低含液管線內液膜厚度分布特性的試驗研究

管孝瑞，王建軍，金有海，李 虎，金哈申，張大磊

(1.中國石油大學(華東)，山東青島 266580;2.廣西天然氣管道有限責任公司，廣西北海 536000)

低含液管線內液膜厚度分布特性的試驗研究

管孝瑞1，王建軍1，金有海1，李 虎2，金哈申1，張大磊1

(1.中國石油大學(華東)，山東青島 266580;2.廣西天然氣管道有限責任公司，廣西北海 536000)

濕氣集輸管線內存在低含液氣液兩相流動。利用相似準則建立試驗管道，結合螺旋測微器設計出瞬時液膜厚度測量裝置，對低含液管線內液膜厚度分布特性進行研究。結果表明：液膜具有波動性，水平管內液膜主要集中在底部，兩側存在薄液膜。同一表觀氣速下，隨著表觀液速的增加，液膜分布范圍變大，最厚值先變小后增大；同一表觀液速下，隨著表觀氣速的增加，彎頭下豎直管周向液膜最厚值和最薄值變小，周向等效均勻液膜厚度變小。

低含液率；氣液兩相流動；液膜厚度；輸氣管線

1 前言

低含液率是指每百萬標準立方米(MMsm3，101.3 kPa、15 ℃)氣相中液相體積小于1100m3，或者表觀液速小于0.02 m/s的工況[1]。在濕天然氣集輸過程中，溫度、壓力的變化導致飽和水蒸氣發生相變生成凝析水，進而形成低含液氣液兩相流動[2]。管壁就會產生液膜分布[3]，CO2、H2S等腐蝕性氣體溶于液膜中，造成管線局部腐蝕破裂[4,5]，不同的液膜厚度導致各處腐蝕的控制因素不同。因此低含液管線內液膜厚度分布特性的研究對于濕氣集輸管線的保護至關重要。

胡志華等通過觀察法和光纖探針法，對水平管內氣液環狀流機理進行了試驗研究[6]。白長青等利用有限元對沖擊氣流下放空管道進行了動力學分析[7]。王鑫等利用雙平行探針測量了水平管液塞區域內相分布[8]。王晶等采用超聲多普勒測速儀對洗滌冷卻管內垂直降膜的流動特性進行研究[9]。崔潔、王靈萍等通過螺旋測微器控制探針在水槽中的插入深度，來標定雙平行電導探針，可知通過螺旋測微器測量瞬時液膜厚度的方法具有較高的精度[10，11]，本文基于此設計一套測試系統。此外，桁架結構廣泛存在集輸管網中，尤其是在跨越山地、河流等地帶時，彎頭前后存在流型的變化，導致明顯的腐蝕差異[12]。

本文首先依據相似準則確立試驗管道，結合螺旋測微器設計出瞬時局部液膜厚度測量裝置，進而實現對管道內液膜厚度分布的測量，最終得到在不同表觀氣速、表觀液速以及表面張力下水平管以及彎頭下豎直管內液膜分布。

2 試驗方法

2.1 氣液兩相流動系統

結合普光氣田P301-總站集輸管道工藝參數，利用相似準則，通過無量綱準則數相等確定試驗管道內徑。

修正的弗勞德數[13]:

(1)

液相韋伯數:

(2)

式中Wel——液相韋伯數Usl——表觀液速σ——表面張力

試驗流程如圖1所示。氣液兩相流動系統主要包括FG13-1型螺桿泵、轉子流量計、實心圓錐形噴嘴、有機玻璃管、8-09型離心通風機、YCL-03-300畢托管等。其中有機玻璃內表面光潔度加工到▽6級別(管壁粗糙度用Rz表示[14]，此時對應Rz=6.3 μm)。集輸管道內涂層處理后Rz=5～7 μm[15，16]，與有機玻璃管內壁面接近。液相由螺桿泵抽出，閥門調節流量，經轉子流量計后由噴嘴霧化進入管道，氣相由通風機吸入，從而形成氣液兩相流動。

(a) 試驗流程

(b)試驗管道尺寸

2.2 瞬時液膜厚度測量系統

瞬時液膜測量系統主要包括Keithley2000多功能數字萬用表(6位半精度)、INSIZE 3540-50C數字螺旋測微器、YL10.2硬質合金鎢鋼探針(直徑1mm)、開關、導線等。螺旋測微器通過環形裝置固定在管路上。測量過程如下：首先緩慢旋轉螺旋測微器，帶動探針向內運動，探針外側被黑色雙壁熱縮管絕緣包裹，只露出尖端。當探針尖端接觸到管壁時，將螺旋測微器示數設為基準0；在氣液兩相流動達到穩定后，往回旋轉螺旋測微器，帶動探針離開液膜；合上開關K，慢慢往內旋轉，當尖端接觸到液膜時，萬用表電流示數發生突變，此時對應的測微器示數即為瞬時液膜厚度。每一個測量點重復測量10次，消除偶然因素帶來的誤差。試驗結果為10次數值的平均值。

2.3 測量點的選取

水平管測量面距入口3.15 m (l1/d=35)，彎頭下的豎直管測量面距上彎頭出口0.215 m (l2/d=2.39)，如圖1(b)所示。為了測量水平管周向液膜分布，以最底部為基準，沿順時針方向6°設置第一個測量點，然后依次間隔15°設置測量點，逐漸向頂部測量；同時以最底部為基準，沿逆時針方向9°設置一個測量點，依次間隔15°逐漸向頂部測量，如圖2所示。對于彎頭下的豎直管截面，每隔15°設置一個測量點，如圖3所示，為了后續分析的需要，定義75° ～ 105°和255° ～ 285°為I區域，330° ～ 30°和150° ～ 210°為S區域。在管道中只預留2個探針插入孔，通過旋轉測試段的活套法蘭來改變測量點位置，避免開孔過多對流動產生影響。

圖2 水平管測量點的分布

圖3 彎頭下的豎直管測量點分布和區域劃分

2.4 試驗參數

操作參數：表觀氣速Usg為13.02，15.03，16.68，18.35，19.77 m/s；表觀液速Usl為0.00524，0.00699，0.00873 m/s。滿足低含液率工況。

物性參數：氣相選用空氣，密度為1.225 kg/m3；液相選取2種溶液，其中A溶液為0.3 mol/L NaCl溶液，密度為1.008 g/mL，表面張力為71.9 m·N/m，動力粘度為0.86 MPa·s，B溶液為(0.3mol/L NaCl溶液：正丁醇)體積比15∶1溶液，密度為0.995 g/mL，表面張力為31.9 m·N/m，動力粘度為0.87 MPa·s。

3 試驗結果與討論

3.1 液膜波動特性

液相采用B溶液時，對彎頭下豎直管345°測量點處瞬時液膜厚度進行30次測量，結果如圖4所示。試驗中觀察到管壁分布有不斷向前運動的波動液膜，管道中心為夾帶液滴的高速氣流。在氣相剪切力作用下，氣液界面處產生伯努利效應，液膜會偏離原先平衡位置，促使液膜流動趨于不穩定，同時表面張力產生向壁毛細力，抑制波幅的增加，促使液膜返回平衡位置，但很難達到平衡狀態，液膜就會產生波動特性。

圖4 Usg=16.68 m/s,Usl=0.00699 m/s下

3.2 水平管周向液膜分布

圖5示出了不同表觀液速下(A溶液)水平管周向液膜分布。同一表觀氣速下，隨著表觀液速的增加，液膜分布范圍逐漸變大。圖6示出了不同表觀氣速下(A溶液)水平管周向液膜分布。

(a)Usl=0.00524 m/s

(b)Usl=0.00699 m/s

(c)Usl=0.00873 m/s

圖5Usg=16.68 m/s下水平管周向液膜分布

(a)Usg=13.02 m/s

(b)Usg=16.68 m/s

(c)Usg=19.77 m/s

圖6Usl=0.00873 m/s下水平管周向液膜分布

從圖可見，由于受到重力的影響，液膜主要集中在管道底部，管壁兩側存在薄液膜區。在高速氣流中，液膜界面出現擾動波，波動的液膜不斷有液滴被卷吸到氣體中，隨著氣流運動過程中，重力作用又促使液滴沉降到液膜中，并且存在二次攜帶現象，共同造成了水平管液膜分布的動態性、復雜性以及不對稱性[17，18]。

3.3 水平管周向最厚液膜

對不同工況下水平管周向最厚液膜(A溶液)進行統計，如表1所示。

表1 不同工況下水平管周向最厚液膜H1(A溶液) μm

同一表觀氣速下，隨著表觀液速的增大，液膜最厚值先減少后增大。一方面液量增大，液相雷諾數變大，湍動能變大，干擾波通過擾動抽吸作用，促使液膜逐漸向頂部運動，液膜分布范圍逐漸變大，底部液膜厚度值出現小幅度降低。另一方面，當液量繼續增大時，重力作用更加明顯，更多的液相聚集到底部，底部液膜厚度值又出現增大趨勢。同一表觀液速下，隨著表觀氣速的增加，氣液間相對速度變大，氣液界面剪切力逐漸變大，液膜流動速度加快，液膜最厚值減小。

B溶液下水平管周向最厚液膜如表2所示。在相同的氣液條件下，B溶液下厚度大于A溶液。隨著表面張力的降低，對表面波動的抑制作用減弱，產生液膜增厚效應，持液量增大。試驗中發現在水平管中，B溶液表面潤濕性好于A溶液，分布范圍變寬。

表2 不同工況下水平管周向最厚液膜H2(B溶液) μm

3.4 彎頭下豎直管周向液膜分布

為了更加清晰地表現周向液膜差異，將液膜厚度沿半徑方向放大10倍顯示。在A溶液下，測量結果如圖7,8所示。

(a)Usl=0.00524 m/s

(b)Usl=0.00699 m/s

(c)Usl=0.00873 m/s

圖7Usg=16.68 m/s下豎直管周向液膜分布

(a)Usg=13.02 m/s

(b)Usg=16.68 m/s

(c)Usg=19.77 m/s

圖8Usl=0.00873 m/s下豎直管周向液膜分布

管內液膜分布受到二次流、液量、重力、氣液界面剪切力、表面張力、壁面剪切力等因素共同影響。在水平管，重力和表面張力抑制擾動增加，是穩定因素，氣液界面剪切力是不穩定因素，同時壁面剪切力抑制液膜流動。在彎頭下的豎直管，重力加快了液膜流動，液膜湍動能變大，促進了擾動的增加，加速液膜剝落的發生，是不穩定因素；此外上游彎頭產生的二次流還在豎直管內存在，加劇了液膜波動特性。

對2種溶液下豎直管周向最厚和最薄液膜位置進行統計發現，在I區域圖3存在液膜最厚值，在S區域圖3存在液膜最薄值，且同一表觀氣速下，隨著表觀液速的增大，液膜最厚值和最薄值變大。同一表觀液速下，隨著表觀氣速的增大，液膜最厚值和最薄值變小。

3.5 彎頭下豎直管周向等效均勻液膜

對豎直管周向液膜進行平均分配，得到等效均勻液膜，如圖9所示。

圖9 彎頭下豎直管周向等效均勻液膜

表3,4為不同工況下周向等效均勻液膜厚度?？梢钥闯?，同一表觀氣速下，隨著表觀液速的增大，周向等效均勻液膜厚度變大。同一表觀液速下，隨著表觀氣速的增大，氣液界面剪切力增大，對液膜的攜帶能力增大，液膜流動速度增大，周向等效均勻液膜厚度變小。

表3 A溶液下豎直管周向等效均勻液膜厚度h1 μm

表4 B溶液下豎直管周向等效均勻液膜厚度h2 μm

表5為2種溶液下周向等效均勻液膜厚度的差值(Δh=h2-h1)。由表可看出，在相同表觀氣速和液速下，B溶液在壁面聚集的液膜要厚于前者，隨著表面張力的降低，周向等效均勻膜厚變大，持液量變大。同一表觀液速下，隨著表觀氣速的增加，兩者的差值先增大后減少。同一表觀液速下，隨著表觀氣速的增加，氣液間相對速度變大，氣液界面剪切力變大，同時表面張力降低，對表面波動的抑制作用減弱，界面波的波幅變大，因此兩者的液膜厚度差值先增大。但當液膜流速超過一定值時，液膜湍動能增加，液體的內聚力不足以維持液膜的穩定性，部分液膜被氣流剪切產生脫體飛濺，表面張力降低帶來的增厚效應逐漸減弱，液膜厚度差值出現減少趨勢。

表5 2種溶液下周向等效均勻液膜厚度

4 結論

(1)隨著表面張力的降低，水平管內液膜厚度逐漸增加，分布范圍逐漸變寬；彎頭下豎直管內周向等效均勻膜厚逐漸變大，持液量逐漸變大。

(2)水平管內同一表觀液速下，隨著表觀氣速的增加，氣液間相對速度變大，氣液界面剪切力逐漸變大，液膜流動速度加快，液膜最厚值減小。

(3)彎頭下豎直管內同一表觀氣速下，隨著表觀液速的增大，液膜最厚值和最薄值變大，周向等效均勻液膜厚度變大。

[1] Olive N R,Zhang H Q,Wang Q,et al.Experimental study of low liquid loading gas-liquid flow in near-horizontal pipes[J].Journal of energy resources technology,2003,125(4):294-298.

[2] Banafi A,Talaei M R,Ghafoori M J.A comprehensive comparison of the performance of several popular models to predict pressure drop in stratified gas-liquid flow with low liquid loading[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2014,21:433-441.

[3] Guan X,Zhao Y,Wang J,et al.Numerical analysis of quasi-steady flow characteristics in large diameter pipes with low liquid loading under high pressure[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2015,26:907-920.

[4] Elgaddafi R,Naidu A,Ahmed R,et al.Modeling and experimental study of CO2corrosion on carbon steel at elevated pressure and temperature[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2015,27:1620-1629.

[5] Guan X,Zhang D,Zhang J,et al.Electrochemical and Molecular Dynamics Evaluation on Inhibition Performance of 2-(1-Methyl-Nonyl)-Quinoline[J].Journal of Dispersion Science and Technology,2016,37(8):1140-1151.

[6] 胡志華,楊燕華,周芳德.水平管內氣液兩相環狀流形成機理試驗研究[J].上海交通大學學報,2005,39(5):823-826.

[7] 白長青,李志國,熊小念,等.沖擊氣流作用下放空管道流固耦合動力學分析[J].流體機械,2016,44(2):34-38.

[8] 王鑫,王同吉,何利民.水平管液塞區相分布特征研究[J].工程熱物理學報,2012,33(4):611-615.

[9] 王晶,王亦飛,顏留成,等.管內垂直下降液膜速度與厚度分布特性[J].化工學報,2016,67(6):2239-2245.

[10] 崔潔,陳雪莉,王清立,等.電導法測量新型旋風分離器內液膜的分布規律[J].化工學報,2009,60(6):1487-1493.

[11] 王靈萍,王亦飛,郭強強,等.洗滌冷卻管內垂直降膜流動特性[J].化工學報,2013,64(6):1959-1968.

[12] 孫海疆,偶國富,肖定浩,等.煤液化多相流輸送彎管沖蝕磨損數值研究[J].流體機械,2013,41(8):45-47.

[13] 趙建福,解京昌,林海,等.不同重力條件下氣/液兩相流試驗研究[J].工程熱物理學報,2001,22(3):367-369.

[14] 沈遠.輸氣管道內涂層制備及其減阻性能研究[D].上海:華東理工大學,2014.

[15] 李國平,劉兵,鮑旭晨,等.天然氣管道的減阻與天然氣減阻劑[J].油氣儲運,2008,27(3):15-21.

[16] 王莉莉，王夢珠，呂妍，等.泄漏位置對激光檢測天然氣管道泄漏影響分析[J].壓力容器，2016,33(8):60-64.

[17] 李衛東,李榮先.水平管內氣液環狀流液膜及擾動波特性[J].清華大學學報:自然科學版,2000,40(11):23-26.

[18] 雷雨.濕天然氣管道低含液率氣液兩相流液滴夾帶機理研究[D].西安：西安石油大學,2015.

Experimental Study of Liquid Film Thickness Characteristics in Gas Pipeline with Low Liquid Loading

GUAN Xiao-rui1,WANG Jian-jun1,JIN You-hai1,LI Hu2,JIN Ha-shen1,ZHANG Da-lei1

(1.China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Guangxi Natural Gas Pipeline Company Limited,Beihai 536000,China)

The gas-liquid flow with low liquid loading appeared in wet gas gathering pipelines.Experimental pipeline was established according to similarity criteria.A system of measuring transient liquid film thickness was designed with micrometer.Film distribution characteristics in the gas pipeline with low liquid loading were studied.The results show fluctuation in the film distribution.Liquid film is concentrated on the bottom of horizontal pipe.Thin film exists on the side walls of horizontal pipes.Under the same superficial gas velocity,the region occupied by liquid film is extended and the value of thickest film is increased first and then decreased with increasing superficial liquid velocity.Under the same superficial liquid velocity,the thickest and thinnest values of film thickness are decreased,and the circumferential equivalent uniform film thickness is decreased with increasing superficial gas velocity in the vertical pipe downstream of the elbow.

low liquid loading;gas-liquid flow;film thickness;gas pipeline

1005-0329(2017)02-0006-06

2016-09-02

2016-12-13

國家自然科學基金資助項目(51276200;41106068)；青島市科技計劃項目(14-2-4-63-jch);中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(15CX06045A;16CX05011A)

TH137；TG925.12

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.002

管孝瑞(1989-)，男，博士生，從事多相流流動與腐蝕研究,通訊地址：266580 山東青島市黃島區長江西路66號中國石油大學(華東)研究生3號公寓767室，E-mail:cupguanxiaorui@126.com。