两种互不相容液体之间的密度相近, 但粘度差别却非常大。输送高粘度液体时, 使低粘度液体(如水)在管壁和高粘度核心流(如超稠油)之间形成环状润滑液膜, 在一定的操作条件下, 两种流体在管内形成同心液环, 低粘度流体液膜靠近管壁, 从而避免因超稠油与管壁直接接触而导致较高的压力损失^[1]。Bensakhria等设计的水膜发生器, 当稠油通过水平管段时, 利用环形注射方式引进水流, 而Hasson等设计的水膜发生器形状对称, 可以在很大程度上限制管道壁面附近低粘度流体的流动区域, 降低入口流体的湍流程度^[2]。基于在辽河油田进行超稠油水膜面减阻技术中型试验(架空试验管道长度200 m, 规格φ 57×3.5)的成功经验, 借鉴国外水膜发生器的相关技术, 开展新型高效水膜发生器的研究设计, 研制产品即将应用于φ 406×8实际运行管道中。

1.   结构设计

1.1   水膜形成机理

高压水流通过注水口射入后为湍流模式, 各个方向速度均不稳定, 不易形成稳定水膜。因此, 在设计水膜发生器时, 使高压水流入射后通过一个厚度为1 mm的穿孔板再形成水膜, 穿孔板均匀开孔, 可以很好地控制入流速度; 与水流入口垂直的板(穿孔板)上留有一定面积不开孔(图 1), 使高速水流直接射到未开孔的钢板上以控制水流动能。通过Fluent仿真软件对水膜发生器内部流场进行模拟, 确定水膜发生器的合理长度和开孔直径。通过控制水流入口压力、速度, 可以控制水膜发生器形成水膜的厚度。

图  1  水膜发生器结构示意图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   渗透筛管的选择

将孔径为1 mm的不锈钢穿孔板制作成圆柱形水膜面渗透筛管(图 2, 开孔率为15%), 其作用是使垂直方向的水流均匀而平稳地注入输油管道, 而水流通过筛管的渗透速度是水膜形成的关键因素。

图  2  水膜面渗透筛管示意图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   强度计算

根据水膜发生器的结构特点, 以壳单元建立全模型, 利用Structural Shell Elastic 4node63单元进行计算, 设置其常数为10 mm。由于水膜发生器筒体两端连接其它构件, 近似认为两端可以保持圆形截面形状, 为此约束环向位移; 在两端约束轴向位移, 向筒体内表面施加压力, 压力值为10 MPa。利用有限元软件ANSYS对水膜发生器进行应力分析, 得到此时的应力云图(图 3), 可知筒体两端的连接过渡处内表面为危险面, 其最大应力强度值为30.801 MPa, 远远小于X52管线钢的屈服极限值。以X52管线钢为材料的水膜发生器最大承受压力可达32.9 MPa, 当管道运行压力为6 MPa时, 可以保证安全运行。同时, 根据ANSYS软件的模拟结果(图 3), 管壁开孔处(红色区域)应力集中, 应进行加强处理^[3-4]。

图  3  水膜发生器ANSYS应力分布云图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   内部流场分析

3.1   数学模型

运用Gambit建立三维模型并进行网格划分(图 4)。由于水膜面形成后环绕在油心的周围, 在壁面和油心之间形成薄膜, 为了捕捉界面的流体力学数据, 划分网格时使用边界层网格进行处理, 同时增大环状区域的网格密度。

图  4  水膜发生器内部流场三维模型网格划分

下载: 全尺寸图片 幻灯片

基于VOF模型建立水膜发生器内部流场的连续性方程、动量方程、κ方程、ε方程。为了便于对控制方程进行分析，以及利用同一程序求解各控制方程，设通用变量φ，则各控制方程均可表示为：

式中: 各项自左向右依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项, 其中: ρ为流体密度; u为速度矢量。对于特定方程, φ、Γ、S具有特定的形式(表 1, 其中: u_i为i方向的速度分量; µ为应力张量; p为静压; S_i为包含了其它的模型相关源项, 如多孔介质和自定义源项)。

表  1  水膜发生器内部流场通用方程中各符号的具体形式

下载: 导出CSV 

| 显示表格

式中: κ为湍动能; t为时间; ε为耗散率; x_i为i方向; x_j为j方向; G_κ为由平均速度梯度引起的湍动能产生项; G_b为由浮力引起的湍动能产生项; Y_M为可压缩湍流中脉动扩张的贡献; C_1ε、C_2ε和C_3ε为经验常数; α_κ、α_ε分别为与κ和ε对应的Prandtl数; S_κ和S_ε为用户定义的源项^[5]; µ_t为湍流粘度; C_µ为常数。

水膜发生器的渗透筛管由厚度为0.001 m的不锈钢穿孔板制成, 使用Fluent对其进行运算处理时可以应用多孔介质模型。因不锈钢穿孔板很薄, 建立模型时使用表面区域而不是单元区域, 故形成的多孔介质一维化简模型被称为多孔跳跃, 可用于模拟具有已知速度、压降特征的薄膜。多孔介质的动量方程具有附加的动量源项, 其由两部分组成, 即粘性损失项和惯性损失项:

式中: α为渗透率; C₂为内部阻力因子; µ为液体粘度, Pa · s; v_i为i方向的速度分量, m/s; v_j为j方向的速度分量, m/s。通过多孔介质的液体为水, 其粘度较低, 穿孔板很薄, 因此忽略粘性损失项, 只考虑惯性损失项^[6]。

3.2   边界条件与初始条件

水膜发生器在初始条件下充满水, 流动从稠油入口开始。油和水两相液流均为速度入口, 油流入口速度0.8 m/s, 水流入口速度1 m/s。出口压力101 325 Pa, 两液体的表面张力0.3 N/m。考虑y方向重力因素, 其值为-9.8 m/s。超稠油密度为0.996 kg/m³, 粘度为2.5 Pa · s。不锈钢穿孔板的开孔率为15%, 假设水流通过穿孔板的压降是水头压力的0.5倍, 可以通过下式计算惯性损失项中适当的C₂值。

式中: Δp为压降, Pa; K_l为压降损失因数; ρ为流体密度, kg/m³; v_15%²为液体通过开孔率为15%穿孔板后的速度, m/s。

在Fluent模型中, 水流通过穿孔板的速度假定为100%开孔率下的速度, 惯性损失系数必须转化为多孔区域的动压头损失^[6], 计算出在15%开孔率下, C₂=25 000。

3.3   结果与分析

采用非稳态模型对水膜发生器形成水膜的情况进行模拟, 计算时间控制在3 600 s, 并且结果已经收敛。观察水膜面的形成情况(图 5a, 红色代表油相, 蓝色代表水相), 在运行时间内油相体积分数图像变化基本保持稳定, 油水混合区域出现锯齿波的主要原因是: 在网格划分过程中使用了边界层网格, 靠近壁面区域网格划分密集, 而水膜发生器内部核心区域网格划分较为稀松。因此, 含水率稍有变化, 水相的体积分数图像变化幅度即非常明显, 但依然可见壁面附近水膜面的稳定形成。由水流入口中心截面图(图 5b)可知, 因水流垂直注入到没有开孔的不锈钢板上, 故油水界面清晰。在这里定义x=0.4 m时为水膜发生器出口, x=0.6 m时为该模型出口。由水膜发生器出口和模型出口的截面图(图 5c、图 5d)可知, 水膜发生器出口处的水膜面厚度大于模型出口的水膜面厚度。

图  5  水膜面形成后油相的体积分数

下载: 全尺寸图片 幻灯片

对水膜发生器的内部速度场进行分析(图 6a, 油流入口速度为0.8 m/s, 对应浅黄色区域), 水膜面形成以后, 水流在水膜发生器及管道轴心位置的速度较大。水流入口速度为1 m/s, 垂直注入到没有开孔的不锈钢板上。水膜面渗透筛管外侧为水相区域, 约在轴向x=0.14处筛网外侧的水流速度减小至趋于稳定。由此可以推断, 在设计水膜发生器时, 适当减小其轴向长度不会影响水膜面的稳定形成。筛管外环区域基本为浅绿色(图 6b), 表明水膜发生器设计8个入水口时得到的径向速度较为理想, 筛管内侧由于超稠油的高粘性使边界层附近的速度梯度变化明显。根据水膜发生器出口和模型出口的速度梯度云图(图 6c、图 6d), 水流速度在径向上逐渐变化, 最高速度在管的中心位置, 并沿径向逐渐减小, 至壁面接近于0。

图  6  水膜面形成后的速度梯度

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   结论

研究设计了一种水膜发生器, 其使水流垂直入射至水平管道上, 并在管道上套加渗透筛管, 外管走水, 内管走油。根据Fluent软件的模拟结果, 可以适当减小水膜面渗透筛管的轴向长度, 但需保留穿孔板上一定面积为不开孔区域, 以保证在筛管外得到稳定的水流速度场。根据强度计算结果, 使用材料为X52的管线钢制作水膜发生器完全可以满足实际运行工况条件的要求。根据ANSYS软件的模拟分析结果, 水膜发生器外壁面开孔处应进行加强处理。综上分析, 该水膜发生器可以应用于实际运行管道中, 并能够获得稳定的环状水膜面。