管道-立管系统中严重段塞流的频率特性与段塞速度研究及其在流动安全评估中的应用

为解决海上油气管道-立管系统中严重段塞流(SS)引发的流动不稳定、疲劳损伤及分离器控制难题，西安交通大学团队通过小尺度(LH =20 m)与千米级(LH =1657 m)系统实验，揭示了SS的复合流型演变规律，建立了基于弗劳德数(Froude)的频率预测模型(误差从58.31%降至28.42%)，并提出考虑立管平均空隙率的段塞峰值速度机制模型(85%预测值误差±20%)，为深海油气输送安全提供关键技术支撑。

　　

在深海油气开采中，混合流体通过管道-立管系统输送时，严重段塞流(Severe Slugging, SS)如同潜伏的"流动杀手"——它会导致压力剧烈波动、分离器失控甚至结构疲劳。随着油田进入开发后期，产量下降和地形起伏更易诱发SS，但现有研究多基于小尺度实验，千米级系统的流动机理仍是谜团。更棘手的是，传统水力段塞模型无法预测SS特性，而段塞速度可达入口混合流速的22.9倍，犹如"流体炮弹"威胁着深海装备安全。

西安交通大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，通过对比小尺度(L_H
=20 m, H_R
=2 m)与千米级(L_H
=1657 m, H_R
=29 m)S型立管系统的实验数据，结合可视化与差压信号分析，首次系统揭示了不同尺度下SS的流型分布规律与动力学特性。研究采用双环路实验系统（Loop 1小尺度/Loop 2千米级），通过高速摄像与差压传感器同步监测，建立SS频率数据库，并运用无量纲分析法构建预测模型。

流型特征分析
研究发现SS周期内立管局部流型呈现段塞流-气泡-液流的交替复合模式。千米级系统中，水平管道内气体周期性压缩/膨胀会触发段塞流，这种上下游流动相互作用在小尺度系统中表现更剧烈。通过归一化差压(DP_nor
=DP/ρgH_R
)分析，证实SS流型受结构参数显著影响。

SS频率特性
团队建立了包含管道长度L_H
、立管高度H_R
与弗劳德数(Fr_G
, Fr_L
)的定量关联模型。新模型将预测平均绝对误差从58.31%降至28.42%，揭示长管道中气体压缩空间增大是SS周期延长的关键因素，与Yu等(2024)结论吻合。

段塞速度机制
小尺度与千米级系统的段塞峰值速度分别达入口混合流速的7.5倍和22.9倍。提出的速度预测模型引入立管平均空隙率参数，85%预测值误差控制在±20%内，显著优于传统稳定段塞流模型。

该研究突破性地实现了SS特性从实验室尺度到工程尺度的规律外推，建立的预测模型可直接应用于深海立管疲劳寿命评估与流动安全保障。特别是提出的段塞速度机制模型，为分离器设计提供关键参数依据。未来研究可结合更多立管构型（如悬链线式）验证模型普适性，并探索SS与立管振动的耦合机制。论文成果对深海油气田的流动控制策略制定具有重要指导价值。