  油水两相流研究现状

TRALLERO[1]等通过实验研究了水平管道中油水两相流的流动特性，将流型分为分离流（segregated flow）和分散流（dispersed flow）两大类共6种（ST、ST&MI、Do/w&w、o/w、Dw/o&Do/w、w/o）。FLORES[2]等通过实验研究了倾斜和垂直管道中的油水流动特性，根据连续相的状态，将流型分为以水为主和以油为主两大类。陈杰等 [3]通过实验观察划分了7种不同流型，对流型间的转换作了描述。BRAUNER [4]通过对前人的总结和研究，将流型分为4种基本类型：光滑或波状界面的层状流;一种液体在另一种液体中形成长段或球形的段塞流;一种液体在另一种液体中相对细小的液滴分散的分散流;一种液体形成核心，另一种液体环空流动的环空流。LOVICK[5]等对油水两相流双连续流进行了研究，得到了压力梯度变化规律和流速比变化规律。ABDUVAYT[6]等对水平、丘陵和垂直管道中油水流动进行了实验分析，在水平和丘陵地形流动中观测到3大类12种流型，在垂直管道中观察到两大类6种流型。张丽娜[7]根据流变学特性将油水两相流流型分为牛顿流动流体和非牛顿流动流体两大类，对各流型之间的转变进行了分析，给出了分层流、分散流和环状流的流型稳定性判别式。白云香[8]通过实验测量给出了油水两相流不同流型下的相分布、压力及持水率特征，建立了各种流型的压降模型。ATMACA[9]等通过实验测量了倾斜管道中油水两相流在不同流动条件下的持水率和压力梯度，并与预测模型进行了对比。AMUNDSEN[10]等通过实验给出了油水两相流中压降和相分数分布结果，提出了一个紊流扩散模型。宗艳波[11]对倾斜和水平管道中油水两相流流动特性、持水率等进行了研究，观察给出了两相流流型图，并对分层流和分散流油水分布进行了瞬态数值模拟。VUONG[12]等对高黏度油水的水平和垂直流动进行了实验研究，观察到一种不同于低黏度油水的流型：油在水和油膜中的分散（DO/W&OF），给出了油品黏度对压力梯度、流速与流型的影响。SRIDHAR[13]等对高黏度油/水在倾斜管道中的流动进行了实验研究，发现油的黏度对流型转变的边界没有明显的影响，但管道中压力梯度与流动模式和油的黏度密切相关，同时在重力作用下，持水率随管道倾角增大而增大。AL-WAHAIBI[14]等对不同管径下不同黏度的油/水两相流由分层流向非分层流转变过程进行了实验研究，发现表面张力对流型转换起到关键作用，EO>1（表面张力占主导作用）时出现泡状流（bubbly flow），EO<1时，泡状流消失。吕宇玲[15]对油水两相流中分散流的液滴特性和压降规律进行了研究，提出了最大液滴粒径预测公式。AL-WAHAIBI[16]等对管径25.4 mm和19 mm水平油/水流动进行了对比试验，发现小管径内双连续流和分散流的持续范围较小，相反随着管径减小，分层流和泡状流的范围不断扩大。ISMAIL[17]等通过实验发现黏度对油水两相流中的持水率没有明显影响。ZHAI18等[]研究发现局部流动结构对滑移特性有明显影响。LOH[19]等在1英寸的管道中，对重油、轻油/水的流动及压降特性进行了实验研究，结果表明，轻油的相变早于重油，重油在较高的还原系数下仍倾向于分散在水中，而轻油只有在高混合速度时才形成分散体。HANAFIZADEH[20]等观察到管道倾角对相转变的快慢有积极影响，但准确的转变点仍是各种因数综合决定。PIROOZIAN[21]等对高蜡油水两相流动进行了研究，初步确定了9种流型ST-PE、SW-PE、DC、WDC、WEA-PE、WEA-E、WEA-DC、WFDo/w-TLo和WFDo/w-So，在蜡沉积形成机理、流动特性、流型转变影响因素等方面都与不含蜡油水两相流原有研究结果有较大不同。张亚辉[22]等运用Fluent软件对管径大小对水平圆管油水两相流的影响进行了模拟研究。付田田[23]等对油水两相管流持水率进行了实验研究，建立了管内无滑移持水率计算模型。HAMIDI[24]等对垂直管道油水两相流的流动特性和传热特性进行了研究，发现流型的改变对油水局部传热系数有较大影响，同时两相混合温度又对流型转变有影响。TAN[25]等对比了不同管径不同黏度的油水流动情况，定义了4种基本流型分类，并对影响流型转变的因素进行了研究。YANG[26]等对油水两相垂直向上流动的流动规律进行了研究，讨论了压力和温度对油水两相流型的影响机理。DONG[27]等对水平管道油水两相离散流的速度分布进行了研究，相关数据表明在水平管道中油水两相流的速度分布主要受连续相的影响，并提出了彌散流速度分布的修正Nikuradse方程。

ISMAIL[17]发现压降随流量的增加而增大，随含水率增加而减小，见图9。从层状流向分散流（间歇区）过渡时，压降开始逐渐增大（流量Q>6.08 m3·s-1、含水率fW<0.8）。随着含水率从0.8降低到0.1，流量增加到12.15 m3·s-1，压降有所增加，这一增长是由于在形成油包水乳化过程中水在油中的分散和水相连续性的损失。在fW=0.9、Q=0.8 m3·s-1时，压降略微有所下降，这是由于连续的水相流动完全湿润了管壁，从而降低了阻力，进而降低了压降，这与TRALLERO[1]的结论相似。

2.3  持水率与滑移

在特定长度内，水在总混合液体中的原位体积分数通常被称为持水率HW。ISMAIL[17]研究发现持水率随含水率的增加而增加，见图10。黏度对持水率的影响不明显，对于分层流动，发现滑移效应是显著的，因为油的密度比水小，因此在水平条件下它的移动速度比水快，但在离散流中，滑移不显著。QIN[29]也通过实验验证了这一点，他发现油相和水相的滑移现象与流量和输入的含水率密切相关，较低的流速会产生更严重的滑移。ABDUVAYT[6]通过实验发现小的水平倾角对持水率有较大影响，尤其在低含水区域，对于上升段，倾角越大，HW越大，相反HW随向下截面倾角的增加而减小。M. Vielma[28]认为持水率与油水表面速度也有密切关系，HW随VSW的增大而增大，随VSO的增大而减小，见图11。

持水比是持水率hW与无滑移持水率CW（VSW与VM的比值）的比值，VIELMA[28]研究发现在极低的水表面速度和相应的较低和中等的油表面速度下，水在管道底部以薄层的形式流动，由于管壁的阻力，水的表面流速小于混合流速，导致持水比CW/HW小于1.0。随着水的表面流速的增加，由于水相的低黏度，水层变厚，流动速度加快，持水比往往会从小于1.0的值增加到大于1.0的值。在水的表面速度很高时，油以液滴的形式分散在水中，油和水几乎以同样的速度流动，因此持水比CW/HW接近1.0，见图12。

这也验证了TRALLERO[1]的观点，他认为在分层流区域滑移是明显的，持水比从小于1逐渐增大，对于VSW≤0.6 m·s-1、0.01 m·s-1≤VSO≤0.1 m·s-1，持水比达到最大值约1.4，随着流动向Do/w&w转变，持水比逐渐降低，对于分散流，随着VM的增大，两相的速度差逐渐减小。

3  结 论

本文综述了近年来国内外关于油水两相流的相关文献资料，对相关流动特性进行了讨论：

1）对比了两种主流的两相流流型分类方法：一种为分离流和分散流，包括分层流 （ST）、界面混合分层流（ST&MI）、油水弥散流（Do/w&w）、水包油分散流（o/w）、油包水分散流（w/o）和双分散流动（Dw/o&Do/w）;一种为分层流、间歇流、环状流和离散流，包括光滑分层流 （SS）、波浪分层流 （SW）、界面混合分层流 （ST &MI）、气泡流（Bo）、段塞流（SLo）、塞状流（PLo）、半环状流（SemiAnw）、环空流（Anw）、水包油分散流（Do/w）和油包水分散流  （Dw/o）。

2）对油水两相流管道内压降进行了讨论。压降受油水表面流速、流型、含水率等多种因素影响，在流动过程中随着流动条件改变而改变。在低流速分层流区域以及以水为主的流型区域内，由于流速较低，流动阻力较小，压降变化不明显。随着流速逐渐加大，流型逐渐向分散流转变，不断有液滴产生，导致混合黏度和摩擦压力梯度改变，压降变大。当流速足够大，流型不再改变时，压降又重新趋于稳定。

3）对油水两相流持水率与滑移进行了讨论。持水率受含水率和管道倾角影响较大，在分层流区域，滑移现象非常明显，持水比由小于1逐渐增大至1.4左右，随着流速不断增大，进入分散流后，油水两相表面流速差距减小，持水比逐渐趋于1。

随着能源化工产业的不断进步，油水两相流研究越来越被重视，取得了一系列研究成果。在实际应用中，大管径、大流速的两相流或多相流是今后的发展趋势，但相关研究目前仍进行较少。对比石油开采、顺序输送和水顶排空中的油水两相流流动特性，不难发现它们之间存在许多不同之处，但目前大部分研究仍把这些情况统一对待，急需进一步开展针对性的两相流研究。

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