第一节 地面流程压降分析及安全控制研究
一、过管道压降分析与计算
放喷测试过程中，流体在地面流程中的流动可分为“管流”、“节流”（过油嘴）两大种类型。主要存在井口至节流油嘴压降、节流油嘴压降、节流油嘴至三相分离器压降和放喷管线压降与摩阻（拖曳力）。
流体在地面管汇中流动，由于沿程摩擦而造成的压降?p与下列因素有关：管路直径d、管中平均流速v、流体密度?、流体动力粘度?、管路长度l、管壁的粗糙度?。即：?p?f(d,v,?,?,l,?)。选择d,v,?作为基本单位（用量纲分析），它们符合基本单位制的两点要求，于是：
???p?p?? 4dx4vy4?z4dxvy?z?5??p?p?? 6x5y5z5x6y6z6dv?dv?各物理量的量纲如表2－1所示。
表2－1 各物理量的量纲
物理量 量纲 d L v LT?1 ? MT?3 ?p ML?1T?2 ? ML?1T?1 l L ? L 首先分析?p的量纲，因为其分子分母的量纲应该相同，所以：
ML?1T?2=(L)x(LT?1)y(ML?3)z?MzLx?y?3zT?y
由此解得：z?1， y?2， x?0。所以：??其次分析?的量纲，同理有：
?p v2?ML?1T?1=(L)x4(LT?1)y4(ML?3)z4?Mz4Lx4?y4?3z4T?y4
由此解得：z4?1， y4?1， x4?1。所以：?4??p dv?再分析l的量纲：L?(L)x5(LT?1)y5(ML?3)z5?Mz5Lx5?y5?3z5T?y5 由此解得：z5?0， y5?0， x5?1。所以：?5?l d再分析?的量纲：L?(L)x6(LT?1)y6(ML?3)z6?Mz6Lx6?y6?3z6T?y6 由此解得：z6?0， y6?0， x6?1。所以：?6?将所有的?值代入公式
n3nkn1n2N?f(,,,...,)
n1xn2yn3zn1x1n2y1n3z1n1x2n2y2n3z2n1x3n2y3n3z3n1xkn2ykn3zk? d即代入：?=f(?4,?5,?6)，可得：???p?l?f(,,) =2dv?ddv??p因为水平等直径管中流体的压力损失：hf?vdvd???p。式中：?—不可压缩流体
v21l??的重度。令Re?，则有：???g，hf??f(,,),因为沿程???gRedd损失与管长l成正比，与管径d成反比，故
l可从函数符号中提出。另外，Re倒d数的函数与雷诺数Re的函数是一个意思，为写成动能形式，在分母上乘以2不
??lv2lv2会影响到公式的结构，故：hf?f(Re,)。式中：??f(Re,) ??ddd2gd2g因为管中流动的压力损失（水平等直径管中）hf??p?。而管中的流体重度
是一定的，所以压降也就取决于管长、管径、流体流速和?，其中?在层流和紊流中的决定因素也是不同的。
?沿程损失系数??f(Re,)的规律根据尼古拉兹实验曲线可分为五个阻力区
d域，如表2－2所示。
层流的速度是抛物线的规律，流体在起始段的内摩擦力大于完全扩展了的层
A，在类似于液压传动的短管中，Re64管中出现的层流也处于起始段之内，若用??计算则只会明显偏低，若用
Re流中的流体的内摩擦力，反映在?上则就是????A计算会更加准确。层流起始段的长度为L?0.02875dRe，如果l?L，则Re起始段的影响可以忽略不计；如果l?L，则计算沿程压力损失的公式为：
Alv2，式中A为实验值（见表2－3）。 hf?Red2g表2－2 五个区的范围与?计算公式
阻力区 层流区 临界区 范围 ?的理论或半经验公式 ?的半经验公式或层流区 Re?2320 2320?Re?4000 ??64 Re??75 Re12—— ??0.0025Re Re?105,??0.3164Re0.25光滑管紊流区 d84000?Re?22.2()7 ?1??2lg(Re?)?0.8 105?Re?3?106 ??0.0032?91?2.51d8d78??2lg(?)22.2()?Re?597()3.7dRe????0.221 Re0.237680.25) Re过渡区 ??0.11(??d 粗糙管紊流区 d9Re?597()8 ???1d[2lg(3.7)]2? ??0.11()0.25 ?d备注：半经验公式是建立在混合长度理论及速度分布公式基础上并配合实验数据而得到的，他们准确性较高，但结构较复杂。最末一栏的经验公式准确性较差，但公式简单便于计算。 表2－3 层流起始段的A值
l 0.0025 0.005 dReA 122 105 0.01 88 0.0125 82.4 0.015 79.16 0.02 74.38 0.025 71.5 0.028875 69.56 实际作业中，为便于地面流程压降分析，放喷测试前准确了解油嘴管汇压力，
为油嘴和测试孔板的选择提供依据，流程管线尽可能平直，除节流油嘴外流通管径尽可能保持一致，避免过多的变径和变向造成附加压力损失，影响压降分析。
二、节流气穴及其防止
在（含液）流体中,由于压力降低而出现气泡的现象称为气穴现象。气穴中
的气体可以是空气或液体的蒸汽。当液体中的压力降低到该液体的空气分离压时,气体便从液体中分离出来形成气泡。管道局部收缩或扩张处会产生气穴（如图2.2中的B处），它不仅会缩短管件的寿命而且还会引发气蚀现象。气蚀会使结构表面逐渐腐蚀，剥落成小坑，严重时会导致地面流程中弯头、管线、油嘴的刺漏，因此，有必要进行节流气穴及其防止方法研究。 图2-2 管道局部收缩节流 当油液在管中流动时，流动速度高的区域压力低，当压力低于工作温度下油液与空气分离的压力时，油液中原已溶解的空气将被分离出来，形成气泡。气泡随油液运动到高压区后在周围压力作用下被压缩，体积迅速缩小至溃灭，从而在局部区域使压力及温度都达到相当高的数值，对管件造成严重的危害。气穴状态可分为三个区域；无气穴区、气穴过渡区、强烈气穴区。
1、节流气穴分析
一般可用节流气穴系数来描述气穴发生程度及性质。节流气穴系数δ可用下式表达:??p2?pcp2?pc? ?U22p1?p22 (2.1)
在各压力值均用绝对压力表达后，(2.1)式可简化为(这时取pc?0):
??p21 ?p1?p2p1/p2?1 (2.2)
由(2.2)式可知，压差p1/p2决定了气穴系数的大小。p1/p2越大，则δ值越小，节流越容易发生气穴。而且，在保持p1?p2不变的前提下提高背压p2，可大大提高δ值，减小气穴发生的可能。有资料表明:防止气穴发生的极限气穴系数为
?max?0.4，即:
?max?1?0.4
p1/p2?1 (2.3)
由(2.3)式可得：p1/p2?3.5
对不同的节流油嘴，其极限背压p2max可依据(2.4)式而定，即:
p2max?2Cv2CeA0CA(1?e0)p1 （2.4） AA式中：Cv—节流油嘴流速系数，Ce—节流油嘴收缩系数，A0—节流油嘴过流面积，A—节流油嘴下游断面积。
由式(2.4)可看出，节流油嘴前后压差对节流气穴的的影响是与节流面积有关的。在流量一定的情况下，面积比越小，节流油嘴前后压差就越大，所以就越容易发生气穴。
流场内是否存在气穴现象，通常取决于定义如下的球状气穴个数:
??Pa/(Pn?Pa)
(2.5)
式中:?—球型气穴数，Pa—环境压力，Pn—油嘴入口压力。
此方程式表明:改变Pa或Pn(即射流速度)都和可改变?值.这些变量有一个特定值时，流场恰好出现气穴(作为极小气泡).将此称为初始气穴，在此条件下?值叫做初始气穴数?1。当Pa或Pn为其它任何值时，如果用方程式(5)计算的?值大于?1值，则流场内将没有气穴。如果小于?1，则有气穴，其强度取决于(?1??)的差值，故通常可改变Pn值控制气穴强度。
2、气穴的防止方法 （1）调定背压
为防止气穴现象的发生，除应合理设置节流油嘴与管道面积比外，更为重要的是要正确地调定背压的大小。不发生气穴的极限背压(绝对压力)为:
P2max?1?0.35(P1?1)A0 A （2.6）
式中：A0—油嘴的面积，A—管道的面积。
由(2.6)式可知，不发生气穴的背压为进口压力P1和面积比
A0的函数。所以，A当进口压力较高时，为使背压不致过大，可以进行二级或三级节流(或减压)，从而防止气穴及气蚀发生。