機動輸油管線水頂油排空油水兩相流動特性研究進展

譚剛 肖棟 李明

摘 ? ? ?要： 水頂油排空是機動管線排空的首選方式，具有工藝簡單、速度快、油氣損失小、安全性高等優勢，但其中涉及復雜的油水兩相流。綜述了近年來油水兩相流相關研究成果，對比了兩種主要流型分類方法，討論了油水兩相流壓降和持水率與滑移的影響因素，并對今后的發展和下一步的研究方向提出了建議。

關 ?鍵 ?詞：機動管線;油水兩相流;流型;壓降;持水率

中圖分類號：TE 832 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 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

機動輸油管線是由油管、移動式油泵、閥門、計量檢測儀器、通信設備等組成的，通過快速接頭（承插式或槽頭式）連接的裝配式系統，如圖1所示。作戰、軍事訓練或軍事行動時直接鋪設于野外地面，具有鋪設、撤收迅速的特點。機動管線在完成輸油任務撤收、輸送過程中較長時間停輸以及管線檢修時必須將管內油料排出，回收到油罐或運油車。目前機動管線的排空主要采用水頂油排空和氣頂油排空。水頂油排空是利用管線系統的輸油泵將水注入管內，逐步將管線中的油料頂出管道。與氣頂油排空相比，水頂油排空具有可直接利用輸油設備、工藝簡單、速度快、油氣損失小、安全性高等優勢，被廣泛采用。因此，在氣溫和水源條件允許的情況下，均優先采用水頂油排空。

目前，機動輸油管線水頂油排空時，排空參數的確定，油水混合物的跟蹤、測算和切割主要基于成品油管道油-油順序輸送理論。然而，由于油水不相溶的特性導致水頂油排空與成品油的順序輸送具有截然不同的流動特性，基于順序輸送混油模型確定的油水混合量誤差較大。2019年在韶關機動管線水頂油排空演訓中，依據成品油順序輸送理論確定的排空方案，導致油水混合段長達數十公里，不僅消耗了大量水資源，而且浪費了大量時間，降低了排空效率，增加了管線終端接收、處理油水混合物的難度;同時，在排空作業完成后的管線撤收過程中發現部分管線中還存有較多量的柴油未排盡，極大影響了管線撤收的進度。機動輸油管線的機動性是它的重要軍事特點之一，戰場形勢瞬息萬變，管線的撤收進度直接影響油料保障效率。水頂油排空時，油水混油界面在管內移動，使管線系統的供能和耗能不斷發生變化，系統一直處于非穩態流動，直到油水混合物被完全排出管線，非穩態運行使得管線排空指揮以及工況控制的難度急劇增加。機動輸油管線水頂油排空問題的本質是油水兩相流。

1 ?油水兩相流研究現狀

TRALLERO[1]等通過實驗研究了水平管道中油水兩相流的流動特性，將流型分為分離流（segregated flow）和分散流（dispersed flow）兩大類共6種（ST、ST&MI、Do/w&w、o/w、Dw/o&Do/w、w/o）。FLORES[2]等通過實驗研究了傾斜和垂直管道中的油水流動特性，根據連續相的狀態，將流型分為以水為主和以油為主兩大類。陳杰等 [3]通過實驗觀察劃分了7種不同流型，對流型間的轉換作了描述。BRAUNER [4]通過對前人的總結和研究，將流型分為4種基本類型：光滑或波狀界面的層狀流;一種液體在另一種液體中形成長段或球形的段塞流;一種液體在另一種液體中相對細小的液滴分散的分散流;一種液體形成核心，另一種液體環空流動的環空流。LOVICK[5]等對油水兩相流雙連續流進行了研究，得到了壓力梯度變化規律和流速比變化規律。ABDUVAYT[6]等對水平、丘陵和垂直管道中油水流動進行了實驗分析，在水平和丘陵地形流動中觀測到3大類12種流型，在垂直管道中觀察到兩大類6種流型。張麗娜[7]根據流變學特性將油水兩相流流型分為牛頓流動流體和非牛頓流動流體兩大類，對各流型之間的轉變進行了分析，給出了分層流、分散流和環狀流的流型穩定性判別式。白云香[8]通過實驗測量給出了油水兩相流不同流型下的相分布、壓力及持水率特征，建立了各種流型的壓降模型。ATMACA[9]等通過實驗測量了傾斜管道中油水兩相流在不同流動條件下的持水率和壓力梯度，并與預測模型進行了對比。AMUNDSEN[10]等通過實驗給出了油水兩相流中壓降和相分數分布結果，提出了一個紊流擴散模型。宗艷波[11]對傾斜和水平管道中油水兩相流流動特性、持水率等進行了研究，觀察給出了兩相流流型圖，并對分層流和分散流油水分布進行了瞬態數值模擬。VUONG[12]等對高黏度油水的水平和垂直流動進行了實驗研究，觀察到一種不同于低黏度油水的流型：油在水和油膜中的分散（DO/W&OF），給出了油品黏度對壓力梯度、流速與流型的影響。SRIDHAR[13]等對高黏度油/水在傾斜管道中的流動進行了實驗研究，發現油的黏度對流型轉變的邊界沒有明顯的影響，但管道中壓力梯度與流動模式和油的黏度密切相關，同時在重力作用下，持水率隨管道傾角增大而增大。AL-WAHAIBI[14]等對不同管徑下不同黏度的油/水兩相流由分層流向非分層流轉變過程進行了實驗研究，發現表面張力對流型轉換起到關鍵作用，EO>1（表面張力占主導作用）時出現泡狀流（bubbly flow），EO<1時，泡狀流消失。呂宇玲[15]對油水兩相流中分散流的液滴特性和壓降規律進行了研究，提出了最大液滴粒徑預測公式。AL-WAHAIBI[16]等對管徑25.4 mm和19 mm水平油/水流動進行了對比試驗，發現小管徑內雙連續流和分散流的持續范圍較小，相反隨著管徑減小，分層流和泡狀流的范圍不斷擴大。ISMAIL[17]等通過實驗發現黏度對油水兩相流中的持水率沒有明顯影響。ZHAI18等[]研究發現局部流動結構對滑移特性有明顯影響。LOH[19]等在1英寸的管道中，對重油、輕油/水的流動及壓降特性進行了實驗研究，結果表明，輕油的相變早于重油，重油在較高的還原系數下仍傾向于分散在水中，而輕油只有在高混合速度時才形成分散體。HANAFIZADEH[20]等觀察到管道傾角對相轉變的快慢有積極影響，但準確的轉變點仍是各種因數綜合決定。PIROOZIAN[21]等對高蠟油水兩相流動進行了研究，初步確定了9種流型ST-PE、SW-PE、DC、WDC、WEA-PE、WEA-E、WEA-DC、WFDo/w-TLo和WFDo/w-So，在蠟沉積形成機理、流動特性、流型轉變影響因素等方面都與不含蠟油水兩相流原有研究結果有較大不同。張亞輝[22]等運用Fluent軟件對管徑大小對水平圓管油水兩相流的影響進行了模擬研究。付田田[23]等對油水兩相管流持水率進行了實驗研究，建立了管內無滑移持水率計算模型。HAMIDI[24]等對垂直管道油水兩相流的流動特性和傳熱特性進行了研究，發現流型的改變對油水局部傳熱系數有較大影響，同時兩相混合溫度又對流型轉變有影響。TAN[25]等對比了不同管徑不同黏度的油水流動情況，定義了4種基本流型分類，并對影響流型轉變的因素進行了研究。YANG[26]等對油水兩相垂直向上流動的流動規律進行了研究，討論了壓力和溫度對油水兩相流型的影響機理。DONG[27]等對水平管道油水兩相離散流的速度分布進行了研究，相關數據表明在水平管道中油水兩相流的速度分布主要受連續相的影響，并提出了彌散流速度分布的修正Nikuradse方程。

ISMAIL[17]發現壓降隨流量的增加而增大，隨含水率增加而減小，見圖9。從層狀流向分散流（間歇區）過渡時，壓降開始逐漸增大（流量Q>6.08 m3·s-1、含水率fW<0.8）。隨著含水率從0.8降低到0.1，流量增加到12.15 m3·s-1，壓降有所增加，這一增長是由于在形成油包水乳化過程中水在油中的分散和水相連續性的損失。在fW=0.9、Q=0.8 m3·s-1時，壓降略微有所下降，這是由于連續的水相流動完全濕潤了管壁，從而降低了阻力，進而降低了壓降，這與TRALLERO[1]的結論相似。

2.3 ?持水率與滑移

在特定長度內，水在總混合液體中的原位體積分數通常被稱為持水率HW。ISMAIL[17]研究發現持水率隨含水率的增加而增加，見圖10。黏度對持水率的影響不明顯，對于分層流動，發現滑移效應是顯著的，因為油的密度比水小，因此在水平條件下它的移動速度比水快，但在離散流中，滑移不顯著。QIN[29]也通過實驗驗證了這一點，他發現油相和水相的滑移現象與流量和輸入的含水率密切相關，較低的流速會產生更嚴重的滑移。ABDUVAYT[6]通過實驗發現小的水平傾角對持水率有較大影響，尤其在低含水區域，對于上升段，傾角越大，HW越大，相反HW隨向下截面傾角的增加而減小。M. Vielma[28]認為持水率與油水表面速度也有密切關系，HW隨VSW的增大而增大，隨VSO的增大而減小，見圖11。

持水比是持水率hW與無滑移持水率CW（VSW與VM的比值）的比值，VIELMA[28]研究發現在極低的水表面速度和相應的較低和中等的油表面速度下，水在管道底部以薄層的形式流動，由于管壁的阻力，水的表面流速小于混合流速，導致持水比CW/HW小于1.0。隨著水的表面流速的增加，由于水相的低黏度，水層變厚，流動速度加快，持水比往往會從小于1.0的值增加到大于1.0的值。在水的表面速度很高時，油以液滴的形式分散在水中，油和水幾乎以同樣的速度流動，因此持水比CW/HW接近1.0，見圖12。

這也驗證了TRALLERO[1]的觀點，他認為在分層流區域滑移是明顯的，持水比從小于1逐漸增大，對于VSW≤0.6 m·s-1、0.01 m·s-1≤VSO≤0.1 m·s-1，持水比達到最大值約1.4，隨著流動向Do/w&w轉變，持水比逐漸降低，對于分散流，隨著VM的增大，兩相的速度差逐漸減小。

3 ?結 論

本文綜述了近年來國內外關于油水兩相流的相關文獻資料，對相關流動特性進行了討論：

1）對比了兩種主流的兩相流流型分類方法：一種為分離流和分散流，包括分層流 （ST）、界面混合分層流（ST&MI）、油水彌散流（Do/w&w）、水包油分散流（o/w）、油包水分散流（w/o）和雙分散流動（Dw/o&Do/w）;一種為分層流、間歇流、環狀流和離散流，包括光滑分層流 （SS）、波浪分層流 （SW）、界面混合分層流 （ST &MI）、氣泡流（Bo）、段塞流（SLo）、塞狀流（PLo）、半環狀流（SemiAnw）、環空流（Anw）、水包油分散流（Do/w）和油包水分散流 ?（Dw/o）。

2）對油水兩相流管道內壓降進行了討論。壓降受油水表面流速、流型、含水率等多種因素影響，在流動過程中隨著流動條件改變而改變。在低流速分層流區域以及以水為主的流型區域內，由于流速較低，流動阻力較小，壓降變化不明顯。隨著流速逐漸加大，流型逐漸向分散流轉變，不斷有液滴產生，導致混合黏度和摩擦壓力梯度改變，壓降變大。當流速足夠大，流型不再改變時，壓降又重新趨于穩定。

3）對油水兩相流持水率與滑移進行了討論。持水率受含水率和管道傾角影響較大，在分層流區域，滑移現象非常明顯，持水比由小于1逐漸增大至1.4左右，隨著流速不斷增大，進入分散流后，油水兩相表面流速差距減小，持水比逐漸趨于1。

隨著能源化工產業的不斷進步，油水兩相流研究越來越被重視，取得了一系列研究成果。在實際應用中，大管徑、大流速的兩相流或多相流是今后的發展趨勢，但相關研究目前仍進行較少。對比石油開采、順序輸送和水頂排空中的油水兩相流流動特性，不難發現它們之間存在許多不同之處，但目前大部分研究仍把這些情況統一對待，急需進一步開展針對性的兩相流研究。

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