2.3  摩擦力

射流清管技术的关键是寻求驱动力与阻力间的平衡，即寻求旁通率与摩擦力的平衡。清管器摩擦力计算的不确定性是造成清管模拟与试验结果偏差的重要因素。GROOTE等指出清管模拟前的摩擦力计算误差是造成旁通优选不确定性的主要源项。VAN SPRONSEN等提到清管模型的可靠性很大程度上取决于摩擦力的计算。OLANIYAN等指出，只要摩擦力在清管模拟前是未知的，那么就很难确定最优旁通率以及段塞流捕集器的容积。由此可见摩擦力对于清管的准确模拟具有重要研究价值。

清管器与管壁摩擦力的研究已经形成了一个新的领域。ESMAEILZADEH等对于清管模型中摩擦力采用Shigley过盈配合关系进行计算。ZHU等对直板清管器采用有限元的非线性方法进行研究，得出影响直板清管器摩擦力的最重要因素为直板皮碗的厚度，其余依次是皮碗的倒角尺寸、夹持率、过盈量，且相对于线性分析模型，有限元模型计算出的摩擦力更大。HENDRIX等将基于非线性Rivlin材料模型的有限元分析方法用于直板皮碗摩擦力的研究，并与实验结果对比，效果较好，最大误差在18%以内，且根据O'DONOGHUE

提出的摩擦力简化数学模型对清管器进行受力分析，得到的简化模型计算结果与实验比较，具有较高的吻合性。

虽然以上关于清管器摩擦力的研究取得了一定的进展，但均未考虑液体润滑对清管器摩擦力的影响，其研究均属于干摩擦的范畴。而且清管器在管线内的摩擦力是随清管器速度而变化的，如图8斯特里贝克曲线所示。

图8  斯特里贝克曲线

斯特里贝克曲线代表了以润滑剂黏度η、速度v和法向荷载N为函数的有润滑运动的通用特性曲线。可反映清管器在运动过程中摩擦系数与清管器速度、液体性质等变量间关系。从图中可见只要清管器速度发生变化，则摩擦力也将发生变化。而当前的模型均未能耦合摩擦力随清管器速度变化而波动的过程。因此，未来将清管器摩擦力的润滑效果和沿程变化考虑进清管模型中，对于提高模型精度将是一个重要突破。

3  射流清管技术的工程应用分析

3.1  工程应用的步骤

目前射流清管技术的工程应用案例局限于文献的相关报道。工程应用可采用如下的步骤进行。

（1）可行性分析  进行射流清管动态模拟可行性分析主要用于评价射流清管器是否可以解决生产问题，包括清管段塞量的减小和清管器速度的降低等工程目的。通过动态仿真手段，如利用仿真软件OLGA和LedaFlow分析多种旁通率下的清管器运行规律。

（2）射流清管器旁通率优选  通过分析动态模拟结果，得到不同旁通率下的清管段塞量和清管器速度。确定清管段塞量处于终端段塞流捕集器的处理能力下，且清管器速度足以克服卡堵工况，从而选择最优旁通率。

（3）投入使用   将选取的射流清管器投入使用，采集终端出气量、清管时间、清管段塞量等参数。

（4）分析与优化  将生产所得参数与模拟参数进行对比，分析模拟与实际的差异，从而对模拟方法进行改进以及对射流清管器结构进行优化。

3.2  工程案例分析

下面通过分析几个经典的案例，讲述射流清管技术的实际应用。

（1）壳牌在马来西亚一天然气凝析液管线的应用2012年壳牌公司采用一个带折流板的射流清管器（如图9所示）对马来西亚一条通往LNG处理厂的直径为36″、长为121km的天然气凝析液管线进行清管，经过反复地动态模拟分析后，确定最优旁通率为12%，采用射流清管技术后，显著地减小甚至消除了生产延期，与动态模拟的清管段塞量偏差在3.5%之内。同年，在该条管线共进行了9次射流清管，均取得显著的效果。由此，射流清管技术已成为该管线的清管标准。

图9  使用的射流清管器

（2）壳牌在中国长北项目的应用长北项目北干线直径24英寸、长23.5km，干线终端的中央处理厂无段塞流捕集器，采用传统清管方法，清管段塞量高达1000m³，导致的生产延期

可达3天，需要临时暂停生产。通过射流清管技术的分析论证后，于2012年10月采用旁通率为5%带折流板的射流清管器进行清管作业，如图10所示。最终使清管段塞量减小60%至420m³，生产延期减至20h，显著地提高了生产效益。

图10  射流清管器使用前后的对比

（3）康菲在印尼一湿天然气管线的应用2012年康菲公司针对印尼的一条海底长10km、直径20.6英寸的湿天然气管线，采用旁通率为8%直通结构的射流清管器[如图4(a)所示]共进行了3次射流清管作业，取得了良好的效果。

3.3  风险分析与应对策略

射流清管的工程风险主要包括三方面：清管器的卡堵、终端设备的溢流、射流孔节流压降产生水合物造成冰堵事故。

（1）清管器的卡堵

清管器的卡堵风险普遍存在于天然气管线的清管作业中，造成卡堵事故的原因是多方面的，如管道的变形、弯头曲率半径过小、低洼处积聚大量积液等均易造成运行阻力的增加，迫使清管器停滞甚至卡堵。而射流清管器由于开设旁通孔，降低了驱动压差，从而面临更加严峻的卡堵风险。避免卡堵的应对策略首先应全面掌握实际工程管线的路由信息，如最小弯头曲率半径、沿线阀门的设置状况、管道的变形情况等，从而合理地确定清管器的长度、过盈量等参数。其次，通过准确地射流清管动态模拟，确定最优旁通率，保证驱动力充足，从而将卡堵风险降至最低。

（2）终端设备的溢流

终端溢流是传统清管器面临的主要清管风险之一，然而当射流清管器的旁通率选取过低，则容易造成清管器速度过快，积液在清管器前方积聚，从而超过接收设备的处理能力。因而旁通率的优选仍是应对溢流的有效手段。

（3）冰堵风险

高压低温条件易产生天然气水合物，特别是对于具有旁通结构的射流清管器而言，由于海底的高压低温条件以及射流孔的节流压降产生焦-汤温降效应，加剧了水合物的形成风险。因此在完成旁通率的优选后，需要进行水合物的模拟，首先确定特定油气组分的水合物压力温度生成曲线，再通过多相流动态模拟软件定量分析选优旁通率下的射流清管过程中水合物生成量，若模拟发现有水合物生成，需要确定合适的水合物抑制剂类型与加注量，加注量的确定可利用多相流软件计算，直至确保无冰堵事故发生。

由于旁通率的优选、水合物生成量以及抑制剂加注量的确定均需借助多相流仿真软件的计算，因此提高CFD计算软件的仿真精度是成功清管的前提。

此外，管道内检测技术可探测管道内部的变形与金属缺陷，对于保障管道的正常运行以及降低清管风险具有重要的意义。当前，内检测技术主要包含漏磁检测与超声检测，要求检测器的运行速度一般不超过3m/s，而气体管路的运行速度较快，最高速度可达25m/s，一般难以满足内检测对速度的要求。通过降低气体输量可实现降速的要求，但同时也减少了产量和效益。因此结合射流清管技术的原理，通过选取合适的旁通率可有效地降低内检测器速度至合适的范围，确保内检测数据的正确性。

总之，清管风险的降低需要结合上述的风险策略，统筹管道全线的安全保障措施，做好调度工作。监测清管器的位置与预计到达时间，从而保障清管的安全。

4  结论与展望

4.1  结论

本文从射流清管器运动模型入手，分析了射流清管技术应用的关键参数——压降系数、旁通率、摩擦力，并对工程应用进行相关介绍，从而对射流清管技术的应用进行了全方位的探讨与分析。

（1）压降系数反映了射流孔结构对压降的贡献，与旁通孔的结构以及气体雷诺数有关，主要是结构参数的函数。直通结构的总压降系数由突缩、突扩、摩阻三部分压降系数组成，其中，突扩结构的占比最大。折流板与突扩结构对压降贡献的差异是两种射流清管器运动规律差异的重要影响因素。内部阀门对压降的影响有待进一步的研究。

（2）旁通率的优选是射流清管技术的核心。由于气体可压缩性，旁通率对清管器速度的影响并非理想的线性关系，旁通率的增加会在一定程度上增强清管器运动的黏滑效应，使清管器对管内摩阻的变化异常敏感。

（3）清管器摩擦力计算的不确定性是造成清管模拟与试验结果偏差的重要因素。目前的研究均未考虑液体润滑对清管器摩擦力的影响。而且清管器在管线内的摩擦力随清管器速度的变化而变化，当前的模型均未能耦合摩擦力的沿程变化。

（4）对工程应用的步骤和案例进行分析，并提出相应的风险应对策略。

4.2  展望

（1）模型的进一步优化  研究液体润滑的存在对摩擦力的影响，并将摩擦力的沿程变化考虑进模型中。同时对内部带阀门结构的压降系数进行研究，将压降系数的研究范围覆盖多种射流清管器结构。从而进一步优化模型，提高工程应用的精度。

（2）旁通率变化对清管规律的影响  旁通率对清管器自身运动规律以及前方积液运移机理的影响还未系统地开展，未来有必要深入研究旁通率、射流清管器速度、前方积液的运移规律三者之间的耦合关系。   

（3）速度控制清管器的应用与推广清管器运行速度的稳定控制是未来清管发展的重要方向，是提高清管安全性和高效性的有力保障。可通过改变驱动力（旁通率）和改变阻力两种方法调节清管器的速度，从而克服沿程摩擦力变化对清管速度造成的波动。