第３４卷 第２期２０１３年３月
石油学报
ＡＣＴＡ ＰＥＴＲＯＬＥＩ
ＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．３４Ｍａｒ．
Ｎｏ．２
２０１３
基金项目：国家重大科技专项“深水流动安全保障与水合物风险控制技术”（２０１１ＺＸ０５０２６－００４－
０３）资助。第一作者：王 平，女，１９８６年１１月生，２００８年获中国石油大学（
北京）工学学士学位，现为中国石油大学（北京）博士研究生，主要从事海洋管道多相流方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｐｉｎｇ
５７９＠１２６．ｃｏｍ通讯作者：宫 敬，女，１９６２年６月生，１９９５年获石油大学（
北京）油气储运专业工学博士学位，现为中国石油大学（北京）教授、博士生导师，主要从事管道多相流及瞬变流理论研究。Ｅｍａｉｌ：ｙｄｇｊ
＠ｃｕｐ．ｅｄｕ．ｃｎ文章编号：０２５３－２６９７（２０１３）０２－０３８０－０６ ＤＯＩ：１０．７６２３／ｓｙ
ｘｂ２０１３０２０２３柔性管段对立管严重段塞流特性的影响 王 平１ 宫 敬１ 李清平２ 邓道明１ 马 亮１ 彭 明１
（１．中国石油大学油气管道输送安全国家工程实验室 北京 １０２２４９； ２． 中海油研究总院 北京 １０００２７）摘要：严重段塞流是深海混输立管面临的流动安全问题之一，开展混输立管严重段塞流研究对立管的流动安全及实际生产具有重要意义。在中国石油大学（
北京）原立管系统实验装置及改造后的混合立管系统实验装置上进行的不同工况下的严重段塞流特性实验结果表明， 柔性管严重段塞流特性不同于垂直管段。在立管总高度相等条件下，利用Ｌ型立管和混合立管的流型图、压力、
周期和液塞等数据分析了柔性管的存在与否对立管严重段塞特性的影响。相对于Ｌ型立管，柔性管存在会在一定程度上缩小严重段塞流Ｉ的范围，同时使立管底部最大压力增大约１５％～２０％，严重段塞周期减小约１２．０９％，液塞长度减小约１．３８％，液塞速度增加约２．９３％。在立管总高度等几何参数一定的情况下，对柔性管跨度和长度变化对严重段塞流特性的影响进行了分析。结果表明，柔性管跨度对严重段塞流特性的影响较小；柔性管长度增加，会同时增大严重段塞流的周期和立管底部最大压力。
关键词：混合立管；严重段塞流；压力；周期；液塞；柔性管中图分类号：ＴＥ ７６６ 文献标识码：Ａ
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐｅ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ
ｉｎ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍＷＡＮＧ Ｐｉｎｇ１ ＧＯＮＧ Ｊｉｎｇ１ ＬＩ Ｑｉｎｇｐｉｎｇ２ ＤＥＮＧ Ｄａｏｍｉｎｇ１ ＭＡ Ｌｉａｎｇ１ ＰＥＮＧ Ｍｉｎｇ
１
（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｓａｆｅｔｙ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９，Ｃｈｉｎａ；２．ＣＮＯＯＣ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１
０００２７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｓｕｂｓｅａ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｐｉｐ
ｅｌｉｎｅｓ ｅｍｅｒｇｅ ａｓ ｎｅｗ ｆｏｒｍｓ，ｓｕｃｈ ａｓ Ｓ－ｓｈａｐｅｄ ｒｉｓｅｒ，ｃａｔｅｎａｒｙｒｉｓｅｒ ａｎｄ ｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ．Ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ－ａｓｓｕｒａｎｃｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｆａｃｅｄ ｂｙ ｓｕｂｓｅａ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏｓｔｕｄｙ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ ｉｎ ｒｉｓｅｒｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｌ－ｓｈａｐｅｄ ｒｉｓｅｒ ａｎｄ ｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｅｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｉｇｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉ－ｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ－Ｂｅｉｊｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉ
ｎｇ ｏｆ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐ
ｅ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ａ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｒｉｓｅｒ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕ－ｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐｅ ｏｎ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｒｉｓｅｒ ｗａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒｅｇｉｍｅ ｍａｐ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｓｌｕｇ
ｏｆ ｔｈｅ Ｌ－ｓｈａｐｅｄ ｒｉｓｅｒ ａｎｄ ｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｏｔａｌ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｒｉｓｅｒｓ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｌ－ｓｈａｐｅｄ ｒｉｓｅｒ，ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ Ｉ，ａｎｄ ａｔ ｔｈｅｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｉｔ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｂｏｔｔｏｍ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｂｙ ａｂｏｕｔ １５％～２０％，ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ
ｒｅｄｕｃｅ ｂｙａｂｏｕｔ １２．０９％，ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｓ
ｌｕｇ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｂｙ ａｂｏｕｔ １．３８％ａｎｄ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｓｌｕｇ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｂｙ ａｂｏｕｔ ２．９３％．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅｓａｍｅ ｔｏｔａｌ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒｓ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐａｎ ａｎｄ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐｅ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ
ｗａｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｐａｎ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐｅ ｄｉｄ ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ ｖｅｒｙ ｍｕｃｈ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐｅ，ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒ ｂｏｔｔｏｍｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ
．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ；ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ；
ｐｅｒｉｏｄ；ｌｉｑｕｉｄ ｓｌｕｇ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐｅ 随着海洋石油工业的发展，
海底管道系统由浅海的Ｌ型立管逐渐发展出新的形式———柔性管，Ｓ型和悬链线是目前比较常见的柔性立管结构。对于不同的立管结构，目前大多仍采用海底混输技术，而严重段塞流是深海混输立管面临的流动安全问题之一，它会造
成设备破坏、
停产等非常严重的后果。目前已对Ｌ型立管［１－９］、Ｓ型立管［１
０－
１５］和悬链线立管［１６］开展了实验模拟与控制研究，并分析了Ｓ型立管管径对严重段塞流特性的影响。而当Ｌ型立管和柔性立管混合使用时，柔性管段对立管严重段塞流特性影响方面的文献未见
第２期王 平等：柔性管段对立管严重段塞流特性的影响
３８１
发表。这种新出现的立管形式被称为混合立管，其具有很多良好的性能，非常适用于深海和超深海环境。但相对于其他深水立管，混合立管建设成本相对较高，因此立管的形状对流动特性的影响是结构设计所关心
的问题［
１７－
１９］。笔者在实验研究混合立管严重段塞流流动特性的基础上，分析了柔性管段对严重段塞流型区域，以及不同工况下压力波动、
周期和液塞等流动特性的影响，进而研究了柔性管存在与否及其跨度、长度变化对严重段塞流流动特性的影响，以期为深水油气田开发中立管结构选择和设计提供依据。
１ 实验系统
实验在中国石油大学（北京）多相流实验室的混合立管实验装置和原Ｌ型立管实验装置上进行，其中混
合立管实验装置根据某深水混合立管结构尺寸利用几何相似设计而成。实验装置包括供水系统、
供气系统、实验管路系统、数据测量及信号采集系统。供水系统主要由储液罐和螺杆泵组成。供气系统主要由压缩机和缓冲罐组成。实验管路包括气液混合器，长４４ｍ的水平管段，倾角－２°、长１４．３９ｍ的下倾管段和立管段（立管段包括高约６．６７ｍ且高度可变的垂直立管段，以及长度分别为２．２ｍ和３ｍ、水平跨度分别为１．２ｍ和１．５ｍ的柔性管）；柔性管出口设有气液分离器和测量罐；实验管路内径均为０．０５ｍ，下倾管后半部分和整个立管段均为透明管。数据测量仪表主要有电磁流量计、气体质量流量计、压力传感器、压差传感器、温度传感器和双平行电导探针。本实验的介质为空气和水，实验装置流程和测点布置如图１所示，Ｌ型立管与混合立管保持总高度不变（７ｍ）
进行实验
。图１ 混合立管系统实验装置
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｅｔ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ ｓｙ
ｓｔｅｍ２ 数据处理和分析方法
严重段塞流的周期可通过立管底部压力波动曲线确定。液塞长度
［２０］
通过测量罐体积法计算如下：
Ｌｓ＝
Δｐρ
１ｇ·Ｄ２
１Ｄ２
（１）式中：Ｌｓ为液塞长度，ｍ；Δｐ为测量罐压差，Ｐａ；ρ
１为液相密度，ｋｇ／ｍ３；ｇ为重力加速度，ｍ／ｓ２；Ｄ１为测量罐内径，ｍ；Ｄ为实验管段内径，ｍ。
液塞形成阶段压力曲线近似为一条直线，此阶段
液塞速度可表示为［
２１］
ｖｓ１＝
１ρ
１ｇ·ｄｐ
ａ～ｄ
ｄｔ（２
）式中：ｖｓ１为液塞速度，
ｍ／ｓ；ｐａ～ｄ
为液塞流出阶段内某一时间的压力，Ｐａ
。柔性管及立管的压力数据可通过管道系统中的压力传感器测得，数据采集采用美国ＮＩ公司的Ｌａｂｖｉｅｗ８．２软件，
此软件具有较好的数据处理及在线显示能力，能较好地显示压力、压差及持液率等特性参数随时间波动特征。采样周期为０．２ｓ
。３ 结果与分析
混合立管严重段塞流可以分为液塞形成、液塞生
产、液气喷发和液体回流４个阶段［
２２］
。混合立管的立管段由垂直管段和柔性管段组成，
垂直管段的各个阶
３８２ 石 油 学 报２０１３年 第３４卷
段流动特性与下倾管－立管（Ｌ型立管）
相同，而柔性管段在各个阶段的流动特性跟垂直管段不同［２２］
，且柔性
管几何尺寸的变化会对立管系统的流动特性产生一定
影响［
２３］
。３．１ 柔性管的存在与否对立管严重段塞特性的影响３．１．１ 对流型的影响为论述方便，笔者将液塞长度达到一个或几个立管总长度的段塞流称为严重段塞流Ⅰ（ＳＳⅠ）；液塞长度大于垂直立管高度但小于总的立管长度的段塞流称为严重段塞流Ⅱ（ＳＳⅡ）；液塞长度小于垂直段高度但仍有液塞堵塞垂直立管底部的流型称为严重段塞流Ⅲ（ＳＳⅢ）
，其中严重段塞流Ⅱ和严重段塞流Ⅲ统称为过渡严重段塞流。将水力学段塞流、气泡流、气团流和环状流归为稳定流。
由图２可见，在相同立管总高度（７ｍ）和倾角下，混合立管流型图上严重段塞流Ⅰ范围比Ｌ型立管稍小。这是因为柔性管中的回落液量造成的压力波动使立管出口压力偏高于分离器压力，
从阀控制严重段塞流的角度分析，其相当于提高了背压，从而使混合立管流型图上严重段塞流Ⅰ范围比Ｌ型立管稍小
。
图２ 立管流型
Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗ ｒｅｇｉｍｅ ｏｆ ｒｉｓｅｒ ｓｙ
ｓｔｅｍｓ３．１．２ 对立管底部压力的影响
图３为相同工况条件（气相速度ｖｓｇ为０．１ｍ／ｓ，液塞速度ｖｓ１为０．３ｍ／ｓ）、相同立管总高度（７ｍ）下，混合立管底部压力与Ｌ型立管底部压力的对比
。
图３ 相同工况、相同立管总高度下Ｌ型立管与混合立管
底部压力对比
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｒｉｓｅｒ－ｂａｓｅ ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ Ｌ－ｓｈａｐｅｄ ｒｉｓｅｒ ａｎｄｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｒｉｓｅｒ ｈｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
由图３分析可知，在相同的立管总高度下，①混合
立管回落量大于Ｌ型立管回落量。这是因为在严重段塞流的液气喷发过程中，
柔性管的液塞量要大于相同垂直高度的液塞量，增加了液气喷发阻力，从而造成混合立管回落量大于Ｌ型立管回落量。然而，柔性管中回落液体的振荡，可能会对系统的稳定造成隐患；②混合立管底部最大压力大于Ｌ型立管底部最大压
力。Ｎｙｄａｌ［１３
］将柔性管近似为地形起伏管道，当严重段塞流发生时，在液塞生产阶段，在柔性管下倾段中存在一定量的气体，其占据长度为（Ｌｐ
２－Ｌｄｎ２），如图４所示
。图４ 混合立管严重段塞流液塞生产阶段
Ｆｉｇ．４ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｌｕｇ
ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇｆｏｒ ｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ ｓｙ
ｓｔｅｍ 图４中Ｌｄｎ１，Ｌｄｎ２分别为下倾管和柔性管下倾段内液塞长度，ｍ；Ｌｐ２，Ｌｕｐ１，Ｌｕｐ
２分别为柔性管下倾段长度、垂直管段中液塞长度和柔性管上倾段中液塞长度，ｍ；β为柔性管下倾段与水平面的近似夹角，
ｒａｄ；γ为柔性管上倾段与水平面的近似夹角，ｒａｄ
。根据流体力学伯努利方程，液塞流出过程为准稳态过程，Ｌ型立管底部压力可表示为
第２期王 平等：柔性管段对立管严重段塞流特性的影响
３８３
ｐＬ＝ρｇＬｕｐ１＋ρｇ（Ｌｕｐ２·ｓｉｎγ－Ｌｐ２·ｓｉｎβ）（
３） 混合立管底部压力可表示为
ｐＨＲ＝ρｇ（Ｌｕｐ２·ｓｉｎγ－Ｌｄｎ２·ｓｉｎβ）
＋ρｇＬｕｐ１－ρｍｉｘｇ（Ｌｐ２·ｓｉｎβ－Ｌｄｎ２·ｓｉｎβ）＝ρｇＬｕｐ１＋ρ
ｇ［Ｌｕｐ２·ｓｉｎγ－（Ｌｄｎ２＋ρｍｉｘρＬｐ２＋ρｍｉｘρ
Ｌｄｎ２）ｓｉｎβ］
（４）式中：ｐＨＲ、ｐＬ分别为混合立管底部和Ｌ型立管底部最
大压力，Ｐａ；ρｍｉｘ，ρ分别为空气与水的混合密度、水的密度，ｋｇ
／ｍ３。实验现象观察发现，在严重段塞流发生时柔性管下倾段内有一层很薄的液膜，其持液率ｈｌ很小，可趋近于０，由ρｍｉｘ＝ｈｌ·ρ＋（１－ｈｌ）·ρ
ｇ和气体密度远远小于水的密度，可知ρｍｉｘ远远小于ρ，则得出ｐＬ＜ｐＨＲ。从量化角度，由表１可得混合立管比Ｌ型立管底部最大压力大１５％～２０％。
３．１．３ 对严重段塞流周期特性的影响
由图５可看出，相同气、液相折算速度下，Ｌ型立管与混合立管严重段塞周期基本相同，混合立管周期略小一点。柔性管下倾段内有被压缩的气相空间，混合立管垂直管段与柔性管段的高度之和稍大于Ｌ型立管的高度，这些因素导致了混合立管相比于Ｌ型立管液塞形成及生产时间较短，
液气喷发及回流时间较长（表２），而整个周期相差较小，混合立管严重段塞周期比Ｌ型立管仅减小
了１２．０９％。
表１ 混合立管和Ｌ型立管底部压力实验数据对比Ｔａｂｌｅ １ Ｄａｔａ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｒｉｓｅｒ－ｂａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ Ｌ－ｓｈａｐ
ｅｄ ｒｉｓｅｒａｎｄ ｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｒｉｓｅｒ ｈｅｉｇ
ｈｔ ａｎｄｏｐ
ｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ工况
ｖｓｇ
／（ｍ·ｓ－１）ｖｓｌ／（ｍ·ｓ－１）ｐＬ／ｋＰａ ｐＨＲ／ｋＰａΔ／％０．１ ０．１ ７０．２ ８３．１ １８．４０．１ ０．３ ６９．９ ８２．５ １８．１０．１ ０．５ ７０．５ ８３．７ １８．７０．３ ０．１ ６９．６ ８３．７ ２０．３０．３ ０．３ ７０．０ ８３．９ １９．６０．３ ０．５ ７１．１ ８５．８ ２０．６０．３ １．０ ７２．９ ８４．２ １５．５０．５
１．０
７２．８
８０．６
１０．７
注：Δ＝
ｐＨＲ－ｐＬ
ｐＬ
×１００％
。图５ 不同工况下Ｌ型立管与混合立管严重段塞周期的对比Ｆｉｇ．５ Ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ
ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ Ｌ－ｓｈａｐｅｄ ｒｉｓｅｒ ａｎｄｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐ
ｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ表２ 混合立管与Ｌ型立管严重段塞周期不同阶段时长对比
Ｔａｂｌｅ ２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｇｅｓ ｆｏｒ ｓｅｖｅｒｅ ｓｌｕｇｇｉｎｇ
ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ ａｎｄ Ｌ－ｓｈａｐｅｄ ｒｉｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ工况
混合立管
Ｌ型立管
ｖｓｇ
／（ｍ·ｓ－１）ｖｓｌ／（ｍ·ｓ－１）液塞形成及生产时间／ｓ液气喷发及
回流时间／ｓ周期／ｓ
液塞形成及
生产时间／ｓ液气喷发及
回流时间／ｓ
周期／ｓ
０．１ ０．１ １４９．８ ８．７ １５８．５ １５２．２ ８．６ １６０．８０．３ ０．１ ９８．６ １８．２ １１６．８ １０１．５ １６．０ １１７．５０．５
０．１
６６．０
１７．２
８３．２
６８．０
１６．２
８４．２
３．１．４ 对严重段塞流液塞特性的影响
图６为相同高度的混合立管和Ｌ型立管在液相折算速度为０．１ｍ／ｓ时，液塞速度和液塞长度与气相折算速度的关系。
相同高度的混合立管与Ｌ型立管在相同气液相
流量下液塞形成阶段的液塞速度相差很小，混合立管的液塞速度稍大一些，这是由于在下倾管结构及气液相流量相同时，混合立管底部压力稍大一些。根据实验数据分析可得出混合立管液塞积累速度比Ｌ型立管大约２．９３％。
混合立管液塞长度比Ｌ型立管小。对于混合立管结构，受柔性管下倾段被压缩气体的影响，相同立管
总高度及气液相流量下，液塞形成及生产阶段的时间小于Ｌ型立管，两种立管形式下液塞形成及生产阶段速度基本相同，因此混合立管的液塞长度小一些。根据实验数据分析，混合立管液塞长度比Ｌ型立管约小１．３８％。
３．２ 柔性管跨度和长度变化对立管严重段塞流特性
的影响
实际生产中，由于浮式生产系统（ＦＰＳＯ）的运动而使柔性管跨度有一定变动，柔性管长度也是管道结构设计的重要参数，
因此分析柔性管长度和跨度变化对立管严重段塞压力和周期特性的影响对指导实际生产有重要意义。
３８４ 石 油 学 报２０１３年 第３４卷
图６ 相同高度的混合立管和Ｌ型立管液塞速度、液塞长度与气相折算速度的关系
Ｆｉｇ．６ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｓｌｕｇ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｓｌｕｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｒｉｓｅｒ ａｎｄ Ｌ－ｓｈａｐｅｄ ｒｉｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ ｇａｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｏｔａｌ ｈｅｉｇｈｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｓｅｒｓ 图７为实验室系统下，
立管总高度为７ｍ、垂直管高度为６．６７ｍ、倾角为－２°、柔性管长度为２．２ｍ时，相同工况、不同柔性管跨度下立管底部压力的对比
。
图７ 不同柔性管跨度下立管底部压力对比Ｆｉｇ．７ Ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｒｉｓｅｒ－ｂａｓｅ ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐｅ ｓｐ
ａｎ 对于混合立管，
考虑本实验系统误差等因素及结合现场实际管道尺寸，
柔性管跨度相对立管长度来讲很小，柔性管跨度变化对混合立管严重段塞流周期和压力特性的影响不明显（图７
）。图８为实验室系统下，立管总高度为７ｍ、垂直管高度为６．６７ｍ、倾角为－２°、柔性管跨度为１．５ｍ时，不同柔性管长度、相同工况下立管底部压力的对比
。
图８ 不同柔性管长度下时立管底部压力对比Ｆｉｇ．８ Ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｒｉｓｅｒ－ｂａｓｅ ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｐ
ｅ ｌｅｎｇｔｈ 由图８可见，
对于混合立管，在其他几何条件保持不变时，柔性管长度增加，液塞积累的时间增加，周期增大；同时由于柔性管增长，使柔性管下倾段内气体的含量增加，整个立管有效静压差增大，立管底部最大压力增大。
另外，柔性管长度为３ｍ时，在气、液相折算速度较大时，在严重段塞流的液塞流出阶段，柔性管下倾段内气体会随着液塞的流出进入柔性管上倾段而进入分离器，使立管底部压力达到最大值之后逐渐减小。
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