垂直管气液两相严重段塞流研究进展

党唐超，戚恒慎，张 鹏

（1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.西北石油管道有限公司，陕西 西安 710018）

气液两相严重段塞流是液体段和气泡在同一空间内不同时间段的交替,段塞单元由液体段和气泡两相组成。由于流体在严重段塞流流型下能出现不同的阶段,使得管道各项数据处于快速变化的状况，并使得在该流型下的管道受到压力剧烈变化引起的危害。

1 严重段塞流的形成机理

B.T.Yocum等在避免海上上升管中的段塞流的研究中发现了不同于之前的段塞流的严重段塞流，但他并没有将其区分开来，仍将其称为段塞流。而Z.Schmidt等通过实验发现这种现象和水力段塞流的本质区别，并根据性质，将这种现象重新命名为严重段塞流。Z.Schmidt等根据对严重段塞流的模拟实验，分析实验结果得出了出现严重段塞流的几种可能的条件:1）只出现在下倾的卧底管线中；2） 入口处较低的气液流量；3）当立管中流动为不稳定流动时，气体流量增加时液体压力却减小，较易产生严重段塞流[1]。

A.Bφe由立管内液体段压力的增量，高于在管线中的气体的压力，而得出了判断立管管线中严重段塞流的判定公式，表达式为式（1）。

式中，ωg为气相流速，m/s；ωl为液相流速，m/s；R为气体常数，J/(mol·K)；T为流体的温度，K；M为气相的摩尔质量，g/mol；Ip为立管的高度，m；α为立管中的含气率，无量纲；g为重力加速度，m/s2。

Zhang等将段塞流作为基础流型，分析并建立了段塞流的气液两相模型，并通过改变段塞流关系式中液膜长度与段塞体单元长度的比值进一步确定段塞流向分散泡状流及分层流和环状流的边界条件，确立了该模型在所有流型计算中的统一。

王鑫在对上升管路系统严重段塞流的研究表明，无论在管道内是稳定或是不稳定的气液流动，都有可能出现严重段塞流，王鑫将不稳定的气液流动引起的严重段塞流称为不规则严重段塞流。

2 严重段塞流的流动特性

现阶段，大多数研究结果，均将严重段塞流按周期性进行分析。一般一个周期含有四个阶段，分别是液塞形成 (slug formation)阶段、液塞流出 (slug production)阶段、液气喷发(blowout)阶段、液体回流 (liquid fallback)阶段。

同时，严重段塞流也可分为I型、II型和III型。对于严重段塞流I型，在一个完整的周期内具有全部四种的流动阶段，II型不存在液塞出流阶段，而III型则没有液体回流阶段[2]。

液塞形成阶段指严重段塞流流型下液体段在卧管中由开始堆积到最大值的过程。将Vg定义为卧管中气体体积，将Pg定义为气体在卧管内的压力，将T定义气体为在卧管内的温度。在流动过程中，由于气相始终保持连接状态并且在卧管中液气流速较低，所以气体压缩空间体积不会出现较大变化，同时，在该过程中温度也基本不发生变化。对于气体而言，由其状态方程可推得:

卧管内气体体积Vg可以表示为:

将式 (3)两边对时间求导可得

故

将式（3） 和（5） 代入式 （1） 可得

式中，L表示长度；Lp表示液体段的长度；A表示内横截面面积。

由于在流动过程中气液保持稳定的分层流动，所以含气率αp的值不变。L˙p为液体段长度的时间变化率，气、液折算速度在标准状况下表示为νrsg和νrsl。νsl为液体在出口的折算速度。

液塞出流阶段指当立管内液体段出现流出立管的时候，流体流动开始出现液塞出流阶段，气体压缩空间释放压力，通过膨胀推动液体段继续向外流动。在液塞出流阶段立管内充满液体，气体并不能进入立管，同时气液两相也不相混．因此，该阶段的气液流动过程仍与上一阶段一样，保持着稳定流动[3]。

当发现部分气体存在于立管之中时，标志着流体流动进入液气喷发阶段，该阶段分为液塞喷发和段塞喷发两个过程。在第一阶段液塞喷发中，卧管中的气体继续将立管内的液体向外推动，同时立管由于气体的进入，存在长液体段及气液混合段，立管出口处由于气体继续推动液体段出流，使得压力，液体段出流速度等主要参数在液塞喷发阶段快速增长并出现最大值，严重危害下游处理设备；在第二阶段的段塞喷发中，液体段已经完全流出，离开立管，故立管内只存在气液混合段，管内压力降低，气液混合段速度逐步减小。

在液气喷发阶段，立管内的气液流动快速变化，液体段及气液混合段相互影响，立管内液体段速度、压力等主要参数在存在不同时间不同位置有不同的大小。在液气喷发阶段，立管的平均出流速度可表示为:

式中，当液体段未完全离开立管时，可表示液体段离开立管的速度，即立管的平均出流速度；当立管中仅剩气液混输段时，表示立管出口气液混输出流速度。

在段塞喷发过程中，立管仅存在气液混合段，立管的含气率大小与立管的气体变化率成正比相关，则对于任意时刻含气率可表示为:

式中:积分第1项表示立管中气体增加量，积分第2项表示立管气体的减少量；νosg为出口气体折算速度。

当段塞流形态为弹状流时，在立管内会持续出现不连续的大液弹和气体段的情况，因此出口气体折算速度的值会在此期间快速变化，速度只能根据立管内气液情况进行估算。将速度表示为:

液体回流阶段指当卧管内气体压力经过前三个阶段的降低，无法提供高于液体段和气液混输段的重力的压力，立管中残留液体段及气液混输段内的液体逐渐回落到卧管段。由于气体压力小于重力，且液体量较小，所以持续时间较短。并且当在这一周期的液体回流阶段中，严重段塞流又重新开始一个新的周期，新的液塞形成阶段同时开始。因上一周期立管液体的回流，导致下一周期卧管处的液体段高度应从某一h0高度计算，h0应视为液塞在新的周期第一阶段的初始高度，h0的计算式是:

式中，αriser为立管上升管的含气率，H为高度。

3 立管流型判断

细束环状流、环状流、搅混流、弹状流和泡状流等几种流型会出现在垂直上升管内的气液两相流中。这几种流型的流动范围及边界可以用稳定流动时的气液折算速度的比值来确定，流型图可参考Hewitt图1。

图1 Hewitt流型图

4 严重段塞流的消除方法

严重段塞流是一种气液两相流中出现的、具有破坏性的流型，会危害管段及下游处理设备。工程上经常通过采用以下方法避免出现严重段塞流:通过减小管径增大气体速度；在立管底部增加气量，提升气体给予立管的压力，减小液体回流量；在卧管处分离气液相；立管顶部节流等。

5 结束语

对于严重段塞流，研究方法应采用实验加数值模拟的方法。针对严重段塞流的原理，许多学者做了大量的相关实验，建立了很多的数学模型，并通过CFD软件，用数学建模的方法对严重段塞流的特性进行了大量的仿真模拟，提出了严重段塞流的生成条件，找到了许多可以减小或避免严重段塞流发生的方法。

研究表明，严重段塞流的形成与流动过程中的几个重要参数有关，工程上可以通过控制生产过程中的这几个重要参数的大小，来规避严重段塞流的发生。