CN210863494U - 一种水平rtp管道摩阻测试实验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于水平非金属管道沿程摩阻的测量技术领域，具体涉及一种水平RTP管道摩阻测试实验系统。本实用新型通过水平设置的实验环道、与实验环道两端连接的动力与计量单元和与计量单元电信号连接的数据采集单元组合而成了水平RTP管道摩阻测试实验系统。本实用新型通过对管内液体流速进行控制，使管内液体处于不同流态，进行水平RTP管道压降测定，从而得出水及两种原油分别在不同管径的RTP管道、不锈钢管以及三种材质的RTP管道中的摩阻损失。
Description
技术领域
本实用新型属于水平非金属管道沿程摩阻的测量技术领域，具体涉及一种水平RTP管道摩阻测试实验系统。
背景技术
现今的石油产业链中，输油管道起着连接、运输等重要作用，对管道材质的要求也日益提高。由于管道运输过程存在能量消耗，因此要求管道内壁面的粗糙度尽可能的小以减小磨阻；其次，大部分原油含硫与CO2等腐蚀性物质，因此要求管道内壁应具有极好的抗腐蚀性能；另外，传统使用的钢制管道的可焊性能和结构稳定性较低，这便需要开发新型的管输管道。非金属管道的抗腐蚀能力强、弯曲性能优异、保养维护简易并且泄漏检测方便，因此被广泛应用于原油输送中并逐渐有代替钢制管道的趋势。另外，非金属输油管道单根管线较长，大大减少了弯头使用量和焊接量，这也使得铺设的速度远远高于传统的金属管线。RTP管(增强热塑性管道)是一种高压塑料复合管材，具有强度高、施工和连接方便、质量轻且无需防腐等优点，可用于中等管径和中、高压力油气输送管道工程。
工程中常用莫迪图表示沿程阻力系数与管道内壁相对粗糙度、雷诺数之间的函数关系。但莫迪图中，粗糙度没有完全包含工程上所有非金属管道的粗糙度。如果设计计算过程中采用的摩阻系数不合理，计算结果会与实际有明显偏差。因此，需要对非金属管道的沿程摩阻进行准确测量及研究，给工程计算提供指导。
实用新型内容
本实用新型提供了一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，目的在于提供一种能够完成对非金属管道沿程摩阻的准确测量的系统。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，包括：
实验环道，实验环道水平设置；
动力与计量单元，动力与计量单元连接在实验环道两端；
数据采集单元，数据采集单元和动力与计量单元之间电信号连接。
所述的实验环道为U形结构，U形的圆弧段内径为0.4m；所述U形结构的实验环道分为不锈钢管道或RTP管道。
所述的不锈钢管道的内径25mm，长9m。
所述的RTP管道分别选择100GW、4731B、3711三种不同材质；所述的100GW材质的RTP管道包括三种内径型号分别为：40mm、20mm和25mm。每种内径型号的RTP管道长度均为9m。
所述的动力与计量单元包括混合搅拌罐、螺杆泵、泵出口压力表、质量流量计、温度传感器和差压传感器；所述螺杆泵的输入端与混合搅拌罐的输出端连接，螺杆泵的输出端与质量流量计的输入端连接，质量流量计的输出端与实验环道的输入端连接；泵出口压力表连接在螺杆泵与质量流量计连接的管路上；所述的温度传感器连接在实验环道的输入端管路上；所述的差压传感器的输入端连接在质量流量计和温度传感器之间，差压传感器的输出端与实验环道的输出端连接。
所述的螺杆泵为单螺杆泵，螺杆泵还匹配连接有变频器。
还包括第一球阀、第二球阀、第三球阀、第四球阀和第五球阀；所述的第一球阀连接在混合搅拌罐和泵出口压力表输出端之间；所述第二球阀连接在混合搅拌罐和螺杆泵输入端之间；所述第三球阀连接在混合搅拌罐和实验环道的输出端之间；所述第四球阀连接在第二球阀和第三球阀之间；所述第五球阀连接在泵出口压力表和质量流量计之间。
所述的混合搅拌罐的上部连接有电动搅拌器，电动搅拌器的搅拌杆延伸至混合搅拌罐内；混合搅拌罐还连接有浸入式加热器。
所述的混合搅拌罐与实验环道输出端连接的管路上，靠近混合搅拌罐段连接有局部取样装置。
有益效果：
本实用新型通过水平设置的实验环道、与实验环道两端连接的动力与计量单元和与计量单元电信号连接的数据采集单元组合而成的水平RTP管道摩阻测试实验系统，实现了对RTP管道沿程摩擦阻力的测试。本实用新型结构紧凑，安装灵活，适用范围广；且操作简单，安全性能好。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型整体结构示意图；
图2是本实用新型的操作流程图；
图3是水在4种管道内流动的雷诺数-摩阻系数结果示意图；
图4是低粘原油在4种管道内流动的雷诺数-摩阻系数结果示意图；
图5是中粘原油在4种管道内流动的雷诺数-摩阻系数结果示意图。
图中：1-混合搅拌罐；2-螺杆泵；3-泵出口压力表；4-质量流量计；5-温度传感器；6-差压传感器；7-数据采集系统；8-局部取样装置；9-第一球阀；10-第二球阀；11-第三球阀；12-第四球阀；13-第五球阀。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一：
根据图1所示的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，包括：
实验环道，实验环道水平设置；
动力与计量单元，动力与计量单元连接在实验环道两端；
数据采集单元，数据采集单元和动力与计量单元之间电信号连接。
在实际使用时，首先，将测量介质为单相的原油或水加入混合搅拌罐1，同时对单相的原油或水加热并控温；其次，检查实验系统是否安全，为了保证实验段的严格水平，利用水准仪对实验环道进行水平校准，使绝对高程差控制在±5mm以内，再检查管线连接是否密闭，保证没有漏气、漏液的现象。然后，测量介质经螺杆泵2增压和质量流量计4计量后进入实验环道，根据质量流量计4示数分别调节流量至每个流态所需流量点，流量的单位为m3/h；最后，测量介质沿管道流动返回至混合罐1，待流程运行稳定(流量和压降保持恒定)后进行相关实验数据的采集。为了减弱阀门对测量介质的剪切，实验管路上的所有阀门都处于全开状态，每次测量完成后只通过变频电机调节螺杆泵2转速，从而调节油水混合物的流量。测量过程中，每次调节流量后均需稳定1～2分钟，待差压传感器6的读数稳定后再记录数据。同时为保证实验结果的准确性，每个流量下重复3～4次实验，压降取平均值。
实验环道设置成半圆形节约空间，并且方便测量管路的压差。
在具体应用时，还可以根据需要，将管线、混合搅拌罐1和各个法兰交界处包覆保温层，保温层为聚氨酯材料。保温层的设置能够保证实验的整个过程的温度保持，节约能源。
本实用新型保障了在较小的体积下，结合较好的校准和高质量仪表和高频率数据采集，做到了小而精、小而准。本实用新型结构紧凑，安装灵活，且操作简单。本实用新型实现了对不锈钢管道沿程摩擦阻力的准确测试，作为对比试验，操作简单，安全性能好。
实施例二：
根据图1所示的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，与实施例一不同之处在于：所述的实验环道为U形结构，U形的圆弧段内径为0.4m；所述U形结构的实验环道分为不锈钢管道或RTP管道。
优选地是所述的不锈钢管道的内径25mm，长9m。
优选地是所述的RTP管道分别选择100GW、4731B、3711三种不同材质；所述的100GW材质的RTP管道包括三种内径型号分别为：40mm、20mm和25mm；每种内径型号的RTP管道长度均为9m。
在实际使用时，分别将100GW、4731B、3711三种不同材质的实验环道安装到本实用新型中，分别通入水或油介质进行测试，得出不同的实验数据后进行比较，方便的得出实验结果，为后续工作提供有力的支持。
在实验环道外包覆的保温层，采用的是聚氨酯材料，保温层包覆在
实施例三：
根据图1所示的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，与实施例一不同之处在于：所述的动力与计量单元包括混合搅拌罐1、螺杆泵2、泵出口压力表3、质量流量计4、温度传感器5和差压传感器6；所述螺杆泵2的输入端与混合搅拌罐1的输出端连接，螺杆泵2的输出端与质量流量计4的输入端连接，质量流量计4的输出端与实验环道的输入端连接；泵出口压力表3连接在螺杆泵2与质量流量计4连接的管路上；所述的温度传感器5连接在实验环道的输入端管路上；所述的差压传感器6的输入端连接在质量流量计4和温度传感器5之间，差压传感器6的输出端与实验环道的输出端连接。
水平RTP非金属管道摩阻测试实验系统中的原油罐1用来盛装实验介质；螺杆泵2为整个装置提供动力；泵出口压力表3用来监测泵出口压力，以免超压产生事故；质量流量计4用来控制介质流量；温度传感器5用来监测管路中流动介质的温度，差压传感器6用来测量整段管路的压降。
在实际使用时，将单相的原油或水的测量介质加入混合罐1，测量介质经螺杆泵2增压和流量计4计量后进入实验环道，根据质量流量计4示数分别调节流量至每个流态所需流量点，流量的单位为m3/h；最后，测量介质沿管道流动返回至混合罐1，待流程运行稳定(流量和压降保持恒定)后进行相关实验数据的采集。
动力与计量单元采用本技术方案，使得采用本实用新型进行相关实验的结果更加精确。
实施例四：
根据图1所示的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，与实施例五不同之处在于：所述的螺杆泵2为单螺杆泵，螺杆泵2还匹配连接有变频器。
在实际使用时，螺杆泵2采用单螺杆泵，使得流体流量均匀、压力稳定，低转速时更为明显，具有良好的变量调节性，单螺杆泵能够一泵多用可以输送不同粘度的介质且泵的安装位置可以任意倾斜，还具有体积小，重量轻、噪声低，结构简单，维修方便的特点。
螺杆泵2配有变频器，能够用来在实验中较好控制螺杆泵2的转速从而控制管内流动的实验介质的流量。
实施例五：
根据图1所示的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，与实施例五不同之处在于：还包括第一球阀9、第二球阀10、第三球阀11、第四球阀12和第五球阀13；所述的第一球阀9连接在原油罐1和泵出口压力表3输出端之间；所述第二球阀10连接在原油罐1和螺杆泵2输入端之间；所述第三球阀11连接在原油罐1和实验环道的输出端之间；所述第四球阀12连接在第二球阀10和第三球阀11之间；所述第五球阀13连接在泵出口压力表3和质量流量计4之间。
在实际使用时，第一球阀9、第二球阀10、第三球阀11、第四球阀12和第五球阀13设置，可以根据需要开启、关闭不同的阀门，达到预设效果，使得实验更加方便。
实施例六：
根据图1所示的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，与实施例五不同之处在于：所述的原油罐1的上部连接有电动搅拌器，电动搅拌器的搅拌杆延伸至原油罐1内；原油罐1还连接有浸入式加热器。
在实际使用时，采用本技术方案，保障了水平RTP非金属管道摩阻测试实验系统能够满足各类油品，不论粘度和凝点的高低，均可使用本实用新型进行试验，有效的扩大了本实用新型的适用范围。
实施例七：
根据图1所示的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，与实施例八不同之处在于：所述的原油罐1与实验环道输出端连接的管路上，靠近原油罐1段连接有局部取样装置8。
在实际使用时，采用本技术方案，方便的随时在原油罐1中取样，保证了实验的精确性。
实施例八：
根据图2所示的一种水平RTP非金属管道摩阻测试实验方法，包括如下步骤
步骤一：测量介质入罐
将单相的原油或水的流体介质加入混合搅拌罐1，同时利用混合搅拌罐1的浸入式加热器进行加热并控温，自来水实验温度为17-22℃、油层条件下原油粘度小于5mPa·S的原油实验温度为13-17℃、油层条件下原油粘度5mPa·S—20mPa·S的原油实验温度为33-37℃；
步骤二：检查系统
检查水平RTP管道摩阻测试实验系统是否安全，并对所述实验系统进行密闭性检测，检测管线连接是否密闭；
步骤三：开启阀门及螺杆泵2
将水平RTP管道摩阻测试实验系统管路上的所有阀门打开后，开启螺杆泵2；
步骤四：调节流量
根据水平RTP非金属管道摩阻测试实验系统中的质量流量计4的示数，分别调节流量至每个流态所需流量点；
步骤五：数据采集记录
当步骤四完成后，等待1-2分钟，待流量和压降保持恒定后进行相关实验数据的采集和记录；
步骤六：求取平均值
步骤五在每个流量下重复3～4次，将3～4次记录的压降数值进行平均值计算；
步骤七：更换实验环道
步骤六完成后，更换另一材质的实验环道重复步骤一至步骤六，完成所有材质的实验；
步骤八：实验数据对比
将注入同一流体介质的不同材质实验环道的摩阻系数实验数据进行对比，得出结论。
在实际使用时，首先，将单相的原油或水的测量介质加入混合罐1，同时对单相的原油或水加热并控温；其次，检查实验系统是否安全，为了保证实验段的严格水平，利用水准仪对实验环道进行水平校准，使绝对高程差控制在±5mm以内，再检查管线连接是否密闭，保证没有漏气漏液的现象。然后，测量介质经螺杆泵2增压和质量流量计4计量后进入实验环道，根据质量流量计4示数分别调节流量至每个流态所需流量点，流量的单位为m3/h；最后，测量介质沿管道流动返回至混合罐1，待流程运行稳定(流量和压降保持恒定)后进行相关实验数据的采集。为了减弱阀门对测量介质的剪切，实验管路上的所有阀门都处于全开状态，每次测量完成后只通过变频电机调节螺杆泵2转速，从而调节油水混合物的流量。测量过程中，每次调节流量后均需稳定1～2分钟，待差压传感器6的读数稳定后再记录数据。同时为保证实验结果的准确性，每个流量下重复3～4次实验，压降取平均值。然后换上另一材质的实验环道，重复上述步骤，取得实验数据，将同一流体介质条件下的不同材质的实验环道的实验数据进行对比，得到管道中流动的摩擦阻力系数与管道材质表面能的关系。
在具体应用时，油层条件下原油粘度小于5mPa·S的原油定义为低粘原油、油层条件下原油粘度5mPa·S—20mPa·S的原油定义为中粘原油。
本实用新型通过水平RTP管道摩阻测试实验系统测得水平RTP非金属管道压降测定值，通过如下方式得到摩阻损失。
首先，根据达西公式
式中：hL为管路的沿程摩阻损失，m；
λ为水力摩阻系数；
L管道长度，m；
d为为管道内径，m；
v为在流动截面上流体的平均流速，m/s；
g为重力加速度，m/s2
和流量计算公式
式中：QQ为管路中流体的体积流量，m3/s；
A为流体流动截面面积，m2。
通过反算得到不同流态下的实际的摩阻系数：
式中：λe为管道的摩阻系数；
Δp为管路的摩阻压降，Pa
然后，通过测量介质的粘度和密度得到雷诺数：
并根据所得雷诺数Re，判断流态，计算该工况下摩阻系数的理论值λt：
表1不同流态下的摩阻系数理论计算公式
*附注：其中
λt为管道的摩阻系数；
△为管道绝对粗糙度，m；
ε为管道相对粗糙度。
本实用新型实现了对RTP非金属管道沿程摩擦阻力的准确测试，操作简单，安全性能好。
实施例九：
以水介质实验为例，如图3所示，经水在四种管道上的摩阻系数的大小依次为不锈钢管道＞100GW型RTP非金属管道＞3711型RTP非金属管道＞4731B型RTP非金属管道。而对于两种原油，如图4和图5所示，其在四种管道上的摩阻系数的大小依次为3711型RTP非金属管道＞4731B型RTP非金属管道＞100GW型RTP非金属管道＞不锈钢管道。除金属管道以外，两种原油在管道中流动的摩擦阻力系数基本上是随管道材质表面能的增大而减小的。对100GW材质的RTP管道沿程摩擦阻力的准确测试，并且说明了管径对管道摩阻的影响，相同雷诺数下DN40、DN20、DN25之间的摩阻系数在考虑实验误差的情况下几乎重合，说明管径对摩阻系数的影响在误差范围内是可以忽略的。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，其特征在于，包括：
实验环道，实验环道水平设置；
动力与计量单元，动力与计量单元连接在实验环道两端；
数据采集单元，数据采集单元和动力与计量单元之间电信号连接。
2.如权利要求1所述的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，其特征在于：所述的实验环道为U形结构，U形的圆弧段内径为0.4m；所述U形结构的实验环道分为不锈钢管道或RTP管道。
3.如权利要求2所述的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，其特征在于：所述的不锈钢管道的内径25mm，长9m。
4.如权利要求2所述的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，其特征在于：所述的RTP管道分别选择100GW、4731B、3711三种不同材质；所述的100GW材质的RTP管道包括三种内径型号分别为：40mm、20mm和25mm；每种内径型号的RTP管道长度均为9m。
5.如权利要求1所述的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，其特征在于：所述的动力与计量单元包括混合搅拌罐(1)、螺杆泵(2)、泵出口压力表(3)、质量流量计(4)、温度传感器(5)和差压传感器(6)；所述螺杆泵(2)的输入端与混合搅拌罐(1)的输出端连接，螺杆泵(2)的输出端与质量流量计(4)的输入端连接，质量流量计(4)的输出端与实验环道的输入端连接；泵出口压力表(3)连接在螺杆泵(2)与质量流量计(4)连接的管路上；所述的温度传感器(5)连接在实验环道的输入端管路上；所述的差压传感器(6)的输入端连接在质量流量计(4)和温度传感器(5)之间，差压传感器(6)的输出端与实验环道的输出端连接。
6.如权利要求5所述的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，其特征在于：所述的螺杆泵(2)为单螺杆泵，螺杆泵(2)还匹配连接有变频器。
7.如权利要求5或6所述的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，其特征在于：还包括第一球阀(9)、第二球阀(10)、第三球阀(11)、第四球阀(12)和第五球阀(13)；所述的第一球阀(9)连接在混合搅拌罐(1)和泵出口压力表(3)输出端之间；所述第二球阀(10)连接在混合搅拌罐(1)和螺杆泵(2)输入端之间；所述第三球阀(11)连接在混合搅拌罐(1)和实验环道的输出端之间；所述第四球阀(12)连接在第二球阀(10)和第三球阀(11)之间；所述第五球阀(13)连接在泵出口压力表(3)和质量流量计(4)之间。
8.如权利要求5所述的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，其特征在于：所述的混合搅拌罐(1)的上部连接有电动搅拌器，电动搅拌器的搅拌杆延伸至混合搅拌罐(1)内；混合搅拌罐(1)还连接有浸入式加热器。
9.如权利要求8所述的一种水平RTP管道摩阻测试实验系统，其特征在于：所述的混合搅拌罐(1)与实验环道输出端连接的管路上，靠近混合搅拌罐(1)段连接有局部取样装置(8)。
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|---|---|---|---|
| CN201921406344.7U CN210863494U (zh) | 2019-08-28 | 2019-08-28 | 一种水平rtp管道摩阻测试实验系统 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110441229A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-11-12 | 西安长庆科技工程有限责任公司 | 一种水平rtp管道摩阻测试实验系统与方法 |
| KR102540095B1 (ko) * | 2021-12-30 | 2023-06-07 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 양해적인 대수방정식으로 관의 마찰계수를 산정하는 방법 및 장치 |
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- 2019-08-28 CN CN201921406344.7U patent/CN210863494U/zh active Active
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| KR102540095B1 (ko) * | 2021-12-30 | 2023-06-07 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 양해적인 대수방정식으로 관의 마찰계수를 산정하는 방법 및 장치 |
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