通球过程皮碗球运动机理研究综述

王学成，张雷雷，龚治海，张方晓，王国振，陈俊丞，赵磊*

通球过程皮碗球运动机理研究综述

王学成1，张雷雷1，龚治海1，张方晓1，王国振1，陈俊丞2，赵磊2*

（1. 东莞市盛源石油化工有限公司，广东 东莞 523000； 2. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）

通球过程利用氮气推动皮碗球，将管道内的汽油或柴油输送至储罐，是连接码头与厂区完成油品运输的有效手段。皮碗球是通球过程中的重要设备，在管道清理操作中也可作为清管器使用。 皮碗球的速度决定着通球过程的效率和安全性，受到后方气体的推力，管壁的摩擦阻力和前方液体的阻力等因素的共同影响，皮碗球在管道中的运动是一个复杂的运动过程。本文对近10年通球过程皮碗球运动机理研究进行综述，理论研究部分给出了气体速度，皮碗球速度和阻力的计算公式，实验研究部分介绍了旁通率对通球效率的影响，模拟研究部分介绍了通球过程中管道内的流场情况。研究结果为相关企业设计效率高，经济性好的通球清管过程提供参考。同时发现，利用数值模拟方法解决工业生产中的复杂问题具有广阔前景。

通球过程；皮碗球；油气输送；旁路清管；清管器

运输汽油与柴油的船舶需要在码头或港口完成卸油操作，卸下的油品通过输油管道输送至厂区储罐中进行储存。在油品被注入管道之后，向管道中放置皮碗球设备，皮碗球放置完成后，利用输气软管向管道内输入氮气，在氮气的推动下，皮碗球向前移动，进而推动油品沿管道向储罐方向移动，这一过程通常被称作通球过程。除此之外，皮碗球设备也可作为清管器使用，当管道内存在残存液体时，可以利用皮碗球将其推出管道；在管道除垢时，也可利用皮碗球推动清洗液，将垢层溶解在清洗液中一起推出管道。皮碗球在油品输送与管道清管过程中均具有重要作用。受到后方气体的推力，管壁的摩擦阻力和前方液体的阻力等因素的共同影响，皮碗球在管道中的运动是一个复杂的运动过程。在通球过程中，通入气体的速度和皮碗球的速度决定着通球过程的效率和安全性，速度过低，油品的输送时间变长；速度过高，管道内的压力以及流体的冲击力会对管道与储罐造成破坏。皮碗球与管壁之间的摩擦阻力又会使皮碗球发生磨损。为了解决这些可能出现的问题，有必要对通球过程和清管过程中，推动气体速度与皮碗球速度之间的关系，皮碗球受到的阻力以及影响通球和清管效率的因素进行分析，为相关企业设计效率高，经济性好的通球清管过程。通过调研近十年通球过程的文献发现，研究方法主要有三种，分别是理论研究，实验研究与模拟研究，成果多集中于近五年，且目前并没有关于这些研究的系统性综述。基于此，本文对上述三种研究方法的相关成果进行介绍，包括但不限于气体速度，皮碗球速度和阻力的计算公式，旁通率对通球效率的影响，通球过程中管道内的流场情况等。同时发现，利用数值模拟方法解决工业生产中的复杂问题具有广阔前景。

1 理论研究

M. Lesani等[1]推导和求解了皮碗球通过液体管道时的二维和三维动力学方程，采用动量方程和能量方程研究了流场对皮碗球运行轨迹的影响。M. Mirshamsi和M. Rafeeyan[2]利用动量方程和状态方程计算气体沿管道流动时的密度、速度和压力等参数，导出了皮碗球运动的微分方程。同时，他们[3]在二维燃气管道长清管器的动态分析中将清管器分成若干个小部分，依照牛顿第二定律对所有小部分分别列出方程，然后将所有方程相加，最终得到清管器总的运动动力学方程。在龙格库塔法的基础上，提出了求解运动微分方程的算法。

上述研究给出了皮碗球的总运动方程，为后续气体与皮碗球之间关系的研究打下了基础。在此之后，鄢华士和余恒东[4]对清管器的运行状态进行了分析：清管器在运行过程中，速度呈现加速、减速的交替变化。清管器运行的最大阻力出现在初始阶段，即清管器从初始速度为零加速至匀速这一过程，此时沿程摩阻最大，清管器所需的气体驱动力最大，对应的气体流量最大。因此，以清管器初始运行阶段作为研究对象，计算出驱动清管器所需的气体流量，即可作气源管道设计的依据。清管器所需的驱动力由（1）-（4）联立计算可得，驱动清管器所需的气体质量流量则由式（5）计算：

式中：F—清管器受到的气体驱动力，N；

F—清管器受到的液体阻力（包括管道摩阻及液位高差引起的阻力），N；

F—清管器与管壁的摩擦力，N；

—清管器的质量，kg；

—清管器的重量，N；

Δ—清管器加速时间，s；

—清管器匀速运行速度，m·s-1。

式中：λ—管道的摩阻系数；

ρ—液体化工品的密度，kg·m-3；

L—通球管线的长度（包括管线长度及管件当量摩阻长度），m；

—重力加速度，m·s-2；

H—收球端与发球端之间的液位差压，Pa。

式中：—清管器皮碗与管内壁的摩擦系数；

—管道内径，m；

—清管器皮碗数量；

1—清管器中心轴直径，m；

—清管器的过盈率；

—清管器材料的弹性模量；

—清管器材料的泊桑系数。

式中：P—清管器初始受到的气体最大驱动压力，Pa。

式中：Q —气体质量流量，kg·s-1；

ρ0—气体标准状态下的密度，kg·m-3;

P0—气体标准压力，取 98 000 Pa;

0—气体标准温度，K;

T—气体实际温度，K。

王锋等研究发现[5]皮碗清管器的磨损量与滑动距离、法向载荷、皮碗过盈量、材料的屈服极限等有关。通球管道内的输送介质不同，所使用的公式也存在差异。Chen等[6]通过对天然气管道通球实验所得数据的整理分析，提出了表征皮碗球速度与后方推进气体速度之间关系的公式。Zhang等[7]研究了皮碗球在丘陵天然气管道中运行过程的动力学模型。根据响应面法（RSM）的模拟结果，提出了一个预测水平输气管道皮碗球稳态速度的公式

在明确了皮碗球与推动气体之间的关系后，就可以针对管道的实际情况进行皮碗球的选型。白港生等[8]推导出了清管器通过凹陷变形直管段、三通、厚壁及阀门、弯头时需要满足的长度、骨架钢体直径、皮碗密封间距等基本设计参数，并给出具体的指导公式和经验值。何畏等[9]通过分析清管器运行过程中碟形皮碗相较于直板皮碗的优势，优选碟形皮碗作为清管器的皮碗类型；对碟形皮碗进行力学分析并采用有限元软件 Abaqus 分析得出，过盈量和皮碗唇部厚度与接触长度呈正相关，皮碗唇部长度与接触长度呈负相关；接触应力随着过盈量和唇部厚度增加而逐渐增大，随着唇部长度增加而逐渐减小。

2 实验研究

Chen等[10]采用水平，竖直和倾斜管道相结合的实验模型，以皮碗球的旁通率为自变量进行多组实验，对通球过程中管内压力波动、皮碗球速度以及管道末端排出液体流量进行监测。实验结果表明，当管内液体体积由2L提高到8L时，旁路管道压力峰值增加14.4%，无旁路管道压力峰值增加34%，使用带旁路的皮碗球装置可以显著降低通球过程中管内的压力波动，同时对管内液体加载量的变化具有更好的适应性。皮碗球两端的压差与旁路分数无关，与皮碗球运动过程中的沿程阻力有关。皮碗球在管道中的平均速度随旁路分数的的增大线性减小。在此之后，Chen等[11]在只包含水平管道的实验装置上继续使用不同旁通率的皮碗球进行实验，旁通率从0%提高到2%，液体流出速率降低了75%。

此外，相关企业结合已有线路对海上油气田通球过程进行了有效的实验研究[12-15]。

3 模拟研究

左施施等[16]利用fluent对清管器模型内部流场进行仿真，获得不同形状的旁通阀在清管器工作时的压力云图和湍流动能图。田宏军等[17]利用fluent进行数值模拟。结果表明: 在旁通状态下，高速流体通过旁路，对管道内壁产生强剪切作用，流过清管器后，在下游形成涡流区。压力场分为上游高压区、清管器中压区、头部低压区和下游稳定区; 旁路上和轴线上最大流体速度随间隙量的增加而减小，流场压降及所受的驱动力随间隙量的增加而急剧减小。Asghar Talbizadeh 和Mohammad Mehdi Keshtkar[18]对通球过程中皮碗球周围的全湍流流动进行建模，对影响皮碗球两端压降的参数进行了研究，确定了这些基本参数在通球过程中的最优状态。

Li等[19]提出了一种基于移动网格法的皮碗球模型，将皮碗球与流体的接触面视为离散网格节点，采用精细的运动网格对皮碗球周围的流场进行了研究，模拟着重考虑了气体的可压缩性和通球过程中皮碗球受到的摩擦力。他们[20]为了快速准确地描述皮碗球在通球过程中的运动状态，首先建立了一个适用于瞬态与稳态条件下的分析模型，然后建立了一个包含管道进口气体质量流量、皮碗球摩擦力和旁路参数等变量的模型，用以计算通球过程所需时间。在考虑气体可压缩性和摩擦剖面变化的基础上，在模拟程序中添加摩擦段，研究了皮碗球在通球过程中可能出现的卡死和滑移现象。在设计的摩擦段内正摩擦偏差是造成突然减速然后突然停止的主要原因，而当皮碗球进入低摩擦区域时，气体可压缩性则成为皮碗球速度波动或卡死的主要原因。皮碗球与管壁之间的配合关系、皮碗球表面的的摩擦系数、管材特性(内径、内壁粗糙度)和皮碗球速度对摩擦力均有影响。

Liu等[21]采用多相流瞬态模拟软件对中国普光气田P102集气站通球清管过程进行了研究。左施施等人[22]以可控速清管器为例，建立了清管器的流体区域泄流流场模型，通过仿真得到了旁通阀不同开度下清管器的流场压力分布，得到了旁通阀相对开度与压差的关系曲线（图1）。随着旁通阀开度增大，清管器前后压差先急剧下降再趋于平缓，对附近流场的湍动能影响逐渐变小，清管器在管道中的运行速度逐渐趋于平稳。为得到一个合理的开度区间来平稳地调节清管器运行速度，拟合了开度与压差的方程式（6），根据拟合函数可对阀门不同开度时的压差进行估算。

式中，α定义为旁通阀开度，由式（7）计算可得：

式中:S—旁通阀任意状态下的泄流面积;

1—旁通阀最大泄流面积。

Liu等[23]采用OLGA和CFD模拟相结合的方法，分析了不同进口质量流量和旁通率对提升管底部压力、皮碗球速度和液相分布形态等特征参数的影响。模拟结果表明:立管底部最大压力随着皮碗球旁通率的增加先减小后基本保持不变，最小压力和通球时间增大，压力变化范围和通球速度减小; 当旁通率从0%增加到2%时，压力和皮碗球速度波动下降最显著，而进口质量流量对立管底部压力的影响不大。过高的旁通率或不足的进口质量流量会降低通球操作的效率，并可能不足以提供皮碗球运动所需的压差。

在长距离气液管道通球过程中，皮碗球和管道内壁之间的摩擦会导致皮碗球皮碗的直径小于管道的内径，从而产生间隙，间隙的存在对液体的流动有重要影响。为了探究流体在管道中的流动特性，Chen等人[24]基于CFD方法进行了一系列数值模拟。结果表明：间隙越大，管道内残留液体越多，输送流体效率越低，此时需要适当增大后方推动气体速度，进而增大皮碗球速度。

图1 旁通阀相对开度与压差的关系[21]

4 结束语

1）利用理论研究得到的公式，可以计算在管道输送不同介质时，皮碗球的速度，后方推动气体的流量，皮碗球在运动过程中受到的阻力等。通过分析可知，皮碗球速度的主要影响因素是管道中的气体速度，其次是旁通面积和皮碗球受到的摩擦阻力，而提高皮碗球清管器的旁通率，是提升通球效率的有效手段。

2）通过搭建实验模型，利用压力监测设备和速度监测设备，可以较好的得到通球过程中管道内的压力变化情况和皮碗球的速度，同时使用透明管道可以清晰看到管内输送介质的流动情况。实验结果表明，使用带旁路的皮碗球装置可以显著降低通球过程中管内的压力波动，同时对管内液体加载量的变化具有更好的适应性；皮碗球两端的压差与旁路分数无关，与皮碗球运动过程中的沿程阻力有关；皮碗球在管道中的平均速度随旁路分数的的增大线性减小。

3）使用数值模拟软件对通球过程进行仿真模拟可以得到通球过程中管内速度场和压力场的分布情况，利用流固耦合功能可以分析皮碗球的变形与应力，使用瞬态模型还可以分析某一时刻的相关结果，仿真模拟所得结果与理论和实验的结果吻合程度好，这些优势使得模拟方法成为研究通球过程的最佳手段，相关成果在近五年的文献中得到大量介绍。

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Research on the Movement Mechanism of the Bowl Ball During the Passing Process

1,1,1,1,1,2,2*

（1. Dongguan Shengyuan Petrochemical Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523000, China;2. Liaoning Petrochemical University, Fushun Liaoning 113001, China）

The ball passing process uses nitrogen to push the cup ball to deliver the gasoline or diesel in the pipeline to the storage tank.It is an effective means to connect the wharf and the factory to complete the transportation of oil products.The ball is an important equipment in the process of passing the ball, and it can also be used as a pig in the pipeline cleaning operation.The speed of the bowl ball determines the efficiency and safety of the passing process.Affected by the thrust of the gas behind, the frictional resistance of the pipe wall and the resistance of the liquid in the front, the movement of the ball in the pipe is a complex movement process. In this paper, the research on the movement mechanism of the ball during the passing process in the past 10 years was summarized. In the theoretical part, the calculation formulas of gas velocity, cup ball velocity and resistance were given; in the experimental part, the influence of bypass rate on ball passing efficiency was introduced; and in the simulation part, the flow field in the pipeline during ball passing was introduced. The research results can provide some reference for related enterprises to design high efficiency and good economy pigging process. At the same time, it is found that the numerical simulation method has broad prospects for solving complex problems in industrial production.

Ball pass process; Bowl ball; Oil and gas transportation; Bypass pigging; Pig

2022-06-27

王学成（1966-），男，新疆人，研究方向：成品油库运营管理。

赵磊（1982-），男，讲师，博士，储运动态系统控制与仿真。

TE83

A

1004-0935（2023）01-0117-04