李曉偉 霍富永 朱國(guó)承 矯捷 何利民

1中國(guó)石油大學(xué)(華東)

2西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司

全鋼質(zhì)管道強(qiáng)度高、可焊性好、易于連接,在油氣運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)用普遍.國(guó)內(nèi)鋼質(zhì)管道集輸油工藝計(jì)算軟件和方法已經(jīng)成熟,但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中由于原油中溶解的酸性物質(zhì),會(huì)帶來(lái)管道嚴(yán)重腐蝕[1].石油開(kāi)采后期,水驅(qū)、聚合物驅(qū)導(dǎo)致原油含水率高、pH值低,由此帶來(lái)的管道腐蝕嚴(yán)重.塔里木油田北部地區(qū)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(zhǎng),耐腐蝕,保溫效果好,結(jié)垢少,成本低(使用壽命30年以上),目前已在很多油田設(shè)計(jì)使用[3~5].

RTP管是一種高壓塑料復(fù)合管材,由三層結(jié)構(gòu)組成(圖1),具有強(qiáng)度高、施工和連接方便、質(zhì)量輕且無(wú)需防腐等優(yōu)點(diǎn),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(guó)投入使用,試運(yùn)行后,Shell公司于1996年底在阿曼油田輸油管線上正式使用內(nèi)徑150mm、長(zhǎng)7 km的RTP管道.之后巴西石油公司、法國(guó)天燃?xì)夤疽约耙恍㏑TP制造商等多家單位發(fā)起了JIP聯(lián)合工程項(xiàng)目,于2006年制定公布了RTP產(chǎn)品的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),將RTP管全面推廣應(yīng)用于陸上油氣開(kāi)發(fā)、燃?xì)廨斔图昂Ｉ嫌蜌忾_(kāi)發(fā)等領(lǐng)域[6].

圖1 RTP管常見(jiàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Common structure of RTP

1 RTP管道摩阻計(jì)算現(xiàn)狀

非金屬管道與鋼質(zhì)管道有質(zhì)的區(qū)別.非金屬管道的粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬管道(表1),一般為金屬管道的10%~80%.

表1 常見(jiàn)管材內(nèi)表面絕對(duì)粗糙度Tab.1 Absolute roughness of internal surface for common tubes mm

粗糙度低會(huì)帶來(lái)管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中摩阻系數(shù)低,減少輸送過(guò)程中泵提供的動(dòng)力.同時(shí),RTP管道與流動(dòng)介質(zhì)的接觸特性也會(huì)影響摩阻的計(jì)算.粗糙度、接觸特性帶來(lái)的摩阻變化,需要進(jìn)行特定理論分析或者由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析論證.

我國(guó)已于2010年確定了《非金屬管道設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》[7-10].規(guī)范分為四部分:高壓玻璃纖維管管線、鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管、塑料合金防腐蝕復(fù)合管、鋼骨架增強(qiáng)塑料復(fù)合管.規(guī)范中建議供水管道壓降參考式(1)計(jì)算

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

然而,此公式未能體現(xiàn)出RTP管道由于粗糙度降低帶來(lái)的沿途壓降減小,同時(shí)其準(zhǔn)確性并未進(jìn)一步論證.

在工程上,計(jì)算水力壓降多采用達(dá)西(Darcy)公式[11],認(rèn)為粗糙度影響摩阻系數(shù)λ

式中:h為水力壓降,m;λ為水力摩阻系數(shù);L為管道水力計(jì)算長(zhǎng)度,m;D為管道內(nèi)徑,m;v為管道內(nèi)流體流速,m/s;g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?m/s2.

在管道設(shè)計(jì)輸量下,采用金屬管道時(shí),通常設(shè)計(jì)管內(nèi)原油流動(dòng)處于水力光滑區(qū).當(dāng)同一流量下,替換為同一管徑的非金屬管道時(shí),管道粗糙度降低,但是水力光滑區(qū)的分界并不會(huì)隨粗糙度減小而發(fā)生變化,摩阻計(jì)算公式仍應(yīng)采用水力光滑區(qū)計(jì)算公式.

目前針對(duì)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(jié)合莫迪(Moody)圖(圖2)說(shuō)明非金屬管道摩阻系數(shù)低.工業(yè)計(jì)算中,對(duì)非金屬管道進(jìn)行水力計(jì)算過(guò)程缺乏統(tǒng)一、準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)公式.如果流動(dòng)處于水力光滑區(qū),借鑒目前已有的水力光滑區(qū)摩阻計(jì)算的兩個(gè)經(jīng)典公式:波拉修斯(Blasius)公式(應(yīng)用于4000

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

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(mén)公式求解水力光滑區(qū)的摩阻因子,可以看出摩阻因子不受粗糙度的影響.2010年規(guī)范中的公式實(shí)質(zhì)上是達(dá)西公式和波拉修斯公式的結(jié)合,也無(wú)法描述非合金管道粗糙度帶來(lái)的摩阻系數(shù)減小.從莫迪圖(圖2)可以看出,處于水力光滑區(qū)的摩阻系數(shù)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(zhǔn)確的半理論公式,更準(zhǔn)確地計(jì)算沿程壓降,為工程提供更為準(zhǔn)確的非金屬管道沿途壓降計(jì)算準(zhǔn)則,成為RTP管道內(nèi)流體流動(dòng)特性的研究重點(diǎn).

2 RPT管道摩阻計(jì)算模型的建立

為進(jìn)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(chǔ),分析無(wú)量綱摩阻修正量,采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提供不同油品在RTP管道中流動(dòng)過(guò)程摩阻修正參數(shù),完善RTP管道摩阻計(jì)算模型[12-13].

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

圖3 層流時(shí)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(guò)程中增加對(duì)滑移速度的描述,對(duì)流動(dòng)過(guò)程中的摩阻進(jìn)行建模.摩阻建模過(guò)程,以波拉修斯公式為基礎(chǔ),增加相對(duì)滑移速度u0的影響.

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

式中:uˉ為管道內(nèi)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(lái)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(wú)滑移時(shí)的速度進(jìn)行求解.首先求得流體與流體邊界相對(duì)速度uc

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

計(jì)算過(guò)程的雷諾數(shù)也以相對(duì)速度為基礎(chǔ)

式中Rec為使用管道內(nèi)流體與流體邊界的相對(duì)速度uc計(jì)算得到的雷諾數(shù).

摩阻系數(shù)的形式參考波拉修斯公式基本形式

式中λc為以相對(duì)滑移速度雷諾數(shù)計(jì)算得到的水力摩阻系數(shù).

2)水分管理。機(jī)插后淺水護(hù)苗，活棵后露田2～3天，以后淺水勤灌，當(dāng)總苗數(shù)達(dá)到預(yù)定苗數(shù)80%時(shí)開(kāi)始曬田，達(dá)到田中不陷腳，葉色褪淡，葉片挺起為止。曬田復(fù)水后，保持干濕交替，在孕穗及抽穗揚(yáng)花期保持淺水層，收割前5～7天斷水。

進(jìn)而以滑移速度為基礎(chǔ),采用達(dá)西公式計(jì)算水力壓降hc

式中:hc為水力壓降,m;L為管道水力計(jì)算長(zhǎng)度,m.

通過(guò)上述體系,可以完成存在滑移時(shí)水力摩阻的計(jì)算.但是對(duì)于滑移速度u0,并未找到合適的關(guān)系描述,使此模型封閉.為進(jìn)一步了解流體在RTP管道流動(dòng)過(guò)程中,由于表面性質(zhì)可能會(huì)產(chǎn)生一定的速度滑移現(xiàn)象而對(duì)摩阻存在影響,嘗試通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定合理的計(jì)算滑移速度的關(guān)系式.

3 RPT管道摩阻實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步確定不同油品在不同非金屬管道內(nèi)流動(dòng)的摩阻性質(zhì),在室內(nèi)搭建圖4所示實(shí)驗(yàn)管路,對(duì)流動(dòng)過(guò)程沿程摩阻計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化.測(cè)試管道長(zhǎng)9 m,管道外套有絕熱層,盡可能保證流體流動(dòng)過(guò)程中溫度變化在可接受范圍內(nèi).

圖4 實(shí)驗(yàn)管路示意圖Fig.4 Sketch diagram of experimental flow line

實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用水、黃島原油為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),使用德國(guó)Anton Paar旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)介質(zhì)黏度進(jìn)行測(cè)量,使用SY-05型石油密度計(jì)對(duì)介質(zhì)密度進(jìn)行測(cè)量.

測(cè)試管道選取3種非金屬管道,管道材質(zhì)型號(hào)分別為4731B、3711、100S.這3種材質(zhì)有不同特點(diǎn),其中4731B為進(jìn)口PERTO材料,具有較好的耐熱性;3711為國(guó)產(chǎn)PE第一代材料;100S是國(guó)產(chǎn)PE1.5代,PE中加入了改性劑,耐溫性較好.實(shí)驗(yàn)前,使用水和黃島原油對(duì)流體在實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)表面的附著性進(jìn)行測(cè)試,得到金屬管道內(nèi)表面具有親水疏油性,3種非金屬管道內(nèi)表面均具有親油疏水性.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,調(diào)整儲(chǔ)液罐內(nèi)的加熱絲,水為工作介質(zhì)時(shí),保證儲(chǔ)液罐內(nèi)溫度恒定于20℃±0.1℃;黃島原油為介質(zhì)時(shí),保證儲(chǔ)液罐內(nèi)溫度恒定于17℃±0.1℃.通過(guò)設(shè)備測(cè)量黏度-溫度曲線、密度-溫度曲線,分析合理性后,確定流動(dòng)設(shè)計(jì)工況的工作點(diǎn)的密度和黏度.實(shí)驗(yàn)當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?.807 m/s2.

首先以水為介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程保證儲(chǔ)液罐溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)溫度,流動(dòng)穩(wěn)定后測(cè)得壓降.為分析非金屬管道管徑對(duì)摩阻的影響,以100S材質(zhì)為基礎(chǔ),管徑分別為DN20mm、DN25mm、DN40mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn).通過(guò)達(dá)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(shù)擬合關(guān)系,如圖5所示.

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

管徑為DN40 mm時(shí)

管徑為DN25 mm時(shí)

管徑為DN20 mm時(shí)

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的管徑數(shù)據(jù)有限,難以確定u0與Re之間的系數(shù)在不同管徑中的計(jì)算方法.

u0與Re之間呈線性關(guān)系的原因,一定程度上是由于在管道穩(wěn)定流動(dòng)水力摩阻計(jì)算過(guò)程中,雷諾數(shù)表現(xiàn)為慣性力與黏性力無(wú)量綱比、與流動(dòng)速度呈線性相關(guān);而滑移速度一定程度上與管道邊緣速度梯度線性相關(guān).在管道一維層流流動(dòng)中,可以認(rèn)為,.結(jié)合管道內(nèi)徑給定,可以得到u0與uˉ線性相關(guān),進(jìn)而得到u0與Re線性相關(guān).然而實(shí)際過(guò)程中,由于流動(dòng)并非一定處于層流區(qū),u0與Re線性關(guān)系需要進(jìn)一步論證.

為探究不同材質(zhì)的RTP管道對(duì)管道內(nèi)流動(dòng)摩阻的影響,采用管徑為DN25 mm的4371B、100S、3711共3種材質(zhì)的管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn).由于不同材質(zhì)的RTP管道表面性質(zhì)差異,管道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中不同的滑移效果會(huì)帶來(lái)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(zhì)下滑移速度與雷諾數(shù)關(guān)系(水為工作介質(zhì))Fig.6 Relation between slip velocity and Re number for different material(flow medium:water)

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),同一管徑、不同雷諾數(shù)條件下,由于管道內(nèi)表面性質(zhì)存在差異,會(huì)存在不同的計(jì)算滑移速度.通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出,不同RTP管道材質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致不同的滑移速度.因此,在使用RTP管道之前,需要對(duì)此管道表面性質(zhì)進(jìn)行研究,確定合理的計(jì)算公式.

為了進(jìn)一步研究原油在RTP管道中的摩阻計(jì)算方法,采用黃島原油,以類似的實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算模型,分析黃島原油為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)時(shí)的滑移模型摩阻計(jì)算參數(shù).

同樣,以材質(zhì)為100S不同管徑的RTP管道,材質(zhì)不同的內(nèi)徑為DN25 mm的RTP管道,分析黃島原油為介質(zhì)的流動(dòng)中管徑、材質(zhì)對(duì)滑移速度與雷諾數(shù)關(guān)系的影響(圖7).

通過(guò)圖7可以看出,滑移速度與雷諾數(shù)之間的線性關(guān)系比較明顯,不同材質(zhì)內(nèi)表面會(huì)導(dǎo)致計(jì)算滑移速度與雷諾數(shù)之間存在不確定影響.在水力光滑區(qū),可以通過(guò)一定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),完善滑移速度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,進(jìn)而使用計(jì)算滑移速度模型求解摩阻系數(shù).

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

可以發(fā)現(xiàn),在原油為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中,存在反算滑移速度為負(fù)數(shù)的情形,以水為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中反算滑移速度均為正數(shù).這種現(xiàn)象的發(fā)生可能是與RTP管道的疏水親油性有關(guān).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(huì)導(dǎo)致管內(nèi)流體流速較低時(shí),雷諾數(shù)較小,管道與原油之間的黏性力大于滑移剪切力,導(dǎo)致反算滑移速度為負(fù)數(shù).當(dāng)流速較高時(shí),黏性力小于滑移剪切力,反算滑移速度為負(fù)數(shù).同時(shí),由于建模過(guò)程中沒(méi)有考慮流體與管道之間黏性力的影響,因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)以黏性力遠(yuǎn)小于滑移剪切力的部分提供滑移速度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,以增加擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的準(zhǔn)確性.

4 結(jié)論

目前并未形成公認(rèn)的適用于RTP管道的水力摩阻計(jì)算方法.本文嘗試從流體與管道內(nèi)壁發(fā)生速度滑移為基礎(chǔ)建模求解,以實(shí)驗(yàn)確定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,在一定程度上為RTP管道水力摩阻計(jì)算提供參考.

(1)在水力光滑區(qū),管徑一定的情況下,計(jì)算過(guò)程采用的滑移速度與雷諾數(shù)呈線性相關(guān),并且線性系數(shù)因流體性質(zhì)、管道內(nèi)壁性質(zhì)而產(chǎn)生差異.本文提出的滑移速度摩阻計(jì)算模型需大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以完善不同油品在不同類型RTP管道中的計(jì)算參數(shù).由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用的管道數(shù)量有限,未能給出管徑對(duì)滑移模型計(jì)算線性相關(guān)系數(shù)的影響,后期需要增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以便對(duì)模型經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行完善.

(2)RTP管道材質(zhì)多種多樣,管道內(nèi)表面疏水親油性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致在一定范圍內(nèi)增加輸油過(guò)程的摩擦力,無(wú)法達(dá)到使用RTP管道減阻的目的.當(dāng)流體與管道內(nèi)壁黏性力大于滑移剪切力時(shí),反算滑移速度為負(fù)數(shù).在設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要對(duì)采用的RTP管道表面性質(zhì)有直觀認(rèn)知,選用合適的材質(zhì),最大程度地節(jié)能降耗,減小流體在管道內(nèi)的流動(dòng)阻力.

(3)在RTP管道以水為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中滑移速度均為正,因此在RTP管道設(shè)計(jì)過(guò)程中可以考慮對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行特殊處理,增強(qiáng)其疏水疏油性,保證流體流動(dòng)過(guò)程中管道與流體間滑動(dòng)剪切力遠(yuǎn)大于流體與內(nèi)壁的黏性力,從工藝設(shè)計(jì)上降低管輸過(guò)程中的水力摩阻.