RTP非金屬管道沿程水力摩阻計算研究

李曉偉 霍富永 朱國承 矯捷 何利民

1中國石油大學(華東)

2西安長慶科技工程有限責任公司

全鋼質管道強度高、可焊性好、易于連接,在油氣運輸過程中應用普遍.國內鋼質管道集輸油工藝計算軟件和方法已經成熟,但實際應用過程中由于原油中溶解的酸性物質,會帶來管道嚴重腐蝕[1].石油開采后期,水驅、聚合物驅導致原油含水率高、pH值低,由此帶來的管道腐蝕嚴重.塔里木油田北部地區更換的鋼制管道,部分管段不到一年就已腐蝕穿孔[2].非金屬管道使用壽命長,耐腐蝕,保溫效果好,結垢少,成本低(使用壽命30年以上),目前已在很多油田設計使用[3~5].

RTP管是一種高壓塑料復合管材,由三層結構組成(圖1),具有強度高、施工和連接方便、質量輕且無需防腐等優點,可用于中等管徑和中、高壓力油氣輸送管道工程.RTP管道于1995年6月第一次在英國投入使用,試運行后,Shell公司于1996年底在阿曼油田輸油管線上正式使用內徑150mm、長7 km的RTP管道.之后巴西石油公司、法國天燃氣公司以及一些RTP制造商等多家單位發起了JIP聯合工程項目,于2006年制定公布了RTP產品的國際標準,將RTP管全面推廣應用于陸上油氣開發、燃氣輸送及海上油氣開發等領域[6].

圖1 RTP管常見結構Fig.1 Common structure of RTP

1 RTP管道摩阻計算現狀

非金屬管道與鋼質管道有質的區別.非金屬管道的粗糙度遠遠小于金屬管道(表1),一般為金屬管道的10%~80%.

表1 常見管材內表面絕對粗糙度Tab.1 Absolute roughness of internal surface for common tubes mm

粗糙度低會帶來管道運營過程中摩阻系數低,減少輸送過程中泵提供的動力.同時,RTP管道與流動介質的接觸特性也會影響摩阻的計算.粗糙度、接觸特性帶來的摩阻變化,需要進行特定理論分析或者由實驗進行分析論證.

我國已于2010年確定了《非金屬管道設計、施工及驗收規范》[7-10].規范分為四部分:高壓玻璃纖維管管線、鋼骨架聚乙烯塑料復合管、塑料合金防腐蝕復合管、鋼骨架增強塑料復合管.規范中建議供水管道壓降參考式(1)計算

式中:i為水力沿程水力損失;Q為管道內流體流量,m3/s;d為管道內徑,m.

然而,此公式未能體現出RTP管道由于粗糙度降低帶來的沿途壓降減小,同時其準確性并未進一步論證.

在工程上,計算水力壓降多采用達西(Darcy)公式[11],認為粗糙度影響摩阻系數λ

式中:h為水力壓降,m;λ為水力摩阻系數;L為管道水力計算長度,m;D為管道內徑,m;v為管道內流體流速,m/s;g為當地重力加速度,m/s2.

在管道設計輸量下,采用金屬管道時,通常設計管內原油流動處于水力光滑區.當同一流量下,替換為同一管徑的非金屬管道時,管道粗糙度降低,但是水力光滑區的分界并不會隨粗糙度減小而發生變化,摩阻計算公式仍應采用水力光滑區計算公式.

目前針對非金屬管道的摩阻研究只有定性描述,從粗糙度低的角度結合莫迪(Moody)圖(圖2)說明非金屬管道摩阻系數低.工業計算中,對非金屬管道進行水力計算過程缺乏統一、準確的經驗公式.如果流動處于水力光滑區,借鑒目前已有的水力光滑區摩阻計算的兩個經典公式:波拉修斯(Blasius)公式(應用于4000

式中:Re為描述慣性力與黏性力之比的無量綱參數,在管流中反應流體流動與黏性力帶來液體與管道之間的剪切力;λ為水力摩阻系數.

圖2 莫迪(Moody)圖Fig.2 Moody diagram

如果采用波拉修斯公式或普朗特-卡門公式求解水力光滑區的摩阻因子,可以看出摩阻因子不受粗糙度的影響.2010年規范中的公式實質上是達西公式和波拉修斯公式的結合,也無法描述非合金管道粗糙度帶來的摩阻系數減小.從莫迪圖(圖2)可以看出,處于水力光滑區的摩阻系數接近,但是依舊存在差異.

因此,從理論上提出適用于RTP管道的更為準確的半理論公式,更準確地計算沿程壓降,為工程提供更為準確的非金屬管道沿途壓降計算準則,成為RTP管道內流體流動特性的研究重點.

2 RPT管道摩阻計算模型的建立

為進一步確定RTP管道摩阻特性,嘗試從理論方面建模,以波拉修斯公式為基礎,分析無量綱摩阻修正量,采用實驗結果,提供不同油品在RTP管道中流動過程摩阻修正參數,完善RTP管道摩阻計算模型[12-13].

波拉修斯公式考慮到建模過程中包含低粗糙度帶來的影響,而未考慮介質與管道壁面接觸特性導致速度滑移帶來的摩阻變化,因此在后續建模過程中考慮滑移因素帶來的影響.流體流動過程中的速度滑移如圖3所示.

圖3 層流時流體與邊界滑移示意圖Fig.3 Sketch diagram of slippage between liquid and boundary in laminar flow

因此,建模過程中增加對滑移速度的描述,對流動過程中的摩阻進行建模.摩阻建模過程,以波拉修斯公式為基礎,增加相對滑移速度u0的影響.

在管道壁面性質一定條件下,滑移速度與管道內流體速度和速度梯度有關,引入滑移速度計算公式u0=u0( R e).滑移速度中的雷諾數( R e)采用流體截面平均速度進行計算

式中:uˉ為管道內流體平均速度,m/s;D為管道水力直徑,m;ν為流體黏度,m2/s.

由于考慮滑移帶來的影響,使用流體平均截面速度與流體邊界滑移速度的差值替代無滑移時的速度進行求解.首先求得流體與流體邊界相對速度uc

式中:uc為管道內流體與流體邊界的相對速度,m/s;uˉ為管道內流體平均速度,m/s;u0為流體邊界與管道壁面之間的相對滑移速度,m/s.

計算過程的雷諾數也以相對速度為基礎

式中Rec為使用管道內流體與流體邊界的相對速度uc計算得到的雷諾數.

摩阻系數的形式參考波拉修斯公式基本形式

式中λc為以相對滑移速度雷諾數計算得到的水力摩阻系數.

2)水分管理。機插后淺水護苗，活棵后露田2～3天，以后淺水勤灌，當總苗數達到預定苗數80%時開始曬田，達到田中不陷腳，葉色褪淡，葉片挺起為止。曬田復水后，保持干濕交替，在孕穗及抽穗揚花期保持淺水層，收割前5～7天斷水。

進而以滑移速度為基礎,采用達西公式計算水力壓降hc

式中:hc為水力壓降,m;L為管道水力計算長度,m.

通過上述體系,可以完成存在滑移時水力摩阻的計算.但是對于滑移速度u0,并未找到合適的關系描述,使此模型封閉.為進一步了解流體在RTP管道流動過程中,由于表面性質可能會產生一定的速度滑移現象而對摩阻存在影響,嘗試通過實驗數據確定合理的計算滑移速度的關系式.

3 RPT管道摩阻實驗

為進一步確定不同油品在不同非金屬管道內流動的摩阻性質,在室內搭建圖4所示實驗管路,對流動過程沿程摩阻計算公式進行優化.測試管道長9 m,管道外套有絕熱層,盡可能保證流體流動過程中溫度變化在可接受范圍內.

圖4 實驗管路示意圖Fig.4 Sketch diagram of experimental flow line

實驗過程采用水、黃島原油為實驗介質,使用德國Anton Paar旋轉黏度計對介質黏度進行測量,使用SY-05型石油密度計對介質密度進行測量.

測試管道選取3種非金屬管道,管道材質型號分別為4731B、3711、100S.這3種材質有不同特點,其中4731B為進口PERTO材料,具有較好的耐熱性;3711為國產PE第一代材料;100S是國產PE1.5代,PE中加入了改性劑,耐溫性較好.實驗前,使用水和黃島原油對流體在實驗管道內表面的附著性進行測試,得到金屬管道內表面具有親水疏油性,3種非金屬管道內表面均具有親油疏水性.

在實驗過程中,調整儲液罐內的加熱絲,水為工作介質時,保證儲液罐內溫度恒定于20℃±0.1℃;黃島原油為介質時,保證儲液罐內溫度恒定于17℃±0.1℃.通過設備測量黏度-溫度曲線、密度-溫度曲線,分析合理性后,確定流動設計工況的工作點的密度和黏度.實驗當地重力加速度為9.807 m/s2.

首先以水為介質進行實驗.實驗過程保證儲液罐溫度穩定在設計溫度,流動穩定后測得壓降.為分析非金屬管道管徑對摩阻的影響,以100S材質為基礎,管徑分別為DN20mm、DN25mm、DN40mm進行實驗.通過達西公式和波拉修斯公式反算速度滑移量,得到滑移速度與雷諾數擬合關系,如圖5所示.

圖5 不同管徑下滑移速度與雷諾數關系(水為工作介質)Fig.5 Relation between slip velocity and Re number for different pipeline Relation between diameter(flow medium:water)

管徑為DN40 mm時

管徑為DN25 mm時

管徑為DN20 mm時

由于實驗過程中采用的管徑數據有限,難以確定u0與Re之間的系數在不同管徑中的計算方法.

u0與Re之間呈線性關系的原因,一定程度上是由于在管道穩定流動水力摩阻計算過程中,雷諾數表現為慣性力與黏性力無量綱比、與流動速度呈線性相關;而滑移速度一定程度上與管道邊緣速度梯度線性相關.在管道一維層流流動中,可以認為,.結合管道內徑給定,可以得到u0與uˉ線性相關,進而得到u0與Re線性相關.然而實際過程中,由于流動并非一定處于層流區,u0與Re線性關系需要進一步論證.

為探究不同材質的RTP管道對管道內流動摩阻的影響,采用管徑為DN25 mm的4371B、100S、3711共3種材質的管道進行實驗.由于不同材質的RTP管道表面性質差異,管道內流動過程中不同的滑移效果會帶來不同的摩阻因子.類似之前處理,倒推得到滑移速度,如圖6所示.

圖6 不同材質下滑移速度與雷諾數關系(水為工作介質)Fig.6 Relation between slip velocity and Re number for different material(flow medium:water)

通過對比可以發現,同一管徑、不同雷諾數條件下,由于管道內表面性質存在差異,會存在不同的計算滑移速度.通過數據可以看出,不同RTP管道材質可能會導致不同的滑移速度.因此,在使用RTP管道之前,需要對此管道表面性質進行研究,確定合理的計算公式.

為了進一步研究原油在RTP管道中的摩阻計算方法,采用黃島原油,以類似的實驗方法和計算模型,分析黃島原油為實驗介質時的滑移模型摩阻計算參數.

同樣,以材質為100S不同管徑的RTP管道,材質不同的內徑為DN25 mm的RTP管道,分析黃島原油為介質的流動中管徑、材質對滑移速度與雷諾數關系的影響(圖7).

通過圖7可以看出,滑移速度與雷諾數之間的線性關系比較明顯,不同材質內表面會導致計算滑移速度與雷諾數之間存在不確定影響.在水力光滑區,可以通過一定量實驗數據,完善滑移速度計算經驗關系式,進而使用計算滑移速度模型求解摩阻系數.

圖7 管徑、材質對滑移速度與雷諾數關系的影響(黃島原油為工作介質)Fig.7 Effects of diameter and material of pipe on relation betweenslipvelocityandRenumber(flowmedium:Huangdao crudeoil)

可以發現,在原油為介質的實驗中,存在反算滑移速度為負數的情形,以水為介質的實驗中反算滑移速度均為正數.這種現象的發生可能是與RTP管道的疏水親油性有關.由于RTP管道疏水性,水與管道之間滑移剪切力大于水與管道之間黏性力.RTP管道的親油性會導致管內流體流速較低時,雷諾數較小,管道與原油之間的黏性力大于滑移剪切力,導致反算滑移速度為負數.當流速較高時,黏性力小于滑移剪切力,反算滑移速度為負數.同時,由于建模過程中沒有考慮流體與管道之間黏性力的影響,因此在實驗過程中應當以黏性力遠小于滑移剪切力的部分提供滑移速度計算經驗關系式,以增加擬合經驗關系式的準確性.

4 結論

目前并未形成公認的適用于RTP管道的水力摩阻計算方法.本文嘗試從流體與管道內壁發生速度滑移為基礎建模求解,以實驗確定經驗關系式,在一定程度上為RTP管道水力摩阻計算提供參考.

(1)在水力光滑區,管徑一定的情況下,計算過程采用的滑移速度與雷諾數呈線性相關,并且線性系數因流體性質、管道內壁性質而產生差異.本文提出的滑移速度摩阻計算模型需大量實驗數據,以完善不同油品在不同類型RTP管道中的計算參數.由于實驗過程采用的管道數量有限,未能給出管徑對滑移模型計算線性相關系數的影響,后期需要增加實驗數據以便對模型經驗關系式進行完善.

(2)RTP管道材質多種多樣,管道內表面疏水親油性質會導致在一定范圍內增加輸油過程的摩擦力,無法達到使用RTP管道減阻的目的.當流體與管道內壁黏性力大于滑移剪切力時,反算滑移速度為負數.在設計過程中,需要對采用的RTP管道表面性質有直觀認知,選用合適的材質,最大程度地節能降耗,減小流體在管道內的流動阻力.

(3)在RTP管道以水為介質的實驗過程中滑移速度均為正,因此在RTP管道設計過程中可以考慮對內表面進行特殊處理,增強其疏水疏油性,保證流體流動過程中管道與流體間滑動剪切力遠大于流體與內壁的黏性力,從工藝設計上降低管輸過程中的水力摩阻.