管路输运段塞流及CFD在段塞流仿真中的应用

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1、引言

石油天然气等多相流在管道输送过程中会呈现出多种复杂流型。根据气液两相的流动状态及相对运动情况，可分为泡状流、段塞流、过渡流、环状流、弥散流等。不同流型下，两相的分布特征、压降特性、流动稳定性等均有显著差异，对管道输送系统的安全、高效运行产生不同程度的影响。

2、流型概述

2.1 水平管路

气泡流：气体以气泡的形式分散在液体中，气泡的大小和形状不一，通常呈球形或椭球形。气泡在液体中随液体一起流动，其上升速度受液体的流动速度和粘性影响。气泡在管道上部移动，速度与液体相近，随着液体流速的增加，气泡在管道截面上的分布会更加均匀。气体表观流速为 0.3-3m/s，液体表观流速为 1.5-5m/s。当液体流速较高时，气泡会分散在整个管道中，也称为泡沫流或分散气泡流。气泡流的流动相对稳定，对管道的冲击和磨损较小，压降也相对较小，有利于管道的安全运行。

气团流：随着气体流量的增加，气泡相互作用并合并形成较大的气团，气团在管道中与液体一同流动，占据管道截面的大部分，除了管道壁上的一层薄液体膜，这层液体膜在管道底部更厚。气体表观流速小于 0.9m/s，液体表观流速小于 0.6m/s。气团流的形成与气液两相的流量比、流体的物理性质等因素有关。

分层流：在液相和气相流速均较低时形成，液体在管道下部流动，气体则在上部流动，气液之间形成明显的分界面，界面通常是平滑的。在气液两相流动中，液体和气体在管道内部分为两层流动，液体在下层，气体在上层，两相之间存在一个较为清晰的分界面。液体表观流速小于 0.15m/s，气体表观流速在 0.6-3m/s 之间。这种分层流动状态主要取决于气液两相的流速和物理性质，如密度、粘度等。分层流的流动较为平稳，压降较小，对管道的磨损和冲击也较小，有利于管道的安全运行。

波浪流：当气相流速略高于液相流速时，液相在管道底部形成波浪状的流动，波浪的高度和波长随气液两相的流量变化而变化，波浪的顶端可能会触及管道的顶部。分层流中的液相在管道底部形成波浪，液相与气相之间存在波浪状的界面，波浪的形成是由于气液两相的流动速度差异和气液之间的剪切力作用所致。液体表观流速小于 0.3m/s，气体表观流速大于 5m/s。波浪流的形成与气液两相的流速、流体的性质以及管道的几何形状等因素有关。

段塞流：气体流速进一步增加时，波浪高度增加至触及管道内壁上表面，形成泡沫状冲击，段塞流的液体速度大于液体平均速度。液体冲击高速撞击连接件和回流处，会导致设备严重振动，还会因液体高速冲击而侵蚀系统内壁。气体以大的子弹状气泡（泰勒气泡）的形式存在，其直径几乎达到管道直径，这些气泡均匀地向上移动，并被连接在管道上的连续液体段塞隔开，液体段塞中含有小气泡，气泡的速度大于液体的速度。段塞流出现在气体流速较大、液体流速较低的工况下。其形成与气液两相的流量比、流体的物理性质以及管道的几何形状等因素密切相关。段塞流的不稳定性会对管道产生较大的冲击和振动，可能导致管道连接部位松动、泄漏，加速管道的磨损和腐蚀，增加管道的维护成本和安全风险，同时也会引起管道内压力和流量的大幅波动，影响生产系统的稳定运行。

不完全环状流：液体在管道内壁形成一层液膜，但液膜尚未完全闭合，气体在液膜中心区域流动，液膜的厚度和连续性受气液两相的流量和流体性质影响。在气液两相流速处于一定范围时形成，通常出现在从波浪流向环状流过渡的过程中。

环状流：液体在管道内壁形成一层连续的液膜，气体在液膜中心区域形成气芯并高速流动，液膜的厚度相对较薄，且比较均匀，气体是连续相，液体以膜的形式存在于管道壁面。气体表观流速大于 6m/s。环状流的形成主要取决于气体的流速，当气体流速足够大时，能够将液相抛向管道壁面形成液膜。

弥散流：气体作为连续相，液体以细小的雾滴形式高度分散在气体中，雾滴的直径通常较小，容易被气体带走，液体弥散在气体中，形成一种类似于雾的流动状态。气体表观流速大于 60m/s。当气体流速极高时，液体被气体强烈地撕裂和分散，形成细小的雾滴。弥散流的压降主要由气体流动决定，液体对压降的影响相对较小，液体容易被输送到管道的下游，但也容易在管道壁面形成液膜，影响传热和传质效果，此外，弥散的雾滴可能会对管道壁面造成冲蚀。

图 2.1水平管路流型图

2.2 垂直管路

泡状流：与水平管类似，气体以气泡形式分散在液体中上升。但由于重力作用，气泡在垂直管中会上浮，气泡的上升速度受液体的流动速度和粘性影响。当液体流量较小时，气泡可能呈现为单个或少数几个较大的气泡上升；当液体流量增大时，气泡会变得细小分散。

段塞流：垂直管中的段塞流与水平管中的段塞流在形成机制和特征上有一定的相似性，但垂直管中的液塞长度相对较短，气塞中气体含量相对较低。液塞在上升过程中会受到重力和气体曳力的共同作用，其运动速度和形状会不断变化，对管道的冲击和振动更为明显。

过渡流：在垂直管中，气液两相流的流型会随着气液流量比的变化而发生转变。在过渡流型中，气液两相的流动状态较为复杂，既有气泡的聚并和分裂，又有液塞的形成和运动，对流动特性的影响也较为复杂。

环状流：液体在管道内壁形成一层液膜，气体在液膜中心区域形成气芯并高速流动。液膜的厚度和气芯的形状受气液流量比、流体性质、管道直径等因素影响。

图 2.2垂直管路流型图

3、段塞流的形成及危害

3.1 形成原因

段塞流通常在气液两相流量比处于一定范围且管道倾斜或垂直向上输送时容易形成。当液体流量较小，气体流量较大时，气体以较大的速度携带液滴或液膜向上流动，随着气体的推进和液体的积聚，会逐渐形成一段段较大的液塞（段塞），段塞之间夹杂着气泡流动，从而形成段塞流。其形成过程主要与气液两相的物理性质（如密度、粘度）、流动速度、管道几何参数（如管道直径、倾斜角度）等因素密切相关。

3.2 危害

段塞流中液塞的周期性流动会对管道壁产生强烈的冲击力，长期作用下可能导致管道振动加剧，甚至造成管道连接部位松动、泄漏，影响管道的完整性和安全性。同时，液塞的高速冲击还可能加速管道内壁的磨损，缩短管道使用寿命。

此外，段塞流的不稳定性会导致管道内压力和流量出现大幅波动。这种波动不利于管道输送系统的稳定运行，可能影响下游设备（如分离器、泵、压缩机等）的正常工作，降低生产效率，甚至可能引起设备故障，引发安全事故。

在段塞流工况下，传统的流量测量仪表（如差压式流量计、涡轮流量计等）的测量精度会受到严重影响。由于液塞和气泡的交替出现，使得流量计所测得的参数无法准确反映实际流量，进而影响整个管道输送系统的监控与管理。

4、段塞流的控制手段

（一）优化管道设计

合理设计管道的几何形状和走向，如适当调整管道的倾斜角度、减少不必要的弯头和阀门等局部阻力部件，可以有效改善气液两相的流动状态，降低段塞流形成的概率。例如，在设计油气田集输管道时，通过采用较大的管道直径来降低液体流速，使气体更容易携带液体形成较为稳定的气液混合流动，避免段塞流的产生。

（二）添加化学药剂

向管道内添加适量的化学药剂（如消泡剂、降粘剂等），可以改变气液两相的物理性质，改善流动特性。消泡剂能够降低液相的表面张力，使液膜更易破裂，减少液塞的形成；降粘剂则可降低液体的粘度，提高液体的流动性，增强气体对液体的携带能力，从而达到控制段塞流的目的。在海上油气田生产中，常通过向生产管道中注入化学药剂来减缓段塞流的危害。

（三）安装辅助设备

安装气体或液体注入装置，在管道的合适位置注入一定量的气体或液体，调整气液两相的流量比，使其远离段塞流形成的临界区域。例如，在一些长距离油气输送管道的中途，设置气体注入站，根据管道内的实际流动情况适时注入气体，改变管道内气体的流量，避免段塞流的产生。此外，还可通过在集输管道末端设置段塞流捕集器，来避免油气田长距离集输和清管作业产生较大段塞流对管道末端的接收、处理装置造成影响。还可以采用安装液位控制器、流量调节阀等设备，实时监测和调节管道内的液位和流量，维持管道内气液两相的稳定流动。