CN114611357B - 一种缓蚀剂成膜特性评价方法及加注管理策略确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种缓蚀剂成膜特性评价方法及加注管理策略确定方法，所述成膜特性评价方法包括以下步骤：进行实验分析，获取适用缓蚀剂；对所述适用缓蚀剂进行全管路多相流流型分析，获取其在多相条件下管路中的流型变化情况、气液两相的流速变化情况、流速范围；对所述适用缓蚀剂进行三维流场分析，获得其在整个管路中的浓度分布情况、临界运行工况、临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数以及缓蚀剂的损耗量。所述加注管理策略确定方法基于所述成膜特性评价的结果，结合质量守恒原理进行确定。本发明采用实验与模拟相结合的方式，并基于三维流动特征对缓蚀剂的成膜特性展开研究，能够降低与实际生产状况的差异，确保所得结论的现场适用性。

Description

一种缓蚀剂成膜特性评价方法及加注管理策略确定方法
技术领域
本发明涉及天然气管道安全风险评价技术领域，特别涉及一种缓蚀剂成膜特性评价方法及加注管理策略确定方法。
背景技术
天然气在运输过程中会携带H2S，CO2与SO2等酸性气体，而部分气井随着开采年限的增加，其产水量会发生激增。当天然气携带液体能力低于产水量时，管道中的水会与酸性气体结合形成酸液，加剧管内电化学腐蚀，造成复杂的内腐蚀环境，从而引起管线腐蚀穿孔和失效等后果，严重影响管道运行安全。由于缓蚀剂具有用量少、使用方便、效果显著等优点，故在各大油田常作为管道的防腐手段之一。
当前对于缓蚀剂的研究多集中于测定静态时缓蚀剂的缓蚀效率，其与管道的实际运行情况存在一定的差异。目前对于缓蚀剂的成膜特性研究较少，缺乏一套系统的缓蚀剂成膜特性评价方法，因此提出一种气液两相流集输管道缓蚀剂成膜特性评价方法十分必要。另外，加注量或加注周期不合理会使缓蚀剂不能及时补充，从而导致缓蚀剂无法对管道进行有效保护，因此也亟需一套合理的缓蚀剂加注管理策略确定方法，使缓蚀剂能够对管道进行有效保护。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种缓蚀剂成膜特性评价方法及加注管理策略确定方法。
本发明的技术方案如下：
一方面，提供一种缓蚀剂成膜特性评价方法，包括以下步骤：
对目标缓蚀剂进行实验分析，获取适合目标工况条件下的适用缓蚀剂；
对所述适用缓蚀剂进行全管路多相流流型分析，获取所述适用缓蚀剂在多相条件下管路中的流型变化情况、气液两相的流速变化情况、以及流速范围；
以所述全管路多相流流型分析的结果为基础数据进行缓蚀剂的三维流场分析，获得所述适用缓蚀剂在整个管路中的浓度分布情况、临界运行工况、临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数、以及缓蚀剂的损耗量。
作为优选，所述实验分析包括缓蚀剂溶解分散性测试、液相成膜电化学实验、气相成膜电化学实验、以及气相成膜表观实验。
作为优选，所述全管路多相流流型分析具体包括以下子步骤：
基于现场天然气管道的管路纵断面图建立天然气管道模型；
基于现场天然气管道的流体物性与运行参数设置流体包与用于求解管路多相流的边界条件；
对所述天然气管道模型进行节点划分，并将节点划分后的天然气管道模型导入多相流计算模型中，分析在多相条件下管路中缓蚀剂的流型变化情况；
基于所述流型变化情况研究缓蚀剂在流动过程中的流速变化，并确定流速范围。
作为优选，所述三维流场分析具体包括以下子步骤：
基于现场天然气管道的管路纵断面图和管道规格参数建立集输管道有限元模型，并对所述集输管道有限元模型进行网格划分；
基于管道的流体物性与运行参数，设置流体材料的物理性质和边界条件；
将网格划分后的集输管道有限元模型导入流体动力学计算模型中进行迭代求解，得到全管线缓蚀剂浓度三维流场分布；
基于所述全管线缓蚀剂浓度三维流场分布，研究分析缓蚀剂在整个管路中的浓度分布情况，并确定管道防腐的薄弱环节；
基于所述全管路多相流流型分析确定的流速范围，分析流速变化对缓蚀剂浓度分布的影响，并根据缓蚀剂液膜完整程度的变化情况确定临界运行工况，获得临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数；
基于所述全管路多相流流型分析确定的气液两相流速，分析缓蚀剂在管道中的损耗情况，确定缓蚀剂的损耗量。
作为优选，所述缓蚀剂的损耗量包括缓蚀剂在气相中的损耗量和缓蚀剂在液相中的损耗量；所述缓蚀剂的损耗量通过下式进行计算：
Qm1＝ρA1V1 (1)
Qm2＝CgA2Vg (2)
Figure BDA0003545414680000021
A2＝A-A1 (4)
式中：Qm1为缓蚀剂在液相中的损耗量，kg/s；ρ为缓蚀剂的密度，kg/m3；A1为管道出口缓蚀剂液膜的横截面积，m2；V1为管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速，m/s；Qm2为缓蚀剂在气相中的损耗量，kg/s；Cg为缓蚀剂在气体中的浓度，kg/m3；A2为管中天然气的流通面积，m2；Vg为气体流速，m/s；Dt为紊流扩散系数，m2/s；x为缓蚀剂运动的轴向距离，m；r为径向坐标，m；R0为管道中心到液膜的径向距离，m；I0(X)为第一类零阶贝塞尔函数；A为管道出口的横截面积，m2。
作为优选，管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速通过粘性底层的速度分布求平均获得；所述粘性底层的厚度通过下式进行计算：
Figure BDA0003545414680000031
式中：y+为测量点到壁面处的无量纲距离；y为测量点到壁面的距离，m；当y+值等于5时，y即为粘性底层的厚度；υ为缓蚀剂的运动粘度，m2/s；τw为壁面切应力，Pa。
作为优选，管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速通过以下子步骤获得：根据现场运行参数进行气液两相流管道缓蚀剂液膜的三维流场分析，并基于粘性底层的厚度提取迭代运算结果中粘性底层的速度分布，通过所述粘性底层的速度分布确定粘性底层中流体速度的最大值与最小值，随后进行平均值求解即可获得所述管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速。
另一方面，还提供一种缓蚀剂加注管理策略确定方法，所述缓蚀剂加注管理策略包括缓蚀剂的加注量、加注方式和加注周期，所述确定方法包括以下步骤：
S1：采用上述任意一项所述的缓蚀剂成膜特性评价方法获取目标工况条件下的适用缓蚀剂、所述适用缓蚀剂在临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数以及所述适用缓蚀剂的损耗量；
S2：根据所述临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数确定缓蚀剂液膜的临界损失值；
S3：根据所述临界损失值，计算缓蚀剂液膜达到临界损失的时间；
S4：根据所述缓蚀剂液膜达到临界损失的时间以及缓蚀剂的损耗量，利用质量守恒原理确定缓蚀剂的加注量、加注方式和加注周期。
作为优选，步骤S3中，缓蚀剂液膜达到临界损失的时间通过下式进行计算：
Figure BDA0003545414680000032
式中：T为缓蚀剂液膜达到临界损失的时间，h；m为全管路缓蚀剂液膜的质量，kg；Qm1为缓蚀剂在液相中的损耗量，kg/s；Qm2为缓蚀剂在气相中的损耗量，kg/s；k为缓蚀剂液膜的临界损失值。
本发明的有益效果是：
本发明采用实验分析与数值模拟相结合的方式，准确、高效地完成了在多相条件下天然气管道缓蚀剂成膜特性的评价；明确缓蚀剂的现场适用性与缓蚀效果，并能够基于三维流场分析更加精确地判断缓蚀剂在管道中的成膜特性，提高了集输管道内部缓蚀剂缓蚀效果评价的准确性，同时降低了现场检测的工作量。同时本发明对各种复杂站场气液两相流集输管道具有良好的适应性，基于三维流场分析实现了临界运行工况的确定；根据缓蚀剂液膜的临界损失值和缓蚀剂损耗量与加注量的关系提出了缓蚀剂加注管理策略，操作简便，安全可靠，从而确保缓蚀剂能够有效保护管道。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明缓蚀剂成膜特性评价方法及加注管理策略确定方法的流程示意图；
图2为一个具体实施例弯头部位电极的阻抗结果示意图；
图3为一个具体实施例管道不同位置处的电极表面腐蚀形貌；
图4为一个具体实施例管道纵断面图与流型变化关系结果示意图；
图5为一个具体实施例部分截面缓蚀剂沿管道周向的浓度分布示意图；
图6为一个具体实施例缓蚀剂沿全管线的浓度分布结果示意图；
图7为本发明一个具体实施例临界运行工况的确定流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
一方面，如图1所示，本发明提供一种缓蚀剂成膜特性评价方法，包括以下步骤：
S1'：对目标缓蚀剂进行实验分析，获取适合目标工况条件下的适用缓蚀剂；
在一个具体的实施例中，所述实验分析包括缓蚀剂溶解分散性测试、液相成膜电化学实验、气相成膜电化学实验、以及气相成膜表观实验。
所述溶解分散性测试包括观察不同类型缓蚀剂与地层水的溶解情况及经过超声波震荡后是否产生沉淀现象，初步分析缓蚀剂的溶解分散性和现场适用性。具体的判断标准为现有技术，在此不再赘述。
所述液相成膜电化学实验用于分析产水工况下缓蚀剂的阻抗变化规律，进一步确定各种缓蚀剂的适用性及缓蚀效果。
所述气相成膜电化学实验用于对缓蚀剂的成膜情况与缓蚀效率进行研究，并为验证模拟的相关性提供数据支持。
所述气相成膜表观实验用于对管道不同位置处的成膜特性进行分析，观察电极表面的腐蚀形貌，并从成膜形态方面验证数值模拟的可靠性。
S2'：对所述适用缓蚀剂进行全管路多相流流型分析，获取所述适用缓蚀剂在多相条件下管路中的流型变化情况、气液两相的流速变化情况、以及流速范围；
在一个具体的实施例中，所述全管路多相流流型分析具体包括以下子步骤：
S21'：基于现场天然气管道的管路纵断面图建立天然气管道模型；
S22'：基于现场天然气管道的流体物性与运行参数设置流体包与用于求解管路多相流的边界条件；所述流体物性包括流体的密度和粘度等；
S23'：对所述天然气管道模型进行节点划分，并将节点划分后的天然气管道模型导入多相流计算模型中，分析在多相条件下管路中缓蚀剂的流型变化情况；
S24'：基于所述流型变化情况研究缓蚀剂在流动过程中的流速变化，并确定流速范围。
S3'：以所述全管路多相流流型分析的结果为基础数据进行缓蚀剂的三维流场分析，获得所述适用缓蚀剂在整个管路中的浓度分布情况、临界运行工况、临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数、以及缓蚀剂的损耗量。
在一个具体的实施例中，所述三维流场分析具体包括以下子步骤：
S31'：基于现场天然气管道的管路纵断面图和管道规格参数建立集输管道有限元模型，并对所述集输管道有限元模型进行网格划分；
S32'：基于管道的流体物性与运行参数，设置流体材料的物理性质和边界条件；
S33'：将网格划分后的集输管道有限元模型导入流体动力学计算模型中进行迭代求解，得到全管线缓蚀剂浓度三维流场分布；所述流体动力学计算模型包括湍流模型、离散相模型与多相流模型；
S34'：基于所述全管线缓蚀剂浓度三维流场分布，研究分析缓蚀剂在整个管路中的浓度分布情况，并确定管道防腐的薄弱环节；
S35'：基于所述全管路多相流流型分析确定的流速范围，分析流速变化对缓蚀剂浓度分布的影响，并根据缓蚀剂液膜完整程度的变化情况确定临界运行工况，获得临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数；
S36'：基于所述全管路多相流流型分析确定的气液两相流速，分析缓蚀剂在管道中的损耗情况，确定缓蚀剂的损耗量；所述缓蚀剂的损耗量包括缓蚀剂在气相中的损耗量和缓蚀剂在液相中的损耗量；所述缓蚀剂的损耗量通过下式进行计算：
Qm1＝ρA1V1 (1)
Qm2＝CgA2Vg (2)
Figure BDA0003545414680000061
A2＝A-A1 (4)
式中：Qm1为缓蚀剂在液相中的损耗量，kg/s；ρ为缓蚀剂的密度，kg/m3；A1为管道出口缓蚀剂液膜的横截面积，m2；V1为管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速，m/s；Qm2为缓蚀剂在气相中的损耗量，kg/s；Cg为缓蚀剂在气体中的浓度，kg/m3；A2为管中天然气的流通面积，m2；Vg为气体流速，m/s；Dt为紊流扩散系数，m2/s；x为缓蚀剂运动的轴向距离，m；r为径向坐标，m；R0为管道中心到液膜的径向距离，m；I0(X)为第一类零阶贝塞尔函数，X即为式(3)中的VgrR0/2Dtx；A为管道出口的横截面积，m2。
在一个具体的实施例中，管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速通过粘性底层的速度分布求平均获得；所述粘性底层的厚度通过下式进行计算：
Figure BDA0003545414680000062
式中：y+为测量点到壁面处的无量纲距离；y为测量点到壁面的距离，m；当y+值等于5时，y即为粘性底层的厚度；υ为缓蚀剂的运动粘度，m2/s；τw为壁面切应力，Pa。
在一个具体的实施例中，通过粘性底层的速度分布求平均获得管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速具体包括以下子步骤：基于所述现场天然气管道的管路纵断面图和管道规格参数建立集输管道有限元模型，结合现场数据确定缓蚀剂液膜的厚度，随后基于现场的运行参数进行迭代求解，并根据所述粘性底层的厚度提取粘性底层的速度分布；具有高动能的气流对缓蚀剂液膜进行不断的冲刷，致使所述缓蚀剂液膜发生缓慢流动，从而造成缓蚀剂液膜的损耗；而基于所述粘性底层中流体运动近似为层流运动的特性，缓蚀剂液膜的速度总体呈线性分布，通过所述粘性底层的速度分布确定粘性底层中流体速度的最大值与最小值，随后进行平均值求解即可获得所述管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速。
另一方面，还提供一种缓蚀剂加注管理策略确定方法，所述缓蚀剂加注管理策略包括缓蚀剂的加注量、加注方式和加注周期，所述确定方法包括以下步骤：
S1：采用上述任意一项所述的缓蚀剂成膜特性评价方法获取目标工况条件下的适用缓蚀剂、所述适用缓蚀剂在临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数以及所述适用缓蚀剂的损耗量；
S2：根据所述临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数确定缓蚀剂液膜的临界损失值；
S3：根据所述临界损失值，计算缓蚀剂液膜达到临界损失的时间；缓蚀剂液膜达到临界损失的时间通过下式进行计算：
Figure BDA0003545414680000071
式中：T为缓蚀剂液膜达到临界损失的时间，h；m为全管路缓蚀剂液膜的质量，kg；Qm1为缓蚀剂在液相中的损耗量，kg/s；Qm2为缓蚀剂在气相中的损耗量，kg/s；k为缓蚀剂液膜的临界损失值。
S4：根据所述缓蚀剂液膜达到临界损失的时间以及缓蚀剂的损耗量，利用质量守恒原理确定缓蚀剂的加注量、加注方式和加注周期。
利用质量守恒原理确定缓蚀剂的加注量时，缓蚀剂的加注量大于等于缓蚀剂的损耗量即可。直接等于缓蚀剂的损耗量太过极限，具体应用时可使缓蚀剂的加注量略大于缓蚀剂的损耗量。
产水量逐渐增加时，缓蚀剂的适用性会发生改变，导致无法在管中形成完整的液膜，抑制管壁的腐蚀；而在天然气管道的运行过程中，流速增加会造成缓蚀剂液膜的完整程度不断降低，而本发明缓蚀剂的加注管理策略是在临界运行工况下进行确定的，其能提高缓蚀剂的加注效率。
在一个具体的实施例中，以某地的天然气输送管道为例，采用本发明对气液两相流集输管道的缓蚀剂成膜特性进行评价，并以此确定其缓蚀剂的加注管理策略，具体包括以下步骤：
(1)对不同类型的缓蚀剂进行溶解分散性测试
将不同类型的缓蚀剂(CT2-19A、CT2-19C、CT2-20A与CT2-17等)加至盛有地层水的试管后充分摇晃，明确各种缓蚀剂的溶解情况，随后将试管置于超声波振动装置中使其充分震荡，观察各试管是否产生沉淀现象，初步确定缓蚀剂的溶解分散性与现场适用性。
(2)搭建天然气输送管道的模拟实验装置
基于现场采集的管道规格参数搭建实验管段，所述实验管段的材质为有机玻璃，在实验管段上安装工作电极，并在管道出口设回收系统，所述回收系统包括收集管道与水箱。
(3)对缓蚀剂进行液相成膜电化学实验
通过水泵与雾化器将地层水和缓蚀剂注入实验管段，并采用球阀调节注入量，一段时间后取出电极晾干，并与参比电极一同放入电化学测试装置中进行阻抗测试，所述电化学测试装置包括电极、电化学工作站、CS Studio5软件。基于阻抗测试可对金属表面缓蚀剂分子的缓释性能进行评价，容抗弧半径越大，其Rct值就越大，缓蚀作用就越明显，由此可进一步判断出缓蚀剂的适用性与缓蚀效果。
各种不同类型的缓蚀剂中，油溶性缓蚀剂CT2-19A与未加缓蚀剂的空白实验组在弯头部位的阻抗结果如图2所示。从图2可以看出，油溶性缓蚀剂CT2-19A的阻抗值与空白实验组相差不大，表明在当前工况下其缓蚀效果并不理想。
(4)对缓蚀剂进行气相成膜电化学实验
通过空气压缩机与雾化器将气体和缓蚀剂注入实验管段，随后对所述实验管段进行电化学阻抗测试与动电位极化测试，从而确定各缓蚀剂的成膜情况与缓蚀效率。基于所述电化学阻抗测试可得到各电极的Rct值，而通过该值的大小即可判断出各缓蚀剂的缓蚀效率。基于所述动电位极化测试发现缓蚀剂浓度与腐蚀电流呈负相关，即随着缓蚀剂浓度增加，其腐蚀电流会明显减小，由此可以明确不同缓蚀剂的成膜情况。
(5)对缓蚀剂进行气相成膜表观实验
通过空气压缩机与雾化器将气体和缓蚀剂注入实验管段，随后对所述实验管段进行气相成膜表观实验，从而确定管道不同位置处的缓蚀剂成膜特性。由于缓蚀剂经过雾化后被气体携带入管中，其成膜效果不易观察，故在本实施例中将微量碳黑色墨水加入缓蚀剂中进行实验，以便于分析实验结果。基于原子力显微镜(AFM)对管道不同位置处的电极表面进行测试，观察电极表面的腐蚀形貌，判断缓蚀剂的成膜情况与缓蚀效果。基于所述气相成膜表观实验可得到缓蚀剂的分布情况，确定缓蚀剂在管中的成膜特性。
各种不同类型的缓蚀剂中，水溶性缓蚀剂CT2-19C在管道不同位置处的电极表面腐蚀形貌如图3所示。从图3中可以看出，管道顶部的电极表面腐蚀情况较为严重，即该处的缓蚀剂液膜并不完整，无法对管道进行有效保护；而管道底部的电极表面较为平整，表明该处的缓蚀剂浓度较高，缓蚀效果较为理想。
通过步骤(1)-(5)确定目标工况条件下的适用缓蚀剂为所述水溶性缓蚀剂CT2-19C，后续步骤采用该缓蚀剂进行。
(6)基于现场天然气管道的管路纵断面图建立天然气管道模型
(7)进行全管路多相流流型分析
采集现场集输管道的流体物性与运行参数，流体介质的物理性质包括温度、压力、密度与粘度等；基于所述流体介质的物理性质设置流体包，基于管道的运行参数设置用于求解管路多相流的边界条件；对所述天然气管道模型进行节点划分，并将节点划分后的天然气管道模型导入多相流计算模型中，进行全管路多相流模拟。管道纵断面图与流型变化关系如图4所示，其中“1”表示层状流，“2”表示环状流，“3”表示段塞流，“4”表示泡状流。从图4可以看出，在管道运行过程中多次出现段塞流现象，且段塞流多出现在上倾管段。当发生段塞流时，气体膨胀，流速增加，会严重破坏缓蚀剂液膜，致使管壁的腐蚀情况加重。基于管路的流型变化情况对流动过程中的流速变化进行研究，确定流速范围，为三维流场分析提供基础数据。
(8)基于现场天然气管道的管路纵断面图和管道规格参数建立集输管道有限元模型，所述管道规格参数包括管道的公称直径、壁厚及材质等
(9)进行全管线缓蚀剂浓度三维流场分析
在本实施例中，所述流体动力学计算模型包括湍流模型、离散相模型与多相流模型。所述湍流模型选用标准k-ε湍流模型，所述离散相模型选定为DPM离散相模型，所述多相流模型为Mixture多相流模型。需要说明的是，除了本实施例采用的模型外，现有技术中的其他模型也可适用于本发明，例如湍流模型选用Spalart-Allmaras模型、k-ω模型、雷诺应力模型(RSM)，多相流模型选用Eulerian模型等等。
在本实施例中，流体材料的主相为甲烷，次项为水；缓蚀剂以颗粒相注入，并选用surface注入方式。边界条件选用速度入口(Velocity-inlet)，压力出口(Pressure-outlet)，壁面为标准壁面类型，湍流强度为5％，并采用QUICK差分格式和SIMPLE算法求解控制方程。
将网格划分后的集输管道有限元模型导入所述流体动力学计算模型中进行迭代求解，得到全管线缓蚀剂浓度三维流场分布。基于所述全管线缓蚀剂浓度三维流场分布研究整个管线沿程缓蚀剂的浓度分布状况，确定管道防腐的薄弱环节。为便于观察缓蚀剂沿全管线的浓度变化，垂直流向选取若干截面并展示截面上的缓蚀剂分布情况，研究各截面的缓蚀剂浓度分布，从而明确缓蚀剂的分布规律，部分截面的缓蚀剂浓度分布如图5所示；随后，提取各截面缓蚀剂的浓度平均值研究缓蚀剂沿全管线的浓度分布，其浓度分布结果如图6所示，其中缓蚀剂加注量为6L/h，管线长度为7km。
图5展示了部分截面缓蚀剂沿管道周向的浓度分布情况，其中以管道顶部为原点，按顺时针方向提取了缓蚀剂在整个周向的浓度分布。由图5可知，在重力作用下，缓蚀剂发生缓慢沉降，导致管道顶部的缓蚀剂浓度逐渐减小，直至减小为0，而管道中下部的缓蚀剂浓度总体偏高；同时，受管线高程与湍流作用的影响，管中缓蚀剂的浓度会不断发生变化，致使缓蚀剂的浓度分布极不均匀。
从图6中可以看出，缓蚀剂在管线沿程的分布总体呈下降的趋势，且在入口附近的管段缓蚀剂浓度以指数形式下降，随后下降速率逐渐平缓，且随着高程的变化反复波动。
(10)研究流速变化对缓蚀剂浓度分布的影响
基于所述全管路多相流流型分析确定的流速范围对完成缓蚀剂预膜的管道进行三维流场分析，研究不同流速对缓蚀剂液膜的冲刷影响。基于所述不同流速对缓蚀剂液膜的冲刷影响分析缓蚀剂液膜完整程度的变化情况，从而确定临界运行工况，并得出临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数。
所述临界运行工况具体通过以下步骤确定：基于所述缓蚀剂液膜完整程度的变化情况分析在哪一流速区间内缓蚀剂液膜的完整程度变化较大，随后取该区间上下限的平均值作进一步研究，根据缓蚀剂液膜的浓度变化确定临界运行工况。如图7所示，缓蚀剂液膜的完整程度在4m/s～5m/s时变化较大，通过进一步研究4.5m/s时情况，发现与4m/s时相比，缓蚀剂液膜完整程度的变化依然较大，最终确定临界流速(即所述临界运行工况)为4m/s；随后得出4m/s工况下缓蚀剂液膜的体积分数为0.8。
基于全管路多相流流型分析得出的气液两相流速，分析缓蚀剂在管道中的损耗情况，确定缓蚀剂的损耗量。具体通过式(1)-(5)确定在4m/s工况下，缓蚀剂在液相中的损耗为5.31×10-3kg/s，在气相中的损耗为2.59×10-6kg/s。
(11)确定缓蚀剂的加注管理策略
根据临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数0.8可以确定缓蚀剂液膜的临界损失值为0.2(＝1-0.8)。通过式(6)计算得到缓蚀剂液膜达到临界损失的时间为9.5h。
根据质量守恒原理，当加注量为20L/h时，缓蚀剂的质量流量为5.56×10-3kg/s，其值与缓蚀剂损耗量接近，故需在管道运行9.5h内注入缓蚀剂，且应选用连续加注的方式；当加注量为50L/h时，缓蚀剂的质量流量为1.38×10-2kg/s，损耗量与该值相差一个数量级，因此可选用间歇加注的方式，但管道每运行9.5h需连续注入缓蚀剂至少6h。此外，考虑到缓蚀剂存在毒性，且价格昂贵，故本发明由此提出缓蚀剂最优加注量的确定方法，即基于所述缓蚀剂在管道中的损耗量确定缓蚀剂加注量的大小，而所述缓蚀剂加注量仅略大于损耗量。在本实施例中，缓蚀剂的最优加注量即为20L/h，在该加注量下既可确保缓蚀剂液膜能够得到有效补充，又能在保证天然气管道安全运行的前提下极大地降低管道运行成本。
综上所述，本发明依据某天然气集输管道现场采集的运行参数与流体物性资料，采用实验与模拟相结合的方式，并基于三维流动特征对缓蚀剂的成膜特性展开研究，模拟的基础数据由全管路多相流分析所得，从而降低了与实际生产状况的差异，确保所得结论的现场适用性。在此之前，尚未有人提出临界运行工况的确定与缓蚀剂加注管理策略，本发明提出的缓蚀剂成膜特性评价方法以及缓蚀剂加注管理策略确定方法与现有技术相比，具有显著的进步。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种缓蚀剂成膜特性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
对目标缓蚀剂进行实验分析，获取适合目标工况条件下的适用缓蚀剂；
对所述适用缓蚀剂进行全管路多相流流型分析，获取所述适用缓蚀剂在多相条件下管路中的流型变化情况、气液两相的流速变化情况、以及流速范围；
以所述全管路多相流流型分析的结果为基础数据进行缓蚀剂的三维流场分析，获得所述适用缓蚀剂在整个管路中的浓度分布情况、临界运行工况、临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数、以及缓蚀剂的损耗量；
所述三维流场分析具体包括以下子步骤：
基于现场天然气管道的管路纵断面图和管道规格参数建立集输管道有限元模型，并对所述集输管道有限元模型进行网格划分；
基于管道的流体物性与运行参数，设置流体材料的物理性质和边界条件；
将网格划分后的集输管道有限元模型导入流体动力学计算模型中进行迭代求解，得到全管线缓蚀剂浓度三维流场分布；
基于所述全管线缓蚀剂浓度三维流场分布，研究分析缓蚀剂在整个管路中的浓度分布情况，并确定管道防腐的薄弱环节；
基于所述全管路多相流流型分析确定的流速范围，分析流速变化对缓蚀剂浓度分布的影响，并根据缓蚀剂液膜完整程度的变化情况确定临界运行工况，获得临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数；
基于所述全管路多相流流型分析确定的气液两相流速，分析缓蚀剂在管道中的损耗情况，确定缓蚀剂的损耗量。
2.根据权利要求1所述的缓蚀剂成膜特性评价方法，其特征在于，所述实验分析包括缓蚀剂溶解分散性测试、液相成膜电化学实验、气相成膜电化学实验、以及气相成膜表观实验。
3.根据权利要求1所述的缓蚀剂成膜特性评价方法，其特征在于，所述全管路多相流流型分析具体包括以下子步骤：
基于现场天然气管道的管路纵断面图建立天然气管道模型；
基于现场天然气管道的流体物性与运行参数设置流体包与用于求解管路多相流的边界条件；
对所述天然气管道模型进行节点划分，并将节点划分后的天然气管道模型导入多相流计算模型中，分析在多相条件下管路中缓蚀剂的流型变化情况；
基于所述流型变化情况研究缓蚀剂在流动过程中的流速变化，并确定流速范围。
4.根据权利要求1所述的缓蚀剂成膜特性评价方法，其特征在于，所述缓蚀剂的损耗量包括缓蚀剂在气相中的损耗量和缓蚀剂在液相中的损耗量；所述缓蚀剂的损耗量通过下式进行计算：
Qm1＝ρA1V1 (1)
Qm2＝CgA2Vg (2)
Figure FDA0003779692870000021
A2＝A-A1 (4)
式中：Qm1为缓蚀剂在液相中的损耗量，kg/s；ρ为缓蚀剂的密度，kg/m3；A1为管道出口缓蚀剂液膜的横截面积，m2；V1为管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速，m/s；Qm2为缓蚀剂在气相中的损耗量，kg/s；Cg为缓蚀剂在气体中的浓度，kg/m3；A2为管中天然气的流通面积，m2；Vg为气体流速，m/s；Dt为紊流扩散系数，m2/s；x为缓蚀剂运动的轴向距离，m；r为径向坐标，m；R0为管道中心到液膜的径向距离，m；I0(X)为第一类零阶贝塞尔函数；A为管道出口的横截面积，m2。
5.根据权利要求4所述的缓蚀剂成膜特性评价方法，其特征在于，管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速通过粘性底层的速度分布求平均获得；所述粘性底层的厚度通过下式进行计算：
Figure FDA0003779692870000022
式中：y+为测量点到壁面处的无量纲距离；y为测量点到壁面的距离，m；当y+值等于5时，y即为粘性底层的厚度；υ为缓蚀剂的运动粘度，m2/s；τw为壁面切应力，Pa。
6.根据权利要求5所述的缓蚀剂成膜特性评价方法，其特征在于，管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速通过以下子步骤获得：根据现场运行参数进行气液两相流管道缓蚀剂液膜的三维流场分析，并基于粘性底层的厚度提取迭代运算结果中粘性底层的速度分布，通过所述粘性底层的速度分布确定粘性底层中流体速度的最大值与最小值，随后进行平均值求解即可获得所述管道出口截面缓蚀剂液膜的平均流速。
7.一种缓蚀剂加注管理策略确定方法，其特征在于，所述缓蚀剂加注管理策略包括缓蚀剂的加注量、加注方式和加注周期，所述确定方法包括以下步骤：
S1：采用权利要求1-6中任意一项所述的缓蚀剂成膜特性评价方法获取目标工况条件下的适用缓蚀剂、所述适用缓蚀剂在临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数以及所述适用缓蚀剂的损耗量；
S2：根据所述临界工况下缓蚀剂液膜的体积分数确定缓蚀剂液膜的临界损失值；
S3：根据所述临界损失值，计算缓蚀剂液膜达到临界损失的时间；
S4：根据所述缓蚀剂液膜达到临界损失的时间以及缓蚀剂的损耗量，利用质量守恒原理确定缓蚀剂的加注量、加注方式和加注周期。
8.根据权利要求7所述的缓蚀剂加注管理策略确定方法，其特征在于，步骤S3中，缓蚀剂液膜达到临界损失的时间通过下式进行计算：
Figure FDA0003779692870000031
式中：T为缓蚀剂液膜达到临界损失的时间，h；m为全管路缓蚀剂液膜的质量，kg；Qm1为缓蚀剂在液相中的损耗量，kg/s；Qm2为缓蚀剂在气相中的损耗量，kg/s；k为缓蚀剂液膜的临界损失值。
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