多相流测量技术

绪论 多相流现象广泛存在于能源、动力、石油、化工、冶金、医药等工业过程中，在工业生产与科学研究中有着十分重要的作用，并带来许多安全与经济问题，对其流动过程机理及状态的解释和描述，以及对流动过程参数的准确检测也给工程师和科研人员提出挑战（陈学俊，1994）。近年来，国际上对多相流的研究兴趣在持续增长，其原因在于多相流不仅在一系列现代工程中得到广泛应用，而且对促进这些工程设备的发展和创新也起到了重要作用（林宗虎等，2001）。本书主要对多相流动参数测量技术进行了介绍并提供了相应分析方法，根据内容分为绪论、基础篇和应用篇。基础篇包括1～4章，主要介绍多相流测量技术基础知识与理论；应用篇包括5～7章，介绍主要多相流测量技术的应用以及相应测量结果的分析。 第1章主要对多相流进行了介绍，由于多相流参数多、相间存在变动界面及非平衡效应等原因，多相流的测量技术非常困难和复杂。主要的测量参数有：流型、流量、流速、密度、分相含率、压力降和荷质比等。并对目前的主要测量技术手段进行了概述，其中新兴的近代新技术（如层析成像、核磁共振等）正取得蓬勃的发展。 第2章介绍了颗粒测量技术。阐述了颗粒的基本几何特征参数，如颗粒形状、球形度、颗粒大小等。将颗粒测量技术分为动态测量和静态测量两个方面，静态测量中以筛分法、显微镜法、沉降法等为主，该类方法都相对较为简单，并且发展的时间也较长，在许多实际问题中都得到了较好的检验。伴随着图像处理及辅助性的软测量技术的发展，动态的在线测量技术正逐渐被人们广泛使用。如超声法、粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）技术、高速摄像技术能够较为精确的测量流速、流型变化、颗粒运动形态等信息。 第3章主要介绍材料界面缺陷测量技术。首先，介绍常规腐蚀以及常用的测量方法；其次，介绍电化学腐蚀和其原理，以及相关的测量方法与技术，其中电化学腐蚀测量技术中包括了电化学工作站、极化曲线、电化学阻抗谱和电化学噪声法；再次，介绍了冲刷腐蚀（冲蚀）磨损测量技术；*后，介绍了管道外检测与内检测，管道缺陷检测技术是工业领域中广泛需求，不断创新的领域。 第4章介绍了多相流流动中的电化学测量方法。由于溶液介质中腐蚀性离子或者腐蚀环境的存在，材料表面会发生电化学腐蚀。这里将腐蚀电化学的测量方法分为静态腐蚀和动态腐蚀两种，介绍了电化学阻抗测试、极化曲线测试、电化学噪声、开路电位测试等技术手段。主要是通过外部激励信号作用在材料，从材料的反馈信号中对电化学的腐蚀程度进行评价。并结合相应的实例进行了具体的测量讲解，旨在为读者介绍相关的电化学测量方法。 基于上述多相流测量技术的基础理论，以及本书作者课题组长期在多相流测量领域的长期探索与经验积累，从第5章开始多相流技术应用的介绍。 第5章对气力输送系统中颗粒静电发生及颗粒流行为的影响进行了阐述（赵彦琳等，2019）。由于静电效应，圆管内形成了3种不同的颗粒流动模式分别为分散流、半环流与环形流，采用感应电流、颗粒电荷密度等参数对颗粒静电进行了定量表征。由于静电发生及颗粒运动的复杂性，对静电发生的影响因素进行了大量描述，包括输运流速、颗粒材料、颗粒形状、相对湿度与抗静电剂等。另外，还介绍了单颗粒静电试验的测量与方法，阐述了研究静电发生机理，以及摩擦起电后的静电平衡。 第6章介绍多相流动中材料磨损测量。由于颗粒的撞击使得材料表面发生了不同程度的破坏。目前的冲刷腐蚀测量方法主要有失重测量、表面形貌观测和元素分析，具体介绍了扫描电子显微镜、表面轮廓仪、能谱仪、X射线衍射仪、激光扫描共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscope，LSCM），以及X射线衍射仪（X-ray powder diffractometer，XRD）、能谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）与X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）表征等技术手段。针对3种不同材料［304不锈钢（杨少帅，2019）、Q345钢（熊家志，2019）、X80管线钢（刘玉发，2020）］，系统全面的对颗粒与壁面碰撞的速度、时间、浓度等分析颗粒变化，包括粒径、形状、粗糙度以及界面等进行分析，获得多相流冲蚀磨损机理。此外，本章综合壁面磨损与流动湍流特征，基于计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法论述了流体流动对颗粒冲刷腐蚀的作用关系（周芳，2016）。 第7章对磨损-腐蚀的协同作用进行了介绍。基于第4、6章的内容，目前机械磨损与化学腐蚀的协同作用获得了广泛关注，是当前本领域的研究热点与难点问题。故本章主要是阐述了相应的测量分析案例（刘玉发，2020），在常规技术手段的基础上，对协同作用进行了评价量化，希望能为读者提供一定的参考，深入的研究工作也正在推进之中。 0.1 多相流测量技术的应用 0.1.1 海洋工程中的应用 “海洋工程”是复杂的综合性科学，涉及力学、机械、电子信息、地球物理、工程热物理、化工等多个交叉学科。这对“海洋工程”研究发展提出了艰巨的挑战。国家发展和改革委员会、科技部对“海洋工程”方面科学研发的支持力度逐年上升，并细分了一些重点的研究领域，如深海油气勘探开采、海洋热能、海上风能利用、深水传感器、深水机器人与自主航行潜水、船载无人机等，旨在推进国家“十二五”海洋事业规划，从海洋大国走向海洋强国，其中“海洋油气勘探与开发技术”是“深海工程”中的一个重要研究领域。海洋油气的勘探开发是陆地石油开发的延续，经历了一个由浅水到深海、由简易到复杂的发展过程（李轶，2015）。 图0.1给出了一个基本的水下油气开采作业示意图（李轶，2015）。水下管线汇集平台作为节点，用来汇总子油田的各种管线以及采收装备，并*终通过它，中转输送至海上平台。水下多相流测控系统，安置在水下管线汇集平台油井接驳处，用来计量每一个子油田井口产出油流量，并监控流体的流型、液压、流速、液温、水含量、气体比例、气泡位置等各种参数指标，实现水下智能安全管理。 目前，油田的集输计量现状是利用传统的测试井分离器实现对每一个油井的日采油产品的初步计量，并提供油质属性的相关参数，从而基于这些参数对井间采油设备做出合理的调整与修正。其无法满足了解单口油井油、气、水分别的流量，尤其是某些重要的新探眀区块油井、海上油井及有重要地质意义的油井。此外，传统的三相分离器因为尺寸巨大，再加上一些额外匹配的设备，所以占地面积巨大。这在寸土寸金的海上平台尤为显得不合适。传统的分离计量还要消耗大量的时间来等待流体的沉淀稳定，需要至少3～4小时的自然分离，因而无法实现对流体的实时计量。 图0.1 水下油气开采作业示意图（据李轶，2015） 多相流在线测量技术旨在实现实时线上的油、气和水多相流参数测控（图0.2），其*终输出结果包括：油、气、水三相的瞬时流量和累计流量，含水率，含气率，气油比，流速，以及流体的温度、压力等过程参数的瞬时值和累计平均值。对于海洋油气开采，尤其是深水，随着输油管线距离的增长，石油开采者希望获得对水下每一口油井产量的实时监控，从而基于测量参数，对油井生产做出合理的调整与控制。线上实时的多相流测量技术是为满足现代海洋油气开采中油井生产管理需求而研究开发的一种量身定做的技术更新，其应用范围贯穿整个油井测试、储量管理、生产分配过程。与传统海上平台测试井分离计量技术相比，它的优势包括以下4项：①替代了整条测试井管线，安装在水下管线汇集处，省去体积庞大测试分离器，实现对不同油井的分量计量，这是传统分离器计量所不能实现的。这对于高成本的深海长输管线油气开采极为有价值，不仅意味着给出实时准确的多相流数据，更节省了大量的成本投入——无需额外地铺设一条水下管线通到海上测试井平台。②无需占地面积，节省了海上平台的空间。③无需流体分离对油、气和水三相实时测量，让油田生产获得更加准确连续的油井产出物的瞬时参数，更准确地评估油气井生产状况，做出油藏优化安全管理的决策。④缩短工程建设周期，减少操作人员，大幅降低一次性投资费用和维护费用。此外，多相流量计不是一次性使用的设备，而是石油勘探生产公司的长期数据来源与参考。 图0.2 多相流量计替代传统测试分离器（据李轶，2015） 目前较为成熟的多相流量计多设计成基于“部分气-液分离”的测量装置（Corneliussen，2005）。油、气、水三相首先通过一个直立的分离器，从而分离成气相和油-水混合相两部分。液相聚集在分离腔下部，气相向上运动从气相旁路通过。在气相旁路上安装一个标准的气相流量计，实现对气相流量的计量。液相通过整流装置与剩余的小股气相混合，使不同流态的多相流成为均匀流，液相流量计给出液相流量和含水率。综合上述输出数据得到气、油、水相分率和体积流量，再将气相和油水混合成多相流流出测量系统。这种基于“部分气-液分离”的多相流量计量系统的主要缺点——额外的尺寸和质量以及依赖分离器中的快速液位控制阀——使得其不适合在海底应用。一体式无需分离的高速在线多相流流量计（图0.3）必然是行业内多相流量计未来的发展趋势。它体积更小、质量更轻、智能传感器测量组件更多，给出的参数更吻合流体的瞬时物理工况，测量精度不受流体流型变化的影响，一体式多相流测量系统更适用于海底作业环境。 图0.3 挪威Roxar公司一体式多相流流量计（据李轶，2015） 以下给出了安装在一体式多相流量计量系统上的传感器组件的功能原理。 1）电容、电导成像 通常浸在气-液混合物中的电极可视为一个电容器。电容值的大小与混合物的介电常数有关，而介电常数是气相、液相介电常数和气相分率的函数，因此测量电极间电容值的变化，可以得到混合物的气相分率。在液相中，介电常数是含油率和含水率的函数，通过对电极的优化设计，则可以实现对含水率的测量（Falcone，2009；Thorn et al.，2012）。2012年，英国曼彻斯特大学联合斯伦贝谢剑桥研究中心和英国国家工程实验室，实验论证了一种基于环状流整流器处理后的测试方法，可以实现当含水率低于40%的时候，电容技术对液相中水含量的测量达到5%的精度，并能同时准确给出多相流气液比（Li et al.，2013）。电导法实现对水连续相的含水率测量。通过测量流过探头两极间的油、水混合流体的平均电导率来测量含水率。电导率是气相、液相和含水分率的函数，含水率越高，电导越强。电容、电导测量的优势是廉价高速、无辐射。 2）伽马射线 伽马射线由随时间衰减的化学核子源产生，伽马射线能量衰减法是一种常用的测量方法（熊家志，2019）。伽马射线能量在两个能量级放射，当射线通过油、水、气混合物时，三相不等同地削弱伽马射线的能量。高能量级对气液比更敏感，而低能量级对液相中的水、油比较敏感。可以用这两个能量衰减量来确定三相混合液的相分率（熊家志，2019）。这种方法具有非侵入式、无干扰的特点，而且可以用于相分率的全范围测量，测量精度高、稳定性好。但伽马射线具有以下缺点：①射线辐射对人体和环境有一定的影响；②设备造价高，使用和维修困难；③射线受含盐率的影响较大，因此在测量时应同步有独立的含盐率测量探头做数据矫正；④伽马射线扫描的速度没有电容、电导成像系统快，对于高速流体，不能做到准确地瞬时捕捉。美国斯伦贝谢公司是业界多相流量计开发的领军，他们的Vx多相流量计系统（熊家志，2019）设计基于双能伽马射线衰变来实现相含量的测量，辅以文丘里流量计实现流速与流量计量。设备必须垂直安装于管线上。 3）微波 微波衰减法（熊家志，2019；刘玉发，2020）主要用于测量含水率，因为某一固定频率的微波经过不同含水体积分数的液相，可以产生不同的衰减，衰减幅度与含水体积分数有关。微