水預潤濕對液體管道流動阻力特性的影響

齊紅媛 ，梁愛國 ，蔣華義 ，種新民 ，敬加強 ，王玉龍

（1. 西安石油大學 石油工程學院，陜西 西安 710065；2. 西安石油大學 陜西省油氣田特種增產技術重點實驗室，陜西 西安 710065；3. 克拉瑪依紅山油田有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000；4. 新疆油田采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；5. 西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

隨著先進測試手段及分析技術的發展，一些研究結果表明，在某些條件下經典流體力學中所采用的固-液界面無滑移假設并不成立［1-2］，界面滑移有可能出現［3-6］，且滑移邊界條件和液體所流經表面的性質直接相關，流體流過疏水表面時容易發生滑移，壁面處的滑移又可以降低流動阻力［7-12］。本課題組從管材角度開展的實驗證實，對于相同的管輸液體，可通過更換管輸的材質改變潤濕性，進而降低流動阻力［13-15］。但對于已有管道材質，在不改變管輸液體的前提下，如何通過固-液界面潤濕性能的調控對流動阻力進行優化仍然是一個挑戰。許道振等［16］針對含水輸油管道的內腐蝕問題，研究了潤濕歷史在油-水-固三相體系中的作用。研究結果表明，在碳鋼和有機玻璃表面，預潤濕的一相均表現出阻礙另一相潤濕固體表面的傾向。

鑒于此，本工作提出通過管壁預潤濕的方法來調節固-液界面的潤濕性能，進而影響液體流動阻力的思路。以有機玻璃管、304不銹鋼管和26#白油為研究對象，采用接觸角測定儀和管路實驗裝置，分別測量白油在兩種水預潤濕管壁的接觸角及水預潤濕條件下兩種管段內的流量和壓降，通過與未預潤濕時的實驗結果進行對比，探討了水預潤濕歷史對白油流動阻力特性的影響，為輸油管道內流動阻力的減小提供新的研究思路和方法。

1 實驗部分

1.1 實驗液體及管段

實驗液體為陜西富紳工業設備有限公司生產的26#白油，在28 ℃下的密度、表面張力和動力黏度分別為0.885 g/cm3，29.45 mN/m，48.48 mPa·s。預潤濕液體為自來水，在28 ℃下的密度、表面張力和動力黏度分別為0.995 g/cm3，70.13 mN/m，0.91 mPa·s。

實驗管段為304不銹鋼管和有機玻璃管，管徑均為14 mm，管長均為5 m，表面粗糙度分別為3.216 μm 和 0.100 μm。

1.2 水預潤濕管壁接觸角的測量

試件的制備及預處理［17］：由于實驗管段的管徑較小，為了減小管段曲率對接觸角測量結果的影響，使試件表面更接近于平面，選用較大管徑的管子切取試件，每種材質制備4個試件，幾何尺寸約為5 mm×5 mm×3 mm。將所有試件用丙酮、無水乙醇、蒸餾水在超聲波清洗機中超聲處理后烘干，置于干燥皿中備用。

為了模擬測量水預潤濕工況下管材表面的接觸角，在上海中晨數字設備有限公司JC2000D2型接觸角測定儀的基礎上，設計并加工了一個液-液-固接觸角測量池，用于測定油相（26#白油）在水-固界面（水相為自來水）的接觸角，測量池的示意圖見圖1。

圖1 液-液-固接觸角測量池Fig.1 Liquid-liquid-solid contact angle（θ） measurement.

液-液-固接觸角測量池是由5 cm×5 cm×5 cm的玻璃槽和水平托架組成。測量前，先用雙面膠將待測試件粘在水平托架的下表面，置于玻璃槽中，然后向槽中注自來水，使其液面沒過托架上表面。測量時，先用彎頭微量進樣器將10 μL白油油滴注入試件下表面的水中，油滴在水中上浮并附著在試件下表面，待平衡后記錄接觸角圖像，計算白油在水-固界面的接觸角，每種管材重復4次，取平均值。

固-液界面的潤濕性通常用接觸角來衡量。對于水預潤濕工況，當測得的固-液界面的接觸角大于90°時，表明管道表面呈現親水疏油性，水相占主導地位，油相不易潤濕管道表面；反之，管道表面呈現親油疏水性，油相占主導地位，油相容易潤濕管道表面。

1.3 管路實驗裝置及方法

為測試水預潤濕工況下白油在不同管道內的流動阻力，本工作搭建了一套小型循環管路實驗裝置，可拆卸的實驗管段全長5 m，管徑14 mm，其中測試段長度為1 800 mm。為減小入口和出口效應的影響，選取入口段和出口段長度分別為2 100 mm和1 100 mm，除實驗管段外，其余管路均為透明有機玻璃管，實驗裝置示意圖見圖2。

測試方法：按照圖2所示的平臺示意圖，安裝并調試好實驗管路；啟泵，關閉管路中的出口閥門，待自來水完全充滿管道后，關閉流量計上游的進口閥門同時停泵，待30 min后，排空管內自來水；將26#白油注入儲液罐中，再次啟泵，分別調節白油在有機玻璃管和不銹鋼管內的流量，記錄每個流量下的壓降。

圖2 管路實驗裝置示意圖［14］Fig.2 Schematic diagram of pipeline experiment apparatus［14］.

2 結果與討論

2.1 水預潤濕管壁的接觸角

為了對比26#白油在水預潤濕前后兩種管道表面的接觸角，先采用接觸角測定儀測量白油和自來水在兩種未預潤濕管道表面的接觸角，結果見圖3和圖4。在水預潤濕條件下，白油在304不銹鋼管和有機玻璃管表面的接觸角如圖5所示。

2.2 白油在不銹鋼管內的流動

2.2.1 流量與壓降

基于室內管路實驗裝置，測量了白油在水預潤濕304不銹鋼管內流動的流量和壓降，并與未預潤濕時的測量結果進行比較，結果如圖6所示。

圖3 白油在兩種管道表面未預潤濕時的接觸角Fig.3 Contact angles of white oil on two pipe surfaces without water prewetting.

圖4 自來水在兩種管道表面的接觸角Fig.4 Contact angles of tap water on two pipe surfaces.

圖5 白油在兩種管道表面水預潤濕后的接觸角Fig.5 Contact angles of white oil on two pipe surfaces prewetted by water.

通過圖6對比可知，經自來水預潤濕后，相同流量下，白油在304不銹鋼管內的壓降比未預潤濕時的壓降有所降低。當流量較?。?.146 m3/h）時，白油在304不銹鋼管內預潤濕前后的壓降分別為4 821，4 724 Pa，壓降降低了2.01%。當流量較大（0.348 m3/h）時，白油在304不銹鋼管內預潤濕前后的壓降分別為8 799，8 536 Pa，壓降降低了2.99%。造成這種現象的原因可能是，不銹鋼管經過自來水預潤濕后，管道內壁形成了一層薄薄的水膜，阻隔了白油與管壁的接觸，使得輸送同等流量白油的壓降減小。

圖6 白油在水預潤濕304不銹鋼管內的流量與壓降的關系曲線Fig.6 Plot of pressure drop（Δp） of white oil against flow rate（Q）in 304 stainless steel pipe prewetted by water.

2.2.2 雷諾數與摩阻系數

根據白油在水預潤濕304不銹鋼管內流動的流量和壓降，計算了相應雷諾數范圍（65～190）和摩阻系數，并與未預潤濕時的計算結果進行比較，結果如圖7所示。

圖7 白油在水預潤濕304不銹鋼管內的雷諾數與摩阻系數的關系曲線Fig.7 Plot of frictional coefficient（λ） of white oil against Re in 304 stainless steel pipe prewetted by water.

從圖7可看出，當白油在304不銹鋼管內流動的雷諾數相同時，經水預潤濕后，油品實測摩阻系數仍與理論摩阻系數有較大差異。當雷諾數較小時，預潤濕后的摩阻系數實測值大于摩阻系數理論值，呈現增阻現象，這與未預潤濕時的規律一致。但在相同雷諾數下，經水預潤濕后的摩阻系數實測值小于未預潤濕時的摩阻系數實測值。如當雷諾數為65時，水預潤濕后的白油摩阻系數實測值比未預潤濕時減小了2.01%。當雷諾數為164時，白油摩阻系數實測值從未預潤濕時的0.379 78降至預潤濕后的0.368 09，減小了3.08%。造成這種現象的原因可能是，未預潤濕時白油在不銹鋼管表面的接觸角僅有9.20°（見圖3），白油易黏附在不銹鋼管表面，引起流動阻力增大。但經水預潤濕后，白油在不銹鋼管表面的接觸角增大到122°（見圖5），遠大于自來水在不銹鋼管表面的接觸角，白油變得很難潤濕管壁。正是由于水的預潤濕阻隔了管壁與白油之間的接觸，使得不銹鋼管表面由原始的親油表面變成疏油表面，從而使得流動過程中白油的摩阻系數變小。

2.3 白油在有機玻璃管內的流動

2.3.1 流量與壓降

基于室內管路實驗裝置，測量了白油在水預潤濕有機玻璃管內流動的流量和壓降，并與未潤濕時的測量結果進行比較，結果如圖8所示。

圖8 白油在水預潤濕有機玻璃管內的流量與壓降的關系曲線Fig.8 Plot of pressure drop of white oil against flow rate in plexiglass pipe prewetted by water.

與白油在水預潤濕的304不銹鋼管內的流動規律不同的是，白油在有機玻璃管內經水預潤濕后的流量-壓降曲線反而高于未潤濕時。當流量為0.173 m3/h時，白油預潤濕前后的壓降分別為4 652 Pa和5 117 Pa，增大了10%；當流量為0.217 m3/h時，白油的壓降從預潤濕前的5 435 Pa增大到預潤濕后的5 821 Pa。造成這種現象的原因可能是，經水預潤濕后，白油在有機玻璃表面的接觸角僅有69°（見圖5），與未預潤濕時的46.77°（見圖3）相差較小，但未預潤濕時，有機玻璃管壁的水接觸角已達到86.7°（見圖4），自來水不易黏附在管壁上，而是容易從管壁上滑落。因此在白油輸送過程中，經水預潤濕后的有機玻璃管內，白油比自來水更易與管壁黏附，預潤濕的自來水沒有起到阻隔白油和管壁的作用反而造成了白油流動阻力的增大、壓降的增加。

2.3.2 雷諾數與摩阻系數

根據白油在水預潤濕有機玻璃管內流動的流量和壓降，計算了相應雷諾數范圍（58～205）和摩阻系數，并與未預潤濕時的測試結果進行比較，結果如圖9所示。

圖9 白油在水預潤濕有機玻璃管內的雷諾數與摩阻系數的關系曲線Fig.9 Plot of frictional coefficient of white oil against Re in plexiglass pipe prewetted by water.

由圖9可見，白油在有機玻璃管內水預潤濕前后的雷諾數與摩阻系數的關系曲線與其在304不銹鋼管內的不同，在相同雷諾數下，經水預潤濕后的白油摩阻系數反而比未預潤濕時大。當雷諾數為123時，白油在水預潤濕后的有機玻璃管內的摩阻系數實測值比未預潤濕時增大了3.14%。當雷諾數為170時，白油摩阻系數實測值從未預潤濕時的0.326 63增大到預潤濕后的0.340 29，增大了4.18%。

3 結論

1）白油在水預潤濕有機玻璃管和304不銹鋼管表面的接觸角均大于未預潤濕時的接觸角。

2）經水預潤濕后的304不銹鋼管表面由原始的親油表面變成疏油表面，導致相同流量下，白油在管內流動的壓降和摩阻系數均小于未預潤濕時。

3）經水預潤濕后的有機玻璃管內，白油比自來水更易與管壁黏附，造成相同流量下，白油在管內流動的壓降和摩阻系數均大于未預潤濕時。

4）白油在水預潤濕有機玻璃管（雷諾數小于120）和鋼管（雷諾數小于137）內流動的摩阻系數實測值大于摩阻系數理論值，呈現增阻現象。