水预润湿对液体管道流动阻力特性的影响

齐红媛 ，梁爱国 ，蒋华义 ，种新民 ，敬加强 ，王玉龙

（1. 西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065；2. 西安石油大学 陕西省油气田特种增产技术重点实验室，陕西 西安 710065；3. 克拉玛依红山油田有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000；4. 新疆油田采油一厂，新疆 克拉玛依 834000；5. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

随着先进测试手段及分析技术的发展，一些研究结果表明，在某些条件下经典流体力学中所采用的固-液界面无滑移假设并不成立［1-2］，界面滑移有可能出现［3-6］，且滑移边界条件和液体所流经表面的性质直接相关，流体流过疏水表面时容易发生滑移，壁面处的滑移又可以降低流动阻力［7-12］。本课题组从管材角度开展的实验证实，对于相同的管输液体，可通过更换管输的材质改变润湿性，进而降低流动阻力［13-15］。但对于已有管道材质，在不改变管输液体的前提下，如何通过固-液界面润湿性能的调控对流动阻力进行优化仍然是一个挑战。许道振等［16］针对含水输油管道的内腐蚀问题，研究了润湿历史在油-水-固三相体系中的作用。研究结果表明，在碳钢和有机玻璃表面，预润湿的一相均表现出阻碍另一相润湿固体表面的倾向。

鉴于此，本工作提出通过管壁预润湿的方法来调节固-液界面的润湿性能，进而影响液体流动阻力的思路。以有机玻璃管、304不锈钢管和26#白油为研究对象，采用接触角测定仪和管路实验装置，分别测量白油在两种水预润湿管壁的接触角及水预润湿条件下两种管段内的流量和压降，通过与未预润湿时的实验结果进行对比，探讨了水预润湿历史对白油流动阻力特性的影响，为输油管道内流动阻力的减小提供新的研究思路和方法。

1 实验部分

1.1 实验液体及管段

实验液体为陕西富绅工业设备有限公司生产的26#白油，在28 ℃下的密度、表面张力和动力黏度分别为0.885 g/cm3，29.45 mN/m，48.48 mPa·s。预润湿液体为自来水，在28 ℃下的密度、表面张力和动力黏度分别为0.995 g/cm3，70.13 mN/m，0.91 mPa·s。

实验管段为304不锈钢管和有机玻璃管，管径均为14 mm，管长均为5 m，表面粗糙度分别为3.216 μm 和 0.100 μm。

1.2 水预润湿管壁接触角的测量

试件的制备及预处理［17］：由于实验管段的管径较小，为了减小管段曲率对接触角测量结果的影响，使试件表面更接近于平面，选用较大管径的管子切取试件，每种材质制备4个试件，几何尺寸约为5 mm×5 mm×3 mm。将所有试件用丙酮、无水乙醇、蒸馏水在超声波清洗机中超声处理后烘干，置于干燥皿中备用。

为了模拟测量水预润湿工况下管材表面的接触角，在上海中晨数字设备有限公司JC2000D2型接触角测定仪的基础上，设计并加工了一个液-液-固接触角测量池，用于测定油相（26#白油）在水-固界面（水相为自来水）的接触角，测量池的示意图见图1。

图1 液-液-固接触角测量池Fig.1 Liquid-liquid-solid contact angle（θ） measurement.

液-液-固接触角测量池是由5 cm×5 cm×5 cm的玻璃槽和水平托架组成。测量前，先用双面胶将待测试件粘在水平托架的下表面，置于玻璃槽中，然后向槽中注自来水，使其液面没过托架上表面。测量时，先用弯头微量进样器将10 μL白油油滴注入试件下表面的水中，油滴在水中上浮并附着在试件下表面，待平衡后记录接触角图像，计算白油在水-固界面的接触角，每种管材重复4次，取平均值。

固-液界面的润湿性通常用接触角来衡量。对于水预润湿工况，当测得的固-液界面的接触角大于90°时，表明管道表面呈现亲水疏油性，水相占主导地位，油相不易润湿管道表面；反之，管道表面呈现亲油疏水性，油相占主导地位，油相容易润湿管道表面。

1.3 管路实验装置及方法

为测试水预润湿工况下白油在不同管道内的流动阻力，本工作搭建了一套小型循环管路实验装置，可拆卸的实验管段全长5 m，管径14 mm，其中测试段长度为1 800 mm。为减小入口和出口效应的影响，选取入口段和出口段长度分别为2 100 mm和1 100 mm，除实验管段外，其余管路均为透明有机玻璃管，实验装置示意图见图2。

测试方法：按照图2所示的平台示意图，安装并调试好实验管路；启泵，关闭管路中的出口阀门，待自来水完全充满管道后，关闭流量计上游的进口阀门同时停泵，待30 min后，排空管内自来水；将26#白油注入储液罐中，再次启泵，分别调节白油在有机玻璃管和不锈钢管内的流量，记录每个流量下的压降。

图2 管路实验装置示意图［14］Fig.2 Schematic diagram of pipeline experiment apparatus［14］.

2 结果与讨论

2.1 水预润湿管壁的接触角

为了对比26#白油在水预润湿前后两种管道表面的接触角，先采用接触角测定仪测量白油和自来水在两种未预润湿管道表面的接触角，结果见图3和图4。在水预润湿条件下，白油在304不锈钢管和有机玻璃管表面的接触角如图5所示。

2.2 白油在不锈钢管内的流动

2.2.1 流量与压降

基于室内管路实验装置，测量了白油在水预润湿304不锈钢管内流动的流量和压降，并与未预润湿时的测量结果进行比较，结果如图6所示。

图3 白油在两种管道表面未预润湿时的接触角Fig.3 Contact angles of white oil on two pipe surfaces without water prewetting.

图4 自来水在两种管道表面的接触角Fig.4 Contact angles of tap water on two pipe surfaces.

图5 白油在两种管道表面水预润湿后的接触角Fig.5 Contact angles of white oil on two pipe surfaces prewetted by water.

通过图6对比可知，经自来水预润湿后，相同流量下，白油在304不锈钢管内的压降比未预润湿时的压降有所降低。当流量较小（0.146 m3/h）时，白油在304不锈钢管内预润湿前后的压降分别为4 821，4 724 Pa，压降降低了2.01%。当流量较大（0.348 m3/h）时，白油在304不锈钢管内预润湿前后的压降分别为8 799，8 536 Pa，压降降低了2.99%。造成这种现象的原因可能是，不锈钢管经过自来水预润湿后，管道内壁形成了一层薄薄的水膜，阻隔了白油与管壁的接触，使得输送同等流量白油的压降减小。

图6 白油在水预润湿304不锈钢管内的流量与压降的关系曲线Fig.6 Plot of pressure drop（Δp） of white oil against flow rate（Q）in 304 stainless steel pipe prewetted by water.

2.2.2 雷诺数与摩阻系数

根据白油在水预润湿304不锈钢管内流动的流量和压降，计算了相应雷诺数范围（65～190）和摩阻系数，并与未预润湿时的计算结果进行比较，结果如图7所示。

图7 白油在水预润湿304不锈钢管内的雷诺数与摩阻系数的关系曲线Fig.7 Plot of frictional coefficient（λ） of white oil against Re in 304 stainless steel pipe prewetted by water.

从图7可看出，当白油在304不锈钢管内流动的雷诺数相同时，经水预润湿后，油品实测摩阻系数仍与理论摩阻系数有较大差异。当雷诺数较小时，预润湿后的摩阻系数实测值大于摩阻系数理论值，呈现增阻现象，这与未预润湿时的规律一致。但在相同雷诺数下，经水预润湿后的摩阻系数实测值小于未预润湿时的摩阻系数实测值。如当雷诺数为65时，水预润湿后的白油摩阻系数实测值比未预润湿时减小了2.01%。当雷诺数为164时，白油摩阻系数实测值从未预润湿时的0.379 78降至预润湿后的0.368 09，减小了3.08%。造成这种现象的原因可能是，未预润湿时白油在不锈钢管表面的接触角仅有9.20°（见图3），白油易黏附在不锈钢管表面，引起流动阻力增大。但经水预润湿后，白油在不锈钢管表面的接触角增大到122°（见图5），远大于自来水在不锈钢管表面的接触角，白油变得很难润湿管壁。正是由于水的预润湿阻隔了管壁与白油之间的接触，使得不锈钢管表面由原始的亲油表面变成疏油表面，从而使得流动过程中白油的摩阻系数变小。

2.3 白油在有机玻璃管内的流动

2.3.1 流量与压降

基于室内管路实验装置，测量了白油在水预润湿有机玻璃管内流动的流量和压降，并与未润湿时的测量结果进行比较，结果如图8所示。

图8 白油在水预润湿有机玻璃管内的流量与压降的关系曲线Fig.8 Plot of pressure drop of white oil against flow rate in plexiglass pipe prewetted by water.

与白油在水预润湿的304不锈钢管内的流动规律不同的是，白油在有机玻璃管内经水预润湿后的流量-压降曲线反而高于未润湿时。当流量为0.173 m3/h时，白油预润湿前后的压降分别为4 652 Pa和5 117 Pa，增大了10%；当流量为0.217 m3/h时，白油的压降从预润湿前的5 435 Pa增大到预润湿后的5 821 Pa。造成这种现象的原因可能是，经水预润湿后，白油在有机玻璃表面的接触角仅有69°（见图5），与未预润湿时的46.77°（见图3）相差较小，但未预润湿时，有机玻璃管壁的水接触角已达到86.7°（见图4），自来水不易黏附在管壁上，而是容易从管壁上滑落。因此在白油输送过程中，经水预润湿后的有机玻璃管内，白油比自来水更易与管壁黏附，预润湿的自来水没有起到阻隔白油和管壁的作用反而造成了白油流动阻力的增大、压降的增加。

2.3.2 雷诺数与摩阻系数

根据白油在水预润湿有机玻璃管内流动的流量和压降，计算了相应雷诺数范围（58～205）和摩阻系数，并与未预润湿时的测试结果进行比较，结果如图9所示。

图9 白油在水预润湿有机玻璃管内的雷诺数与摩阻系数的关系曲线Fig.9 Plot of frictional coefficient of white oil against Re in plexiglass pipe prewetted by water.

由图9可见，白油在有机玻璃管内水预润湿前后的雷诺数与摩阻系数的关系曲线与其在304不锈钢管内的不同，在相同雷诺数下，经水预润湿后的白油摩阻系数反而比未预润湿时大。当雷诺数为123时，白油在水预润湿后的有机玻璃管内的摩阻系数实测值比未预润湿时增大了3.14%。当雷诺数为170时，白油摩阻系数实测值从未预润湿时的0.326 63增大到预润湿后的0.340 29，增大了4.18%。

3 结论

1）白油在水预润湿有机玻璃管和304不锈钢管表面的接触角均大于未预润湿时的接触角。

2）经水预润湿后的304不锈钢管表面由原始的亲油表面变成疏油表面，导致相同流量下，白油在管内流动的压降和摩阻系数均小于未预润湿时。

3）经水预润湿后的有机玻璃管内，白油比自来水更易与管壁黏附，造成相同流量下，白油在管内流动的压降和摩阻系数均大于未预润湿时。

4）白油在水预润湿有机玻璃管（雷诺数小于120）和钢管（雷诺数小于137）内流动的摩阻系数实测值大于摩阻系数理论值，呈现增阻现象。