兩相流與泄漏實驗裝置的教學實驗設計

胡其會，王冬旭，李玉星，王武昌，劉翠偉

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

我國油氣長輸管線建設飛速發展，大量油氣管道已建成并投產[1]。隨著管線投產年限的增加，因管線腐蝕及人為事故造成的泄漏事故逐年增多[2-3]。一旦管道發生泄漏，輕則影響生產，重則著火爆炸，造成嚴重經濟損失和人員傷亡[4-5]。

為適應國家管道發展戰略，我校油氣儲運工程專業分別于上世紀90年代末就開設了輸油管道設計與管理和輸氣管道設計與管理2門專業基礎課，目前已有4 000余名學生學習了此2門課程。儲運工程系實驗室已建設有氣液兩相流試驗環道，然而其功能僅限于水平或小起伏管路流型觀測、運行參數分析，對于起伏管路流型變化、氣液兩相流動引發管道振動以及不同復雜地理環境下的管道泄漏擴散方面的實驗教學實施較為困難，尚未配備有效的實驗設備。

與此同時，我校油氣儲運工程專業認證工作已經啟動，為配合專業認證要求，著力提升學生的工程實踐能力和創新能力，拓展學生在油氣管線泄漏過程與影響方面的知識儲備，同時為國家培養油氣管道安全運行及泄漏檢測技術方面的人才，在氣液兩相流實驗環道基礎上，設計了涵蓋大起伏管段、地下以及水下等多場景的油氣管道泄漏實驗裝置和相關實驗教學項目。

1 兩相流與泄漏實驗裝置工藝流程

兩相流與泄漏實驗裝置主要由水下泄漏模塊、地下泄漏模塊、高壓氣體泄漏環道和氣液兩相流環道組成。該裝置可模擬輸氣管線在水下、土壤環境中的泄漏過程，也可進行地上高壓輸氣管線泄漏、起伏管路中氣液兩相泄漏與起伏兩相管道振動特性實驗。

1.1 實驗室布置

動力室布置的兩臺空壓機為整個實驗系統提供壓縮空氣。兩臺空壓機分別為高壓小排量和低壓大排量兩種類型，分別用于輸氣實驗環道和氣液兩相流實驗室環道供氣，通過閥門實現高、低壓供氣管路的切換。動力室陽臺布置有兩個空氣緩沖罐。當進行泄漏水槽、泄漏土槽和高壓泄漏環道實驗時，通過閥門切換兩臺緩沖罐，使其分別位于管線進口處與管道末端。當進行氣液兩相流環道實驗時，兩個緩沖罐通過閥門切換實現并聯，增強穩壓功能[6-7]。此時，氣液兩相流環道中液相由離心泵從泄漏水槽中抽取。實驗室泄漏水槽、泄漏土槽共用一條環道，高壓氣體泄漏環道與氣液兩相流環道均為獨立環道，實驗室平面布置見圖1。

1.2 主要設備

實驗室動力室主要由高、低壓空氣壓縮系統(見圖2)，變頻泵、氣液流量調節計量閥組(見圖3)組成，主要設備參數為：①高壓空壓機，外形尺寸為1.4 m×0.86 m×1.0 m，質量1 000 kg，壓力為8 MPa，排氣量1 m3/min；②低壓空壓機，外形尺寸為1.35 m×1.15 m×1.45 m，質量1 050 kg，壓力1 MPa，排氣量5.8 m3/min；③立式離心泵，揚程8.2 m，流量8 m3/h；④輸氣管道音波法泄漏檢測環道系統，長9.9 m，寬2.1 m，高2.2 m；⑤緩沖罐，2個，容積為0.5 m3，高為2 200 mm，地腳螺栓固定；⑥泄漏水箱，外形尺寸為1.4 m×1.4 m×1.7 m；⑦泄漏土槽，外形尺寸為7.34 m×0.68 m×1.2 m。

圖1 實驗室平面布置圖

圖2 高低壓空氣壓縮系統

圖3 變頻泵及氣液流量調節計量閥組

1.3 實驗環道

(1)氣液兩相流環道。氣液兩相流實驗環道總長60 m，管徑42 mm，由直管段、水平彎管段、下傾管段、轉動立管段組成。該環道可進行不同氣液比的氣液兩相流實驗，其中液相循環由離心泵提供動力，氣相循環由空氣壓縮機提供動力。液相和氣相分別通過閥組處的流量計計量流量，經環道入口處的氣液混合器混合均勻后進入環道流動。實驗環道的末端為氣液兩相流起伏實驗管道，由下傾管與轉動立管組成，其中下傾與轉動立管之間采用金屬波紋軟管進行連接，可實現α在60°～90°、β在0°～30°內轉動，其示意圖如圖4所示。

P1～P4：壓力傳感器；CP1～CP4：環形平行電導探針

圖4 氣液兩相流起伏實驗裝置示意圖

起伏管道采用透明有機玻璃管，管道上方布置壓力傳感器，管道內部裝有雙平行電導探針，可以進行持液率的數據采集，觀測實驗環道內包括段塞流在內的典型氣液流型及轉換規律[8-9]。表面留有泄漏孔口，可以模擬不同孔徑的泄漏，實驗裝置如圖5所示。對采集的實驗數據運用互相關算法，可以獲得泄漏點發生泄漏后，管道內部的流動特性參數(段塞速度、長度、頻率)。

圖5 氣液兩相流起伏實驗裝置圖

(2)水下與埋地輸氣管道泄漏環道。環道總長30 m，最高承壓3 MPa，設計運行最高壓力1 MPa，管道內徑42 mm，管線為不銹鋼材質，可模擬油氣管道在水下與土壤中的泄漏及擴散。圖6、7所示為水下和埋地管道泄漏實驗流程示意圖和實驗裝置圖，利用空壓機與閥組調節管內氣體流速、流量，采用環道進、出口緩沖罐穩壓。實驗時通過改變水箱底部泄漏孔口的直徑與水位高度，研究不同泄漏孔徑與水深對氣體泄漏過程的影響；實驗采用高速攝像觀察記錄泄漏過程，并對圖像進行后續處理，以獲得泄漏氣體在泄漏出口處的速度與截面面積[10]。通過改變土槽內泄漏管段泄漏孔徑、管道埋深、泄漏位置等，研究各參數對氣體泄漏量的影響，運用壓力傳感器記錄不同泄漏條件下管道壓力波動規律[11-15]。

圖6 水下與埋地輸氣管道泄漏實驗流程示意圖

圖7 水下與埋地管道泄漏實驗裝置圖

1.4 實驗結果

通過研制的氣液兩相流與泄漏實驗裝置可以進行管內不同流型下的壓力波動特性實驗、管內流動引發立管振動特性實驗以及不同場景管道泄漏檢測與定位實驗，實驗功能性較強。圖8所示為實驗觀測到的上傾管段內不同流型的壓力波動特性。圖9所示為不同流型作用下的管道振動幅度對比，可發現段塞流對管的結構破壞性更強。圖10所示為實驗環道測量的不同泄漏位置原始信號與小波分析信號的實驗泄漏與定位誤差對比，可以發現實驗室泄漏檢測與定位的定位誤差在±1%以內，具備很高的可靠性和準確性。

圖8 上傾管段內不同流型下的壓力波動特性

圖9 各流型壓力波動幅度與管道振動幅度對比

圖10 實驗環道不同泄漏位置原始信號與小波信號的實驗泄漏定位誤差

研制的氣液兩相流與泄漏實驗裝置可以進行管內不同流型下的壓力波動特性實驗、管內流動引發立管振動特性實驗以及不同場景管道泄漏檢測與定位實驗，實驗功能性較強，且實驗室泄漏檢測與定位的定位誤差在±1%以內，具備很高的可靠性和準確性。

2 教學實驗設計

2.1 裝置進行實驗教學的可行性分析

該實驗裝置包含了起伏管道氣液兩相流動、水下輸氣管道泄漏、埋地輸氣管道泄漏、氣液兩相流起伏管道泄漏多個功能模塊，可以同時進行起伏管段兩相流實驗、不同環境的泄漏實驗，也可以進行單獨泄漏模塊的實驗，裝置的功能性較強。為保證實驗的安全性，實驗裝置的氣原采用氮氣，實驗過程不涉及易燃易爆氣體，且空壓機緩沖罐均配有安全閥。實驗時，各動力設備能夠快速啟動，可以滿足教學實驗對時間的要求。在費用方面，氣原采用空氣液體為水，實驗采用的空壓機為變頻節能空壓機，故實驗過程中產生的費用較低。

綜上所述，該實驗環道系統完整、功能性較強，能夠實現多場景、多泄漏口的管道泄漏實驗，裝置本身又具有快速啟動、費用低等特點，具有非常好的教學實驗實用性。

2.2 擬開設教學實驗項目設計

氣液兩相流與泄漏實驗裝置既可進行管內氣液兩相流特性實驗、輸氣管道在不同介質中的泄漏實驗，也可以進行起伏管路中氣液兩相泄漏實驗。通過實驗可以全面理解地形起伏對管道氣液兩相流特性影響以及不同條件下管道泄漏過程與特點，基于我校油氣儲運工程專業學生培養方案和輸油管道設計與管理、輸氣管道設計與管理兩門課程教學大綱的相關要求，可利用本裝置設計如下主要教學實驗項目：

(1)地形起伏管道氣液兩相流動特性實驗。本裝置包括水平管段、起伏管段和立管段，可通過調節實驗環道入口氣、液管段針型閥，改變環道入口的氣、液流量，分別觀測水平管、起伏管段以及立管內的氣液兩相流動形態，并繪制各自流型圖；改變流動條件，對不同流型下的管道內的壓力波動特性和參數變化規律進行測試與分析。通過實驗，可以使學生充分理解不同地形對管道內氣液兩相流動特性的影響。

(2)立管振動特性實驗。海洋立管內的兩相流動是海洋油氣開發中必須面對的難題，而由于立管內部流動引發的振動問題是造成立管疲勞甚至損傷的主要原因，基于此在氣液兩相流與泄漏環道實驗裝置上設計了立管振動特性實驗管段。實驗裝置的立管段底部設置位移傳感器，用于捕捉立管在垂直方向上的位移隨時間的變化。通過實驗，并對振動信號進行時域和頻域分析，可得到立管在不同流型下的振動特性和立管內流型與壓力信號之間的對應關系，確定引發海洋立管振動的主要因素，為立管設計和安全運行提供參考。

(3)水下輸氣管線泄漏實驗。海洋油氣資源開發中，海底管道泄漏是不得不面對的緊迫問題，進行水下輸氣管道泄漏實驗，對于模擬水下輸氣管道泄漏擴散規律、泄漏量評估和泄漏源確定具有一定的借鑒。進行水下輸氣管線泄漏實驗時，通過空壓機調節輸氣壓力，進行不同輸氣壓力下管道在水下泄漏實驗；通過調節針型閥開度，分析不同輸氣流量、泄漏孔徑、管線埋深等參數，運用高速攝像系統與濃度檢測儀觀測記錄各參數對泄漏過程的影響。能夠直觀理解壓縮空氣是如何從管線中泄漏出來的，同時理解輸氣管線工藝流程。

(4)水下與埋地輸氣管線泄漏實驗。本裝置可以模擬水下、埋地輸氣管線發生泄漏的過程，有助于學生深入理解輸氣管線在不同介質中的泄漏過程與特點?？梢酝ㄟ^調節輸氣壓力、流量、泄漏孔徑、管線埋深等參數，運用高速攝像系統與濃度檢測儀觀測記錄各參數對泄漏過程的影響。能夠直觀地理解壓縮空氣是如何從管線中泄漏出來的，同時理解輸氣管線工藝流程。

(5)聲波法測漏實驗。運用10 mm、42 mm管徑的輸氣實驗環道、聲波傳感器、數據采集系統進行聲波法測漏實驗。改變輸氣壓力、流量、管道內徑、泄漏孔口直徑，用數據采集系統記錄不同條件下泄漏聲波產生過程及傳播規律。通過數據分析來深入了解影響泄漏聲波產生與傳播的因素，從而系統地學習泄漏聲波沿管道傳播的規律。

(6)氣液混輸管道泄漏實驗。本實驗系統的氣液混輸管道可以模擬水平與起伏管段的泄漏工況。氣液兩相流動相比于單相管道，其內部的流動規律更加復雜，管道內部的流型對泄漏過程有著重要影響。實驗中可以通過有機玻璃管道觀察管道起伏對流型的影響，探究不同流型、不同泄漏位置下管道泄漏的機理，結合數據采集系統進一步分析泄漏發生后對管道沿線壓力，持液率的影響，對于增強學生對氣液兩相管道中的泄漏過程的理解具有非常大的幫助。

3 結 論

本文將研制的氣液兩相流與泄漏實驗裝置與本科實驗教學相結合，介紹了氣液兩相流與泄漏實驗裝置及性能分析，探討了該裝置作為教學實驗的可行性，并設計了教學實驗內容，主要得到以下結論：

(1)氣液兩相流與泄漏實驗裝置的工藝流程、相關設備及功能符合油氣儲運工程專業本科生培養方案和輸氣管道設計與管理課程的實驗要求。該實驗裝置性能完善、功能較強，可以滿足油氣儲運專業本科生實驗教學的需要。

(2)基于輸氣管道設計與管理課程的教學目標和教學大綱，設計了起伏管段流型觀測實驗、立管振動特性實驗、輸氣管線在水下和土壤環境的泄漏實驗、氣液兩相混輸泄漏實驗等內容，有利于培養學生的實驗操作能力和各種環境下的應對能力。

(3)本實驗裝置將科學研究與本科實驗教學相結合，配合我校油氣儲運工程專業認證工作的逐步推進，將科研實驗裝置進行功能拓展，設計本科教學實驗，是“以學生為中心、以產出為導向”的教育理念的具體體現，有利于使學生在教學過程中了解前沿研究熱點和工程實際需求，激發學生的學習興趣，培養學生解決工程問題的能力。