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段塞流是油气混输管道中非常常见的一种流型,段塞流最主要的特点是间歇性,会造成管道剧烈的震动,油井产出液中常含有多种腐蚀性介质,对管道造成腐蚀,降低管道的使用寿命,由于段塞流特殊的流动特性,在段塞流型下运行的管道会遭受更严重的腐蚀,腐蚀速率很高,段塞流的流动特性及其对腐蚀影响的研究对集输管道以及下游油气处理设备的设计和经济安全运行具有重要意义。
本文建立并完善了多相流腐蚀实验环道,自制单头电导探针测量并采集了段塞流特征参数,双平行电导探针获得了段塞流的持液率等参数,并在管道内不同位置置入腐蚀挂片,采用失重法获得了不同段塞流工况下的腐蚀速率,对水平管气液两相段塞流的流动特性及其对腐蚀的影响进行了研究。
对水平管段塞流的液塞速度、液塞长度、液塞频率等参数进行了研究,得到了液塞速度、液塞长度、液塞频率等参数的分布规律和相关关系式。研究结果表明,液塞速度与气液混合速度呈线性关系,液塞速度分布符合正态分布。液塞长度分布符合对数正态分布,随折算气速增大,平均液塞长度先减小后增大,液塞频率随折算气速增大出现了先增大后减小又增大的现象,这主要是因为在折算气速增大的过程中发生了由气团流向段塞流的流型转变。对液膜区液膜高度进行了分析,发现液膜最小高度和管径的比值与液相体积分数符合线性关系,液膜最小高度和平均液膜高度的比值与气液混合速度也符合线性关系,并分别拟合得到了它们的关系式。长气泡长度及长气泡长度份额随折算气速的增大而增大,随折算液速的增大而减小。
对段塞流加剧腐蚀机理进行了分析,发现混合区的气泡对腐蚀有很大的影响,计算得到了液膜弗劳德数,在段塞流中边界层很薄,使得传质速率大大增加。
针对段塞流特征参数对腐蚀的影响进行了实验研究。结果表明,随折算气速增大腐蚀速率出现了先减小后增大的现象,随折算液速增大腐蚀速率先增大后减小。当液塞频率较低时,腐蚀速率随液塞频率的变化很大,随液塞频率增大,腐蚀速率的波动范围减小。在液膜弗劳德数相同时,腐蚀速率随液塞频率的增大先增大后减小,液塞频率相同时随弗劳德数增大腐蚀速率显著增大。管道下部的腐蚀速率总是高于管道上部的腐蚀速率,随着腐蚀产物膜的形成,腐蚀速率逐渐减小。对去除腐蚀产物后的试样表面进行了观察,发现在段塞流中材料的腐蚀形态存在全面腐蚀、点蚀和冲刷腐蚀,腐蚀行为复杂,给集输管道的安全运行带来很大威胁。