陈建恒，罗小明，何利民，李晓伟，李清平，姚海元

（1中国石油大学（华东）油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580；2中国海油研究总院，北京 100028）

摘要：为了对射流清管技术的应用进行探讨与分析，通过对清管器运动过程进行受力分析，建立射流清管器运动模型，探讨射流清管技术的关键参数，并针对射流清管技术的工程应用进行分析，提出风险应对策略。研究表明：射流清管技术的关键参数包括压降系数、旁通率、清管器与管壁的摩擦力。压降系数反映射流孔结构对压降的贡献，主要是结构参数的函数。直通结构、折流板结构和内部阀门结构的压降系数可由各组合部分线性累加计算。旁通率的优选是射流清管技术的核心，旁通率对清管器速度的影响并非理想的线性关系，增加旁通率会在一定程度上增强清管器运动的黏滑效应。当前的研究均未考虑液体润滑对摩擦力的影响且未能耦合摩擦力的沿程变化特点。本文最后对射流清管技术进行了展望，指出摩擦力沿程变化、内部阀门压降系数的研究是优化射流清管模型的重要方向，旁通率、清管器速度以及积液运移三者的耦合关系将是未来的研究热点。

关键词：射流清管；模型；压降系数；旁通率；摩擦力

清管作为管道运行与维护必不可少的环节，是管道流动安全的重要保障。运行速度的控制对降低清管风险，提高清管效果具有重要的意义，当清管器速度一定时，清管效果最佳。特别地，对于气体管道，传统清管器运行速度与气速相当，积液在高速运行的清管器前方逐渐堆积，短时间内一并到达终端，给生产带来了严重的危害。

相比于传统清管方式，射流清管技术（如图1所示）由于在清管器钢骨架内部开设旁通孔，降低驱动压差，从而减小清管器运行速度，前方积液拥有更多的时间自流出管道，且在射流气体的携带作用下，积液的堆积量减小，进而消除清管段塞，给生产带来了一系列的优势。VAN SPRONSEN等指出与传统清管器相比，射流清管器具有以下优势：

①消除清管造成的生产延期；②减小下游段塞流捕集器的容积；③降低防蜡剂的成本以及清蜡风险。

图1  传统清管器与射流清管器的对比

射流清管技术在清蜡方面的突出应用表现在射流气体将蜡塞吹散成悬浮液的形式输送，有效地防止了蜡堆积造成的阻碍，显著地降低了清管频率与卡堵风险，如图2所示。

基于射流清管技术应用于气体管道的巨大潜力，自20世纪末至今，国内外学者对其开展了广泛的研究。NGUYEN等在传统清管器运动模型的基础上，耦合旁通孔的压降方程，形成射流清管模型，并采用有限差分或特征线等数值方法进行求解。压降系数和清管器的摩擦力是射流清管模型的两个重要参数，是模型求解的主要不确定因素，因此SINGH等以及O'DONOGHUE等学者分别对压降系数以及摩擦力开展了相关研究。

图2传统清管与射流清管过程的蜡输送对比

旁通率的优选是射流清管的关键技术，动态仿真软件OLGA和LedaFlow相继开发了射流清管模   块用于仿真模拟射流清管的动态过程，从而优选旁通率，并成功指导了相关工程应用。

但总体而言，射流清管技术的研究还处于初步阶段，其工程应用仍未得到广泛推广，这局限于对其未有清晰而全面的认识。因此，射流清管技术的应用仍有待探讨与分析。

本文作者通过系统地分析射流清管技术应用的关键问题，首先建立射流清管模型，探讨影响清管器运动规律的特征参数，其次对特征参数进行分析与讨论，最后提出工程应用步骤与风险应对策略，旨在为推动射流清管技术的应用开展一个全方位的探讨。

1 射流清管器的运动模型

模型是技术应用的基础，准确地分析模型参数，从而提高模型精度有利于技术应用水平的提升。图3为射流清管器的运动受力示意图。

对图3的射流清管过程进行动量平衡分析，如式(1)。

式中，m为清管器质量，kg；V_pig为速度，m/s；

图3  射流清管器受力分析

A_pipe为管道的横截面积，m²；A_h为旁通孔的横截面积，m²；P₁、P₂为清管器前后的压力，Pa；F_hd为气体对旁通孔壁的剪切拖曳力，N；F_fric表示作用于清管器上的摩擦力，N；α为清管器运行方向与水平线的倾角。

考虑旁通孔内的准稳态过程，F_hd可由式(2)  计算。

式中，τ_h为壁面剪切力，N/m²；d、L分别为清管器的旁通孔直径和长度，m。

定义压降系数K，建立旁通孔的压降方程，如式(3)。

式中，ρ_bp为旁通孔内气体的密度，kg/m³；V_bp为气体相对于清管器的速度，m/s。V_bp可根据气体的连续性方程求得，如式(4)。

其中φ=A_h/A_pipe定义为射流清管器的旁通率。

将式(2)、式(3)、式(4)代入式(1)可得射流清管器的运动方程，如式(5)。

通过耦合清管器前后方气液的连续性方程、动量方程以及能量方程即可形成封闭的方程组，加上边界条件和求解方法可求解射流清管器的运动规律。流体动力方程的求解可采用特征线或有限差分法，而清管器的运动方程可采用四阶龙格库塔方法求解。

分析式(5)可知，射流清管器速度V_pig与压降系数K、旁通率φ以及清管器与管壁间的摩擦力F_fric相关。而这3个参数更是动态仿真软件OLGA和LedaFlow射流清管模拟前需要输入的重要参数，对模拟结果具有关键性的影响。因此下面对这3个关键参数进行详细探讨。

2 射流清管技术的关键参数探讨

2.1  压降系数

压降系数反映了射流孔结构对压降的贡献，是射流清管模型区别于传统清管模型的重要参数。如式(3)所示，射流清管器前后的压降可表征为压降系数与旁通孔内气体平均动压的乘积。压降系数的大小取决于旁通孔的结构以及气体雷诺数，主要是结构参数的函数。目前射流清管器旁通孔的类型主要有3种：直通结构、前端带折流板结构以及内部带阀门结构。

2.1.1  直通结构