（油气储运工程专业论文）成品油管道油携水机理研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 淦i 鹤 日期： 年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其它 复制手段保存学位论文。 薹耋薹羔姜薹- 三一 指导教师签名： 2 竖! 兰： 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 o 、，。一i 。 ”：一 0。 、? ：。 。 捅要 国内已有多条成品油管道发生因管内低洼处积水引起的腐蚀产物等杂质堵塞干线 过滤器、减压阀等设备的阻塞事故，目前尚无有效的解决办法。本文提出利用上游油流 携带管道低洼处积水，以减轻管道内腐蚀、减少管道因腐蚀产物等杂质引起的阻塞事故。 本文对油携水作用机理及系统流动特性进行了深入系统地研究，建造了地形起伏管道中 油携水的室内环道，并在此基础上对地形起伏管道中油携水问题进行了深入地理论分析 及数值模拟，详细分析了地形起伏管道中油携水时的积水分布形态、积水被油流携带的 临界条件及影响此临界条件的主要参数，对成品油管道中排除低洼处积水有一定的指导 意义。本文的主要研究内容及结论如下： 通过对地形起伏管道中油流剪切作用下的积水分布形态进行试验观察发现，积水以 贴近管道下壁面的偏心大水滴形式存在，且速度相对油速很小，积水分布形态主要受油 相速度的影响。油相速度较小时，积水沿水平管段铺展并聚集至水平管段下游，呈偏心 大水滴形式。随油相速度增大，积水受到的剪切作用增强，偏心大水滴长度减小，且积 水界面呈上游小、下游大的梯度分布。随着油相速度继续增大，界面产生波动，若波动 加剧至一定程度，则有水脱离积水主体，形成进入油流的小水滴以及贴近管壁向前运动 或回流至积水主体的大水团。本文推导出的水平管段水相厚度分布模型( 即水塞模型) 表明，积水受到油流剪切作用时，水相厚度呈梯度分布。同时，对不同油相速度剪切作 用下积水的分布形态进行数值模拟，亦得到与上述实测现象吻合很好的结果。 对上倾管段不同位置处的出水量进行了测量和分析，发现出水量随表观油速变化明 显：表观油速小于临界值时，出水量为零；表观油速增至临界值时，出水量迅速增大： 表观油速增至一定程度后，积水将完全被携带。同时，对积水可被油流携带时的临界表 观油速进行了测量和分析，发现临界表观油速与管径、上倾管段倾角以及水相持液率有 关。采用积水平铺于水平管段时的界面稳定性准则及分散流模型对临界表观油速进行了 预测，发现此两种模型的预测值均明显大于实测结果，本文提出的水相厚度分布模型， 即水平管段中的水塞模型以及上倾管段中的偏心大水滴模型，能很好地预测上倾管段上 不同位置处的出水量及其临界表观油速。水塞模型还表明，临界表观油速随管径增大而 指数递增，其递增速率与油相流态有关：层流时( r e 2 0 0 0 ) ，递增速率随水相持液率 增大而增大；紊流时( r e 2 0 0 0 ) ，递增速率与水相持液率无关，为o 6 3 。 采用f l u e n t 软件对测试管段中的积水分布形态及临界表观油速进行了二维数值 模拟，并分析了影响积水分布形态及临界表观油速的关键参数，发现积水分布形态与管 段结构、表观油速、物性参数及水相持液率有关，临界表观油速与管径、上倾倾角、水 相持液率及物性参数有关，其中管径对其影响最大。若管径、倾角、物性参数不变，临 界表观油速随水相持液率减小而增大，且水相持液率越小，其增大速率越大；若倾角、 物性参数、水相持液率不变，临界表观油速随管径增大而指数递增；若管径、倾角、水 相持液率不变，临界表观油速随油相密度、粘度增大而减小，而管壁润湿性及界面张力 对其影响很小；若管径、物性参数、水相持液率均不变，临界表观油速随上倾倾角增大 而减小，且上倾倾角越大，其减小速率越小，上倾倾角增至一定程度后，其变化很小。 关键词：成品油管道，油水两相流，数值模拟，界面分布，油携水 b l o c k a g eo f t h ep i p el i n ee q u i p m e n t ( e g ，f i l t e r s ，v a l v e s ) c a u s e db yc o r r o s i o no f t h ep l p e i nt h ep r e s e l l c eo fw a t e ra c c u m u l a t e da tl o wl e v e ll o c a t i o n sa l o n g t h ep r o d u c t so i lp i p e l i n eh a d h a p p e n e dm a n yt i m e si nc h i n a t h i sp r o b l e mb e c o m e sm o r ea n dm o r eu r g e n t t ob es o l v e d e f f e c t i v e l yt oa v o i dl e a k a g eo rb l o c k a g eo ft h ef l o w i nt h i sp a p e r , t h es o l u t i o no f c a r r y i n g 、) l ，a t e r b yf l o w i n g o i lh a sb e e np r o p o s e d t or e d u c et h eb l o c k a g er e s u l t e df r o mt h e w a l l - d e p o s i t e di n n e rc o r r o s i o np r o d u c t s t h e m e c h a n i s mo fw a t e rd i s p l a c e db yf l o w i n go i li n h i l l yt e r r a i nt u b eh a sb e e ni n v e s t i g a t e db y t h r e ea p p r o a c h e s ，i e ，e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t ， 也e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no fw a t e rf l u s h e db yf l o w i n go i l ， m ec r i t i c a lc o n d i t i o no fw a t e rc a r r i e di n t ot h eu p w a r di n c l i n e dt u b ef r o ml o w e rh o r i z o n t a l t u b eb yf l o w i n go i la n dt h ep r o m i n e n tp a r a m e t e r so f t h ec r i t i c a lc o n d i t i o nh a v e b e e na n a l y z e d i t i ss i g n i f i c a n tt oi n s t r u c th o wt or e m o v et h ea c c u m u l a t e dw a t e ri ns o m el o ws p o t si n p r o d u c t so i lp i p e l i n e s t h em a i n c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s t h ed i s 勺r i b u t i o no fw a t e ru n d e rt h es h e a rf o r c ef r o mf l o w i n go i l h a sb e e nc a r e f u l l y o b s e r v e do nt h et r a n s p a r e n th i l l yt e r r a i nt e s tl o o p t h ew a t e ri s f o u n dt ob e h a v ea sa n e c c e n t r i cw a t e rd r o pw i t hv e r yl o wv e l o c i t yn e a rt h el o w e rt u b ew a l la sa r e s u l to ft h eg r a v i t y n ew a t e rd i s t r i b u t i o nh a sb e e nd i s c o v e dt ob em a i n l ya f f e c t e db yt h eo i lv e l o c i t y f o r e x a m p l e w a t e ru n d e rv e r yl o w o i lv e l o c i t yw i l ls p r e a da l o n gt h eh o r i z o n t a lt u b ea n d a c c u m u l a t et ot h ed o w n s t r e a ma sa l le c c e n t r i cd r o p a st h eo i lv e l o c i t yi n c r e a s e s ，t h ee c c e n t r i c 、) r a t e rd r o pw i l lb e c o m es h o r t e rw i t hag r a d i e n tw a t e rh e i g h tp r o f i l ei nt h ed i r e c t i o nt h a to i l f l o w e sa sar e 趴l l to fm o r ei n t e n s es h e a r w h e nt h eo i lv e l o c i t yf u r t h e ri n c r e a s e s ，t h ei n t e r f a c e b e c o m e sw a v y , a n dt h e r ew i l lb es o m ew a t e rs e p a r a t i n gf r o mt h ee c c e n t r i cw a t e rd r o pa s s m a l lo rl a r g ew a t e rd r o p si ft h ew a v ei n t e n s i t yb e c o m e ss t r o n ge n o u g h t h ew a t e rh e i g h t m o d e li nt h eh o r i z o n t a lt u b ed e d u c e di nt h i sp a p e rs h o w st h a t w a t e rh e i g h tw i l lb e c o m e g r a d i e n ti ff l u s h e db yf l o w i n go i l a tt h es a m et i m e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s a l s os h o wa n e x c e l l e n ta g r e e m e n tw i t ht h eo b s e r v e dp h e n o m e n a t 1 1 e 锄o u n t so fw a t e rw i t h d r a w nf r o md i f f e r e n tt a p p i n gp o i n t se v e n l yd i s t r i b u t e do nt h e 1 0 r e ：rw a l lo ft h eu p w a r di n c l i n e dt u b eh a v eb e e nm e a s u r e d i ts h o w st h a tt h ea m o u n to f w i t h d r a w nw a t e rc h a n g e ss i g n i f i c a n t l ya so i lv e l o c i t yv a r i e s t h e r ei sn ow a t e rw i t h d r a w n f r o mt h et a p p i n gv a l v ei ft h eo i lv e l o c i t yi sl e s st h a nt h ec r i t i c a lv a l u e o t h e r w i s e ，t h ea m o u n t o fw i t h d r a w nw a t e ri n c r e a s e sr a p i d l yw i t ht h eo i lv e l o c i t ye q u a l i n gt h ec r i t i c a lv a l u e a f t e rt h e o i lv e l o c i t yb e c o m e sl a r g ee n o u g h ，a l lt h ew a t e rw o u l db ew i t h d r a w n m e a n w h i l e , t h ec r i t i c a l s u p e r f i c i a lo i lv e l o c i t ya tw h i c hw a t e rw o u l db ec a r r i e di n t ot h eu p w a r di n c l i n e dt u b ef r o m l o w e rh o r i z o n t a lt u b eb yf l o w i n go i lh a sb e e nm e a s u r e da n da n a l y z e d i ts h o w st h a tt h e c r i t i c a ls u p e r f i c i a lo i lv e l o c i t yi sd e p e n d e n tu p o nt h et u b ed i a m e t e r , u p w a r di n c l i n a t i o na n d w a t e rh o l d u p i na d d i t i o n ，t h ec r i t i c a ls u p e r f i c i a lo i lv e l o c i t yh a sb e e np r e d i c t e db yt h ew a t e r h e i g h tm o d e l sp r o p o s e di nt h i ss t u d y , i e t h ew a t e rs l u gm o d e li nt h eh o r i z o n t a lt u b ea n dt h e e c c e n t r i cw a t e rd r o pm o d e li nt h eu p w a r di n c l i n e dt u b e ，a n dt w oc o m p e t i n gm e c h n i s a m s n a m e di n t e r f a c es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dd i s p e r s i o nm o d e l t h ec o m p a r i s o ni n d i c a t e st h a tt h e w a t e rh e i g h tm o d e lp r e s e n t sag o o da g r e e m e n t 、j ，i t hm e a s u r e m e n t sw h i l et h eo t h e rt w om o d e l s s h o wm u c hh i g h e rr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h ew a t e rs l u gm o d e l ，t h ec r i t i c a ls u p e r f i c i a lo i l v e l o c i t yi n c r e a s e se x p o n e n t i a l l yw i t ht h ed i a m e t e r , a n di t si n c r e a s i n gr a t ed e p e n d so nt h eo i l f l o wr e g i m e w h e nr e o s 一2 0 0 0 ，i t si n c r e a s i n gr a t ei sa c o n s t a n t0 6 3 2 ds i m u l a t i o n sh a v eb e e nc o n d u c t e dt oa n a l y z et h ew a t e rd i s t r i b u t i o n ，t h ec r i t i c a l s u p e r f i c i a lo i lv e l o c i t yi nt e s tt u b e sa sw e l la st h e i rm a j o ri m p a c tp a r a m e t e r sb yf l u e n t t h e w a t e rd i s t r i b u t i o ni sd e p e n d e n to nt u b es t r u c t u r e ，t h es u p e r f i c i a lo i lv e l o c i t y , w a t e rh o l d u pa n d p h y s i c a lp r o p e r t i e sw h i l et h ec r i t i c a ls u p e r f i c i a lo i lv e l o c i t yw h i c hi sv e r ys e n s i t i v et ot h et u b e d i a m e t e rd e p e n d su p o nt u b es t r u c t u r e ，w a t e rh o l d u pa n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s i ft h ed i a m e t e r , i n c l i n a t i o na n g l ea n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sw e r ek e p tu n c h a n g e a b l e ，t h ec r i t i c a ls u p e r f i c i a lo i l v e l o c i t yd e c r e a s e sa n di t sd e c r e a s i n gr a t er e d u c e sa sw a t e rh o l d u pb e c o m e sl a r g e r i ft h e i n c l i n a t i o na n g l e ，p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dw a t e rh o l d u pw e r ek e p tu n c h a n g e a b l e ，t h ec r i t i c a l s u p e r f i c i a lo i lv e l o c i t yi n c r e a s e se x p o n e n t i a l l yw i t ht h ed i a m e t e i ft h ed i a m e t e r , i n c l i n a t i o n a n g l ea n d w a t e rh o l d u pw e r ek e ：p tu n c h a n g e a b l e ，t h ec r i t i c a ls u p e r f i c i a lo i lv e l o c i t yr e d u c e sa s o i ld e n s i t ya n dv i s c o s i t yi n c r e a s e s ，w h i l et h ew a l lw e t t i n ga n di n t e r r a c i a lt e n s i o ns h o wm u c h l e s se f f e c t i ft h ed i a m e t e r , p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dw a t e rh o l d u pw e r ek e p tu n c h a n g e a b l e ，t h e c r i t i c a ls u p e r f i c i a lo i lv e l o c i t yd e c r e a s e sa n di t sd e c r e a s i n gr a t er e d u c e sa st h et u b eu p w a r d s b e c o m e sm o r ei n c l i n e d a f t e rt h ei n c l i n a t i o na n g l ei sl a r g ee n o u g h ，t h ec r i t i c a ls u p e r f i c i a lo i l v e l o c i t ys h o w e st i n i l yv a r i a b l e k e yw o r d s ：p r o d u c t so i lp i p e l i n e ；o i l w a t e rt w op h a s ef l o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； i n t e r f a c ep r o f i l e ；w a t e rd i s p l a c e db yf l o w i n go i l i v 洼处积水、减少管道内腐蚀提出了新的思路，对保障成品油管道的安全运营具有重要的 工程应用价值。 论文创新点如下： 1 设计了地形起伏管道中油流携带低洼处积水的管流试验装置，首次对由下倾水平 上倾三段管组成的地形起伏测试管段中油流剪切作用下积水的分布形态、积水被携带 的临界条件以及积水的运动速度进行了测量，首次采集到油流剪切作用下低洼处积水分 布形态的动态影像，进而揭示油携水系统流动特性。( 第2 章) 2 本文首次提出了水平管中油流剪切作用下积水水相厚度在油相流动方向上的分 布模型水相厚度梯度模型( 即水塞模型) ，并对水相厚度在流动方向上的分布进行 了数值求解。采用可用于分析水平管段内油携水系统流动特性的三种作用机理，即：界 面稳定性准则、水塞模型及分散流模型，对积水可被油流携带时的临界表观油速进行了 分析，通过与实测临界表观油速进行比较，发现水塞模型能很好地预测油携水系统的临 界表观油速。同时，采用界面稳定性判定准则、水塞模型及分散流模型对大管径水平管 段中油携水系统的临界表观油速进行了分析，对比发现水塞模型亦可给出有意义的预 测。( 第3 章) 3 本文首次提出了可用于分析上倾管段内油携水系统流动特性的两种作用机理，即 不稳定水塞模型及偏心大水滴模型，并分别采用两模型对上倾管段不同位置处的出水量 进行了预测。前者假设水平管段形成的水塞全部进入上倾管段，在水塞前进过程中，因 塞前没有水补充而塞体不断有水流入塞尾致使塞体体积不断减小；后者假设水平管段形 成的水塞在重力等作用下重新分布呈偏心大水滴进入上倾管段。通过与实测数据对比发 现，偏心大水滴模型对临界表观油速的预测与实测数据吻合很好，而不稳定水塞模型存 在较大偏差。( 第4 章) 4 首次采用f l u e n t 软件对地形起伏管段中油携水问题进行了二维数值模拟，分析 了在油流剪切作用下的积水分布形态、临界表观油速及其主要影响因素。结果表明，积 水分布形态与表观油速、管段结构、水相持液率及物性参数有关，主要受表观油速的影 响；临界表观油速与管径、倾角、水相持液率及物性参数有关，主要受管径的影响。( 第 5 章) j 意o 。一， “”一 。- r v 一” “ 一一 目录 第1 章绪论1 】1 课题的研究意义一1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 分层流分析模型2 1 2 2 分层流界面稳定性6 1 2 - 3 分层流界面形状8 1 2 4 分散流模型10 1 2 5 漂移模型一1o 1 3 本文主要研究目的和研究内容11 第2 章试验系统与试验结果1 3 2 1 试验系统及试验流程l3 2 1 1 试验系统1 3 2 1 2 试验流程1 5 2 2 测量装置l5 2 2 1 差压传感器l5 2 2 2 温度传感器16 2 2 3 流量变送器16 2 3 数据采集及分析系统17 2 3 1 数据采集系统1 7 2 3 2l a b v i e w 处理软件与界面1 7 2 4 试验参数及试验介质的物性参数18 2 4 1 试验参数范围1 8 2 4 2 试验介质的物性参数19 2 5 试验结果2 2 2 5 1 镀锌钢管2 2 2 5 2 玻璃、塑料以及有机玻璃透明管。2 6 2 6 试验结果的不确定度2 9 2 6 1 不确定度的求解2 9 2 6 2 所测各量的不确定度一3 0 第3 章水平管段内油携水的理论分析3 3 3 1 油水界面稳定性准则3 3 3 1 1 不同常数c 对判定准则的影响3 3 3 1 2 稳定性分析与实测数据比较3 5 3 2 水塞模型。3 6 3 2 1 水平管段水相厚度分布3 7 3 2 2 进入上倾管段的最大水量4 2 3 2 3 计算实例4 3 3 2 4 计算结果分析与实测数据比较一4 6 3 2 5 初始水相厚度对水相厚度分布的影响5 6 3 3 分散流模型5 7 3 3 1 分散流判定准则一5 8 3 3 2 粗糙管的临界油相速度5 8 3 3 3 管壁粗糙度对临界油速的影响5 9 3 4 大管径水平管路系统的预测6 0 3 4 1 不同管径系统的临界表观油速6 0 3 4 - 2 管壁粗糙度对临界表观油速的影响6 2 3 5 本章小结6 3 第4 章上倾管段内油携水的理论分析6 5 4 1 不稳定水塞模型6 5 4 1 1 塞体体积6 6 4 1 2 塞尾水相厚度分布6 6 4 1 3 上倾管段不同位置处的出水量7 0 4 2 偏心大水滴模型一7 5 4 2 1 偏心大水滴速度的求解7 5 4 2 2 出水量的比较7 6 4 3 本章小结7 9 第5 章管道中油携水的二维数值模拟8 l 5 1 几何模型及网格划分8 l * 一j * m 一“ t 、f _ 14 一，。7 “、 。一”? 一一 一。一。 5 1 1 几何模型8 1 5 1 2 网格划分8 2 5 2 数学求解模型8 6 5 2 1 多相流模型8 6 5 2 2 求解器与离散格式8 8 5 2 3 计算参数以及物性参数一8 8 5 2 4 边界条件与初始条件8 8 5 2 5 时间步长9 0 5 3 模拟结果及验证9 1 5 3 1 不同表观油速时的计算结果9 l 5 3 2 不同初始水相持液率时的计算结果1 0 2 5 3 3 不同管径时的计算结果1 0 8 5 3 4 不同上倾倾角时的计算结果1 0 9 5 3 5 不同物性参数时的计算结果1 11 5 3 6 计算结果的各个影响因素1 1 4 5 4d 、结12 0 结论与展望1 2 2 l 本文主要结论12 2 2 对未来工作的展望1 2 4 参考文献1 2 5 附录131 附录1 术语解释131 1 水相持液率131 2i 瞄界表观油速1 3 1 附录2 两相界面呈梯度分布时分层流稳定性分析1 3 2 1 油水两相连续性方程一1 3 2 2 油水两相动量方程“13 3 3 界面稳定性分析13 5 附录3u d f 定义入口速度边界14 4 攻读博士学位期间取得的研究成果1 4 5 致 射1 4 6 作者简历1 4 7 油相湿周，m 水相湿周，m 油水两相界面湿周，m 管道横截面积，m 2 油相流通面积，m 2 水相流通面积，m 2 重力加速度，m s - 2 油相摩阻系数 水相摩阻系数 油水两相界面处摩阻系数 油相流速，m s 1 水相流速，m s 1 油相表观速度，m s d 水相表观速度，m s d 取决于流态的经验常数，层流取 1 6 ；紊流取0 0 4 6 取决于流态的经验常数，层流取 一l ；紊流取一o 2 管壁的绝对粗糙度，m 管路水力直径，m 雷诺数 水相厚度，m 两平板间距，m 水平管段长度，m 假设水相平铺时的水相厚度，m 取决于油相速度分布的常数，紊 流时c = 1 6 ；层流时c = 1 2 x 管道直径，m 水平管段无水段长度，m b o n d 数 e o t v o s 数 电压，v 摄氏温度， 流量，m 3 h 1 注水量，i i l l 进入上倾管段的水量，皿 出水量，r a l 压强，p a 油相的局部速度分布，m s 1 水相的局部速度分布，m s 1 塞尾内水速为零时的水相厚度，m 界面不稳定时的最小界面波传播速 度，1 1 1 s 。1 考虑波动界面的“记忆效应而附加 的克服界面稳定项的经验常数 相含率 界面波的波数 界面波波长，m 临界界面波速，m s 。 界面波传播速度，m s 1 参数j 的第f 个测量值 直接测量参数的真实值 等精度多次测量而言，为多次测量值 的算术平均值 d 口 曲 u 丁 q圪尸 g & 禺s 么 以钿 g五石玩魄 c r m 五 g a 研 s p 风 胎 厅 c 上倾管段某位置距水平管段右 端点的距离，m 油相内界面处的压强，p a 水相内界面处的压强，p a 油相内的压强，p a 水相内的压强，p a 水平管段水相厚度大于零小于 管径时的轴向长度，m 水平管段形成的水塞的长度，m 初始水相厚度对应的坐标位置， m 水平管段中临界水相厚度对应 的坐标位置，m 满足d m 戤= 盔。的表观油速，m s _ 满足d m 戤= 如的表观油速，m s d 满足盔b = 九的表观油速，m s - 1 原点固定在塞体上的运动坐标 系的运动速度，m s 。1 在静止水相中油泡的上升速度， m 。s 1 塞体的运动速度，m s 1 塞尾内水相厚度分析的临界水 相厚度，m 小水滴变形或聚结的临界直径， m 水平管段内形成水塞的最小水相厚 度，即临界水相厚度，m 界面光滑分层流的最大水相厚度，m 水塞模型中初始水相厚度，m 水塞模型中非零水相厚度，m 水塞模型中水相最大厚度，m 水塞模型中满足水相厚度不为零时 的水相体积，l i l l 不能进入上倾管段的水量，m l 水塞塞体长度，m 上倾管段某位置处由塞体进入塞尾 的水相体积，m l 水滴发生重力沉降的最小直径，m 水滴发生变形破裂的最小直径，m 塞体内水相的体积，l i l l 取决于泰勒泡前水塞的运速度分布 的经验常数 取决于水滴前油相速度分布的分布 参数 水滴在油相中的漂移速度，m s 1 水相分散时水滴的最大直径，m o 戤 睁 曲 船 凰加纵胁厢 n ， 凡凡 厶 如 勋 如如 g q l 2 t b 口 l 妊 矾时 w 加 水相密度，蚝m _ 3 油相速度分布形状因子 邝 油相密度，k g r t l 3 水相速度分布形状因子 加 速度较大相的密度，k g m 。 某物理量的差值 西 参数5 的不确定度 w水相粘度，p a s k油相满管流动时与管壁的剪切应t o油相粘度，p a s 力，n m 。2 液相 气相 分散相 最小值 管径2 7 ，4 1m i l l 的管路系统 非齐次偏微分方程的特定解 非齐次偏微分方程的一般解 上标 一 线性稳定性分析中物理量的稳定值 一阶导数 无量纲参数 标 n 一 下l g 玟一 卯 p h 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 大口径长距离的成品油管道在我国属于起步阶段，目前已建成投产的有兰成渝成品 油管道、西南成品油管道、西部成品油管道以及兰郑长( 兰州郑州长沙) 成品油管 道等。国外成品油管道发展较早，已经形成了一套比较完善的运营管理体制，而国内对 成品油管道的运营、管理还处于经验积累阶段。在兰成渝管道运营过程中，已发生多次 过滤器堵塞问题。鲁皖一期成品油管道以及西南成品油管道投产后也有类似情况发生。 据统计【1 】，截至2 0 0 4 年底，兰成渝管道因杂质堵塞干线过滤器、减压阀、泵机械密封冷 却管、泵进出口阀门闸板槽等设备造成的停输事故占总停输事故量的9 1 以上。根据检 测报告，管冉杂质的主要成分是沙石、焊渣和铁的氧化物( 氧化铁) 。 管道施工期间，石子、焊渣等杂物存留在管道中，虽采取了分段通球、风吹扫线等 措施，因管道较长致使难以彻底清除。铁锈的来源主要有两部分：一是管道施工期间管 道暴露于大气中产生的浮锈；二是管道运营过程中管壁内腐蚀产生的铁锈。有学者对钢 管内壁的浮锈生成规律以及兰成渝成品油管道所输油品的腐蚀性进行了实验研究1 2 ，引， 认为钢管投产前暴露于空气( 含水汽) 中，钢管内壁势必发生腐蚀，通过浮锈实验测得 水盆上方的钢管腐蚀速率为0 0 0 9 1i t l l n a 1 ；同时采用美国c o r t e s t 公司m i c r o c o r 快速 高分辨率磁感应腐蚀监测系统在兰成渝管道成都站进行了在线监测，测得管道的内腐蚀 速率为0 0 0 5 0 0 2 4 4m m a - 1 。可见，管道的内腐蚀速率与浮锈实验测得的水盆环境下钢 管的腐蚀速率大小相当。不过文献【2 ，3 】的作者认为兰成渝管道中铁锈来源于管道投产前 的内壁浮锈；而油品本身的腐蚀性很小，短期内不能产生大量铁锈。根据水盆上方的腐 蚀速率以及实测内腐蚀速率计算1 年内产生的腐蚀量( 取钢管密度7 8 5 1 0 3k g m ，管 长1 2 4 7k m ，管内径5 0 8m m ) 分别约为1 4 2 吨、7 8 3 8 1 吨；另外，清管杂质中氧化铁 的量并未随清管操作的不断进行而显著减少。由此可看出，因管道中油品腐蚀性产生的 铁锈不容忽视，清管杂质中的氧化铁也来源于管道内壁腐蚀。 腐蚀需要电解质溶液环境，说明成品油管道中存在水。管道中水的来源有：对于 大落差管道，管道投产时采用油顶水的方式驱水，由于油水密度差较大、粘度差较小， 同等压能下油品的爬坡能力比水强，可能出现油品己越过高点而水沿管道下壁逆流的现 象，因此管道低洼处形成积水；所输油品含有微量水，也因密度较大而聚集在管道低 洼处。管内积水在管道运行过程中引起管道内腐蚀，不断产生固体腐蚀产物。若管道中 第l 章绪论 油品流速增大，油流对腐蚀产物的搅动增大，若腐蚀产物被油品携带，会阻塞过滤器、 减压阀等设备。 若能将成品油管道中的积水携带出去，可有效减轻管道内腐蚀并减少腐蚀产物阻塞 过滤器、减压阀等设备的阻塞事故的发生。管输油品自身具有一定的冲刷携带能力，若 利用上游来流将管道低洼处积水携带出去，既可减轻管道的内腐蚀、减少清管操作次数， 又能减少阻塞事故以及管道计划外停输事故的发生。因此，研究油流排除管中积水对保 障成品油管道的安全运营具有重要的工程应用价值。 另外，在气田开采过程中，集气管线会采出游离水，导致天然气管线中产生积液。 同时，在天然气管输过程中，由于管壁与周围环境之间的热交换，管内流体温度降低， 天然气的饱和含水量减小，一定条件下会析出凝析液，因其密度大于气相而聚集于管