利用電阻探針測試輸油管道中油品攜水能力實驗

許道振 張勁軍 王 彬 張國忠 代玉杰

1中國石油規劃總院2中國石油大學（北京）3中國石油大學（華東）

利用電阻探針測試輸油管道中油品攜水能力實驗

許道振1；2 張勁軍2 王 彬1 張國忠3 代玉杰1

1中國石油規劃總院2中國石油大學（北京）3中國石油大學（華東）

利用自主開發的環形裝置，模擬了積水在輸油管道中的運動情況，并根據油水電導率不同的原理，利用電阻探針檢測到了壁面處三種可能的潤濕情況，確定了在不同含水率下，管壁處為恒定油相潤濕的臨界流速。通過三種具有特殊物性的油品研究油品黏度及密度對油品攜水能力的影響，發現具有較高黏度以及較大密度的油品具有較強的攜水能力，相同工況下能夠減少管道中積水及管道腐蝕的可能。將實驗結果與液滴穩定模型預測進行對比，發現在含水率較低時，實驗數據和模型預測吻合較好；含水率較高時，實驗數據和模型預測出現了偏差。

輸油管道；環形裝置；電阻探針；油品攜水；臨界流速；油品物性

在石油、化工等行業中，油水兩相在管道中同時輸送的現象非常普遍。由于存在密度差，水相在管道底部聚集形成自由水層，自由水層的存在為腐蝕提供了環境，加速了管道內壁腐蝕速率。管道的腐蝕不僅增加了維護成本，還會造成管道停輸引起的間接損失。如果運行工況下，水相全部以液滴的形式分散在油相中，管道內壁全部被油相潤濕，則可降低管道內壁的腐蝕速率。

本文的主要目的是研究不同工況下，水相全部進入油相，管道內壁被保護的臨界狀態以及油品物性對油品攜水能力的影響。

1 實驗裝置與測試方法

實驗設備為自主開發的環形實驗裝置[1]，流動區域為柱形外壁、內壁，頂蓋以及底蓋圍成的環形裝置。為方便觀察流型，其中圓柱形內壁、外壁以及頂蓋由有機玻璃構成。整個裝置通過調節連接在頂蓋上的馬達驅動的轉速來調節環形區域內流體的流速。

實驗中主要應用自主開發的齊平管道內壁式電阻探針來檢測壁面處的潤濕情況。電阻探針的工作原理利用了油水兩相電導率的不同。電阻探針外壁為金屬導電空心圓柱，中心為導線，外壁與導線之間用環氧樹脂填充進行絕緣。在探針外壁與中心導線之間施加一個5V的工作電壓。當水相潤濕管壁時，探針外壁與中心導線被水滴導通，則探針外壁與中心導線之間的電壓降為零；而當油相潤濕管壁時，探針外壁與中心導線之間絕緣，則兩者之間的電壓為工作電壓5V。將探針外壁與中心導線之間的電壓和參比電壓（3V）進行對比，將采集到的二進制信號0和1輸入到采集程序中，通過圖形顯示的方法，用紅藍兩種顏色分別表示管壁被油相和水相潤濕。在壁面上均勻分布著5×14共70個探針，可以檢測整個壁面的潤濕情況。實驗利用皮托管來測量液體的流速。

2 實驗方案和步驟

2.1 方案

為了研究油品黏度和密度等物性對于油品攜水能力的影響，分別用三種油品進行實驗測試。通過表1可以發現，在這三種油品中，LVT—200和Aromatic—200具有相似的黏度，密度不同；LVT—200和Isopar—V具有相似的密度，黏度相差較大；并且Aromatic—200和水的密度差很小。這三種油品的特殊物性，為研究黏度以及密度對油品攜水能力的影響提供了幫助。為了提高電阻探針的靈敏度，水相中加入了1%的NaCl作為實驗介質。

表1 樣品物性參數

對于每一種油品，分別在5%、10%、15%以及20%四種含水率工況下進行測試，流體的速度范圍為0.3～1.7m/s。

2.2 實驗步驟

為了保證實驗結果的準確性以及每次實驗具有相同的初始狀態，采取以下實驗步驟：

（1）每次實驗前用砂紙對電阻探針進行打磨，除去表面的氧化層，保證電阻探針有良好的導電性，然后對電阻探針進行測試。當電阻探針全部顯示為未導通，進行下一步。

（2）按照實驗方案設定的含水率，將油、水依次注入到環形空間內，待油水分層穩定后，對探針進行測試。當電阻探針全部顯示為導通后，進行下一步。

（3）調節電動機轉速，待穩定后首先對電阻探針進行10次數據采集，電阻探針數據穩定后對皮托管進行5次數據采集。

（4）排除裝置中的油水，并對實驗裝置進行清洗。

（5）重復以上前三個步驟，在不同油品、不同流速、不同含水率下進行實驗。

實驗結果與后面的模型預測一并給出并對比分析。

本文采用Hinze、Brauner提出和改進的液滴穩定理論進行模型驗證，計算過程可參考文獻[2]和文獻[3]。

3 結果與討論

3.1 實驗現象

通過分析采集到的壁面潤濕圖，可以將壁面的潤濕情況分為三大類：①恒定水相潤濕，所有探針均顯示被水相潤濕，并且均保持恒定；②油水間歇性潤濕，部分探針顯示被水相潤濕，并且隨著時間的延長，部分探針顯示壁面在油相潤濕和水相潤濕之間轉換；③恒定油相潤濕，所有探針均顯示被油相潤濕，并且均保持恒定。

初始時刻，由于重力的作用，水相分布在裝置的底部，壁面全部為水相潤濕。隨著流速的增加，部分油滴會接觸到管壁底部，壁面的潤濕情況由恒定水相潤濕變為間歇性水相潤濕，但是由于流速較低，系統內的湍動能不足以維持液滴的穩定，部分水滴在重力的作用下重新沉降至壁面處潤濕壁，從而使得部分探針在水相潤濕和油相潤濕之間頻繁轉換。隨著流速的進一步增加，越來越多的探針在油相潤濕和水相潤濕之間轉換，并且轉換頻率逐漸降低，油相潤濕的時間逐漸增長。當流速達到臨界點后，所有的探針均顯示為油相潤濕，并且不再表現出在油相潤濕和水相潤濕轉換的現象。在實際生產過程中，如果管道能夠在臨界流速之上運行，能夠極大地減少管道的內腐蝕速率。

3.2 數據分析

圖1為三種油品的測試結果，可以發現：對于同一種油品，隨著水相持液率的增加，流型轉換的臨界流速也逐漸增大。當水相持液率從5%增加到20%，油品介質為LVT—200時的臨界轉換流速從1.2m/s提高到1.6m/s，另外兩種油品表現出相同的趨勢；油品介質為Isopar—V時，水相持液率從5%增大到15%時，臨界轉換流速由0.9m/s增大到1.2m/s；油品介質為Aromatic—200，水相持液率從10%增大到20%時，臨界轉換流速由0.5m/s增大到0.8m/s。由于Isopar—V油品黏度高，流動時能量耗散較大，受到電動機功率的限制，當水相持液率為20%時，并沒有觀察到油潤濕的情況。由于在Aromatic—200介質環境中壁面表現出完全的憎水性，當水相持液率為5%時，在測量范圍內僅觀察到了油相潤濕一種情況。

圖2為三種油品流型轉換線對比圖。Isopar—V和LVT—200兩種油品密度相近，Isopar—V的黏度為LVT—200黏度的5.8倍，從圖2可以看出油品為sopar—V時的臨界轉換流速要遠小于油品為LVT—200時的臨界轉換速度，即黏度較大的油品具有更好的攜水能力。

圖1 管壁潤濕圖

圖2 三種油品轉換線對比

LVT—200和Aromatic—200兩種油品黏度相近，Aromatic—200的密度大于LVT—200，從圖2可以看出油品為Aromatic—200時的臨界轉換流速要遠小于油品為LVT—200時的臨界轉換速度，即密度較大的油品具有更好的攜水能力。

由于Aromatic—200的密度和水較為接近，即當水相的持液率為20%時，流速達到0.8m/s時，壁面潤濕已經轉化為油相潤濕。在該實驗條件下，密度對于油品攜水能力的影響大于黏度。

3.3 模型對比

對比實驗測得轉換線和模型預測值，可以發現：當水相持液率較低時，LVT—200和Aromatic—200兩種油品的實驗測得值與模型的預測值吻合得比較好，Brauner的模型可以較好地預測在液滴濃度較低時的流型轉換條件；當液滴濃度較高時，對于LVT—200和Isopar—V這兩種密度較小的油品，預測值要高于實測值。Angeli[4]和Simmons[5]也發現，在液滴濃度較高時，模型并不能給出較準確的預測值。對于密度較大的Aromatic—200，預測值低于實測值，這是由于雖然油品密度的增大，增加了水滴受到的浮力，但是Aromatic—200的密度和水的密度差極小，油水兩相的運動趨于相同，在湍流作用下部分水相會運移到管壁，相比于預測值，需要更高的流速使得水相分布在管道的中心部分。

4 結論

利用自主開發的環形裝置及壁面齊平式電阻探針對油品攜水能力進行了研究，通過對三種具有特殊性質的油品實驗測試，分析了油品黏度、密度對攜水能力的影響。

（1）隨著水相持液率的增加，水相完全分散在油相中的臨界速度增加。

（2）油品黏度和密度的增加均會提高油相的攜水能力，即在同樣的水相持液率下，油品黏度和密度的增加能夠減小油品攜水的臨界速度。

（3）在水相持液率較低時，實驗結果與模型預測值吻合較好；水相持液率較高時，仍需對模型進行改進。

[1]ChongLi．Effectofcorrosioninhibitoronwaterwettingandcarbon dioxidecorrosioninoil-watertwo-phaseflow[D]．OhioUniversity，2009：6-7．

[2]Hinze．Fundamentalsofthehydrodynamicmechanismofsplittingin dispersionprocesses[J]．AIChEJournal，1955，1（3）：289-295.

[3]BraunerN．Thepredictionofdispersedflowsboundariesinliquidliquidandgas-liquidsystems[J]．InternationalJournalofMultiphase Flow，2001,27（5）：885-910.

[4]AngeliP,HewittGF．Dropsizedistributionsinhorizontaloilwaterdispersedflows[J].ChemicalEngineeringScience，2000，55（16）：3133-3143.

[5]SimmonsMJ.Dropsizedistributionsindispersedliquid-liquid pipeflow[J]．InternationalJournalofMultiphaseFlow，2001，27（5）：843-859.

(010)82383369，daozhenxu@petrochina.com.cn

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.008

許道振：工程師，2013年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運專業，目前在中國石油規劃總院主要從事輸油、輸氣管道方面的工作。