CN112213220B - 含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置及方法。该装置由样品制备系统、管输系统、数据采集分析系统和控制系统组成，样品制备系统包括制备釜、加砂漏斗，管输系统包括循环泵、电阻层析成像仪、制冷机、电磁流量计和循环管路，数据采集分析系统包括电阻层析成像仪、电磁流量计、压差计、超声波壁厚测量仪，控制系统包括控制柜、计算机。该方法包括：制备釜制备天然气水合物浆体，开启加砂漏斗，砂砾随浆体进入循环管路；计算机读取电阻层析成像仪和超声波壁厚测量仪数据，压差计记录压力变化，计算管路的摩阻系数。本发明能够模拟含砂水合物浆体对管路的冲蚀情况并测试其摩阻系数，为海洋天然气水合物的安全运输提供基础数据。

Description

含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物浆体管输技术领域，特别是涉及一种含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物浆体是由水和天然气在高压、低温环境下生成的非化学计量性笼状晶体，是一种高密度、高热值的非常规能源，天然气水合物浆体(以下简称水合物浆体)作为一种新型的清洁能源一直备受关注。全球天然气水合物资源量巨大，然而80％的海洋天然气水合物主要储存在深海浅层、弱胶结的泥岩中，因此深海浅层天然气水合物固态流化开采的概念被提出，即采用采掘设备以固态形式开发水合物浆体矿体，将含有水合物浆体的沉积物粉碎成细小颗粒后，再与海水混合，采用封闭管道输送至海洋平台，尔后将其在海上平台进行后期处理和加工。而在封闭管道输送过程中，管道内输送大量天然气水合物浆体，管输安全问题就成为重中之重。首先就面临水合物浆体的流动保障问题，若水合物浆体在输送过程中水力损失过大，则会出现流动受阻甚至损坏管道的问题；其次，大量含砂水合物浆体在管道中流动，必然存在管道磨损的问题，但当前无法判断其对管道磨损的程度，因此迫切需要对管道内浆体的流动情况进行进一步实验模拟，用于判断天然气水合物浆体在流动过程中的摩阻系数，以及浆体在流动过程中对管道造成的冲蚀情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置，该装置原理可靠，操作简单，能够模拟含砂水合物浆体在管道中的流动对管路的冲蚀情况以及测试水合物浆体摩阻系数，为海洋天然气水合物的安全运输提供基础数据。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量的方法，通过自动化控制，该方法可对管输过程中不同速度与固液相组成情况下对摩阻系数的变化进行研究，并就该条件下管道冲蚀情况进行组合对比，保证天然气水合物浆体的管道运输安全。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置，由样品制备系统、管输系统、数据采集分析系统和控制系统组成。

所述样品制备系统包括制备釜和加砂漏斗，用于制备实验所需样品，并直接将制备好的天然气水合物浆体输送至管道中。

所述管输系统包括循环泵、控制箱、制冷机和循环管路，所述循环泵右端的输送管线依次连接电阻层析成像仪、制冷机、电磁流量计，另一端连接循环泵左端，形成环路。循环管路上分别设置有水平管道实验管段和竖直管道实验管段，该两段实验管段上安装有超声波壁厚测量仪，用于实时监测管路的冲蚀情况，竖直部分设置有压差计，通过含砂水合物浆体在管路中的循环，模拟真实开采过程中的管输状态。

所述数据采集分析系统包括电阻层析成像仪、电磁流量计、压差计、竖直管段超声波壁厚测量仪、水平管段超声波壁厚测量仪。通过电阻层析成像仪观测固液相的组成比例及分布情况，以探究不同固液比例的水合物浆体对管道的冲蚀情况以及摩阻系数的影响。

所述控制系统包括控制柜、计算机。

进一步的，所述循环泵为螺杆泵。

进一步的，所述循环泵连接控制箱，通过控制箱调节泵的工作状态改变管道内的水合物浆体流速。

进一步的，所述水平测试管段和竖直测试管段通过法兰连接，可快速拆卸，用于在循环停止后对管道进行进一步的观察分析，探究天然气水合物浆体在管道内的流动对管道所产生的冲蚀情况。

进一步的，所述循环管路的输送管线表面还包裹有保温套用以保持温度的恒定，以保证模拟真实环境的条件。

进一步的，所述循环管路连接真空泵，用于在实验准备阶段抽取管道内气体以防影响实验准确性。

进一步的，所述竖直测试管段设置压差计，且压差计两探针之间存在2m的竖直管路，用于监测竖直管段内的压力变化，通过公式计算求得当前工况下管柱的摩阻系数。

进一步的，所述循环管路设置有排水口，实验结束后开启排水出口排出管内浆体。

进一步的，所述控制柜连接并用于调节循环泵、控制箱、制冷机和真空泵，通过制冷机调节管路温度使天然气水合物浆体的温度是模拟海洋深度条件下的温度，通过开启真空泵以保证管输系统真空状态，防止管路循环因气体存在而影响实验的准确性。

进一步的，所述计算机通过控制柜连接电阻层析成像仪、电磁流量计、压差计和竖直管段超声波壁厚测量仪、水平管段超声波壁厚测量仪，可实现各项数据的监测自动化。

利用上述装置进行含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量的方法，依次包括以下步骤：

(1)启动真空泵将管路中混入的气体排出；用制备釜制备所需的天然气水合物浆体，开启加砂漏斗，砂砾随浆体一同进入循环管路，通过控制加砂漏斗加砂量控制循环管路内的含砂量，通过控制加砂漏斗所加砂粒粒径大小控制循环管路内的砂粒粒径，调节制冷机将循环温度降低至实验要求温度，以保持管路内相态稳定；通过控制循环泵的转速使管路浆体达到实验所需流速，处于稳定的循环状态；

(2)计算机读取电阻层析成像仪和超声波壁厚测量仪数据，通过压差计记录压力变化，根据下式计算管路的摩阻系数λ_f：

其中：D为管径，m；Δp为压降，Pa；L为测试管段长度，m；ρ_{水合物浆液}为天然气水合物浆液密度，g/cm³；u为流速，m/s；

(3)通过超声波壁厚测量仪测试壁厚变化数据，绘制管路冲蚀壁厚变化图，同时拆卸测试管段直接观察管道内冲蚀情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)该装置使用制备釜制备不同固液相组分的天然气水合物，并通过电阻层析成像仪观测记录固液相的组成比例及分布情况；

(2)该装置通过制冷机、控制箱调节管输温度，能够最大程度地保证实验条件更近似于海洋管输的真实条件；

(3)该装置通过调节流动速度，观察某组分的水合物浆体在管道中不同速度的流动对管道的冲蚀情况；

(4)该装置通过调节加砂漏斗的加砂量及砂粒粒径，研究循环管路内不同含砂量及不同砂粒粒径对管道的冲蚀影响规律；

(5)该装置测定竖直管段的压差，并通过公式进一步测定某组分天然气水合物浆体的摩阻系数。

综上所述，本发明利用现代自动化技术实现参数采集及实验流程的全自动化控制，能够通过制备不同固液比的含砂的天然气水合物，并在管道中循环模拟实际工况，进而研究该种组分对管道的冲蚀情况并测定其摩阻系数，从而进一步研究天然气水合物浆体对管道磨损情况并选取最优的天然气水合物固液组分比例，以减少管输压力损失。

附图说明

图1是含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量实验装置的结构示意图。

图中：1-真空泵，2-第二阀门，3-第三阀门，4-第一阀门，5-循环泵，6-控制箱，7-电阻层析成像仪，8-制冷机，9-第八阀门，10-电磁流量计，11-水平管段超声波壁厚测量仪，12-水平测试管段，13-第九阀门，14-第七阀门，15-第四阀门，16-第六阀门，17-竖直测试管段，18-竖直管段超声波壁厚测量仪，19-第五阀门，20-压差计，21-控制柜，22-计算机，23-加沙漏斗，24-制备釜。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参见图1。

含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置，由样品制备系统、管输系统、数据采集分析系统和控制系统组成。

所述样品制备系统包括制备釜24、加砂漏斗23，制备釜、加砂漏斗连接循环泵5；所述管输系统包括循环泵5、电阻层析成像仪7、制冷机8、电磁流量计10和循环管路，连有控制箱6的循环泵通过一端的输送管线依次连接电阻层析成像仪、制冷机、电磁流量计，与循环泵的另一端构成循环管路，循环管路上设置竖直测试管段17和水平测试管段12，两个管段上分别安装竖直管段超声波壁厚测量仪18、水平管段超声波壁厚测量仪11，竖直测试管段设置压差计20；所述循环管路连接真空泵1；所述数据采集分析系统包括电阻层析成像仪7、电磁流量计10、压差计20、竖直管段超声波壁厚测量仪18、水平管段超声波壁厚测量仪11；所述控制系统包括控制柜21、计算机22，所述控制柜连接并调节循环泵、制冷机、真空泵，计算机通过控制柜连接电阻层析成像仪、电磁流量计、压差计、竖直管段超声波壁厚测量仪、水平管段超声波壁厚测量仪，实现监测自动化。

由图1可见，制备釜24连接循环泵5左端，加砂漏斗23通过焊接的方式安装在连接管道上，加砂漏斗23右端安装有第一阀门4，通过螺纹连接在管道上；所述循环泵上连接有控制箱6，循环泵右端连接输送管线，电阻层析成像仪7、制冷机8、电磁流量计10通过螺纹连接在循环泵5右端的输送管道上；电磁流量计10右端竖直管路上连接有第四阀门15和第五阀门19，阀门左右两端通过螺纹连接，在第四阀门15、第五阀门19之间有竖直测试管段17，竖直测试管段17上连接有竖直管段超声波壁厚测量仪18并通过密封法兰连接在循环管路上，在第四阀门15、第五阀门19之外连接有竖直的旁通管路，旁通管路上安装有第六阀门16并通过螺纹连接在循环管路上；第五阀门19右端有一段竖直且长2m，通过法兰连接的管段，管段两端的法兰连接处安装有两个探头，两个探头连接至压差计20，循环管路水平段上连接有第七阀门14和第八阀门9，阀门左右两端通过螺纹连接，在第七阀门14、第八阀门9之间有水平测试管段12，水平测试管段上连接有水平管段超声波壁厚测量仪11并通过密封法兰连接在循环管路上，在第七阀门14、第八阀门9之外连接有水平的旁通管路，旁通管路上安装有第九阀门13并焊接在循环管路上，在循环管路上焊接有两段旁支管路连接第二阀门2和第三阀门3，第二阀门2连接真空泵1用于排出管道内气体，第三阀门3用于实验结束后排出管内水合物浆体。

利用本发明所述装置的工作过程如下：

准备阶段：如图1所示，实验人员首先用制备釜24制备所需的天然气水合物浆体，开启第一阀门4、第六阀门16、第九阀门13，通过计算机给循环泵5下达开启指令，使制备釜24中制备好的天然气水合物浆体输送至管道中，同时开启加砂漏斗23，砂砾随浆体一同进入管道中。待管道中的浆体处于循环状态后关闭第一阀门4。在浆体在管道内的流动过程中，首先调节制冷机8将管内循环温度快速降低至实验要求温度，以保持管道内的相态稳定；再开启第二阀门2，通过控制柜启动真空泵1，等待真空泵1的运转将管道中混入的气体排出；最后通过控制箱6调节循环泵5的转速，通过控制循环泵5的转速使管道内浆体达到实验所需流速，等待管道内的浆体达到稳定的循环状态。

实验测量阶段：浆体在基本温压条件不变的管道内稳定循环过程中，通过计算机22读取电阻层析成像仪7的数据，并通过计算机22分析管道内当前的固液相组分比并进行定时记录。此时，开启竖直测试管段17和水平测试管段12两端的第四阀门15、第五阀门19、第七阀门14、第八阀门9，关闭第六阀门16和第九阀门13以停止浆体在竖直测试管段17和水平测试管段12上的旁通管段流动。在该状态下根据实验要求，在规定时长内使天然气水合物浆体在管道进行循环流动。在此期间，开启竖直管段超声波壁厚测量仪18和水平管段超声波壁厚测量仪11，在计算机上实时读取所检测的管道壁厚数据。在实验进行过程中，通过开启水平测试管段12和竖直测试管段17的旁通管路并关闭其两端阀门后，拆卸下两段测试管段直接观察管道内冲蚀情况；通过压差计20记录压力变化数据，在计算机上进行读取和保存用于计算管路的摩阻系数。

结束及数据整理阶段：待测量结束后，关闭循环泵5，将两段测试管段拆下，进一步观察分析其内部冲蚀情况。打开第三阀门3将管道内的浆体排出。此时读取计算机22内存储数据，绘制管道冲蚀壁厚变化图并根据公式计算摩阻系数，实验结束。

Claims (6)

1.含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置，由样品制备系统、管输系统、数据采集分析系统和控制系统组成，其特征在于，所述样品制备系统包括制备釜(24)、加砂漏斗(23)，制备釜、加砂漏斗连接循环泵(5)；所述管输系统包括循环泵(5)、电阻层析成像仪(7)、制冷机(8)、电磁流量计(10)和循环管路，连有控制箱(6)的循环泵通过一端的输送管线依次连接电阻层析成像仪、制冷机、电磁流量计，与循环泵的另一端构成循环管路，电磁流量计右端的竖直管路上连接有第四阀门(15)和第五阀门(19)，在第四阀门、第五阀门之间有竖直测试管段(17)，竖直测试管段上连接有竖直管段超声波壁厚测量仪(18)并通过密封法兰连接在循环管路上，在第四阀门、第五阀门之外连接有竖直的旁通管路，旁通管路上安装有第六阀门(16)并通过螺纹连接在循环管路上；第五阀门(19)右端有一段竖直的管段，管段两端的法兰连接处安装有两个探头，两个探头连接至压差计(20)；循环管路水平段上连接有第七阀门(14)和第八阀门(9)，在第七阀门、第八阀门之间有水平测试管段(12)，水平测试管段上连接有水平管段超声波壁厚测量仪(11)并通过密封法兰连接在循环管路上，在第七阀门、第八阀门之外连接有水平的旁通管路，旁通管路上安装有第九阀门(13)并焊接在循环管路上，所述循环管路连接真空泵(1)；所述数据采集分析系统包括电阻层析成像仪、电磁流量计、压差计、竖直管段超声波壁厚测量仪、水平管段超声波壁厚测量仪；所述控制系统包括控制柜(21)、计算机(22)，所述控制柜连接并调节循环泵、制冷机、真空泵，计算机通过控制柜连接电阻层析成像仪、电磁流量计、压差计、竖直管段超声波壁厚测量仪、水平管段超声波壁厚测量仪，实现监测自动化。

2.如权利要求1所述的含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置，其特征在于，所述循环泵为螺杆泵。

3.如权利要求1所述的含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置，其特征在于，所述循环管路的输送管线表面包裹保温套用以保持温度的恒定。

4.如权利要求1所述的含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置，其特征在于，所述压差计两探针之间存在2m的竖直管路。

5.如权利要求1所述的含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量装置，其特征在于，所述循环管路设置排水口。

6.利用权利要求1、2、3、4或5所述的装置进行含砂水合物浆体对管道冲蚀与摩阻系数测量的方法，依次包括以下步骤：

(1)启动真空泵将管路中混入的气体排出；用制备釜制备所需的天然气水合物浆体，开启加砂漏斗，砂砾随浆体一同进入循环管路，通过控制加砂漏斗加砂量控制循环管路内的含砂量，通过控制加砂漏斗所加砂粒粒径大小控制循环管路内的砂粒粒径，调节制冷机将循环温度降低至实验要求温度，以保持管路内相态稳定；通过控制循环泵的转速使管路浆体达到实验所需流速，处于稳定的循环状态；

(2)计算机读取电阻层析成像仪和超声波壁厚测量仪数据，通过压差计记录压力变化，根据下式计算管路的摩阻系数λ_f：

其中：D为管径，m；Δp为压降，Pa；L为测试管段长度，m；ρ_{水合物浆液}为天然气水合物浆液密度，g/cm³；u为流速，m/s；

(3)通过超声波壁厚测量仪测试壁厚变化数据，绘制管路冲蚀壁厚变化图，同时拆卸测试管段直接观察管道内冲蚀情况。

Images