仿生非光滑表面减阻技术在油气管道中的应用.pdf

2 0 1 4 正 第2 期 管道技术5 P i p e l i n eT e c h n i q u e a n d 2 0 1 4 N o ．2 仿生非光滑表面减阻技术在油气管道中的应用 周昊1 ，徐啸2 ，赵会军1 ，廖志敏3 ，熊珊4 ，文涛5 ，张悦2 1 ．常州大学，江苏省油气储运重点实验室，江苏常州2 1 3 0 0 0 ；2 ．常州大学石油工程学院，江苏常州2 1 3 0 0 0 ； 3 ．四川科宏石油天然气工程有限公司，四川成都6 1 0 2 1 3 ；4 ．中石油葭南油气田分公司输气管理处，四川成都6 1 0 2 1 3 ； 5 ．川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院，四川成都6 1 0 0 0 0 摘要针对当前受到广泛关注的仿生非光滑表面减阻技术及其优异的减阻效果，分析了鲨鱼表皮 沟槽式仿生非光滑表面的减阻机理，并在此基础上对仿生非光滑表面的剁备工艺进行了归纳和对比， 最后综述了该技术在油气管道中的应用现状及亟待解决的问题和应用前景。研究表明生物加工方法 是未来仿生非光滑减阻表面制备的发展方向，且仿生非光滑表面减阻技术在油气管道输送领域将有广 泛的应用前景。 关键词仿生；非光滑表面；减阻；油气管道 中图分类号T E 8文献标识码B文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 4 0 2 - 0 0 0 8 0 3 A p p l i c a t i o no fB i o m i m e t i c sN o - S m o o t hS u r f a c eD r a g R e d u c t i o nT e c h n i q u et oO i la n dG a sP i p e l i n e Z H O UH a 0 1 ，X UX i a 0 2 ，Z H A OH u i - j u n l ，L I A OZ h i m i n 3 ，X I O N GS h a h 4 ，W E NT a 0 5 ，Z H A N GY u e 2 1 ．C h a n g z h o uU n i v e r s i t y ，J i a n g s uK e yL a b o r a t o r yo fO i l G a sS t o r a g ea n dT r a n s p o r t a t i o nT e c h n o l o g y ， C h a n g z h o u2 1 3 0 0 0 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fP e t r o l e u mE n g i n e e r i n g ，C l m n g z h o uU n i v e r s i t y ，C h a n g z h o u2 1 3 0 0 0 ，C h i n a ； 3 ．S i c h u a nK e h o n gO i l G a sE n o n e e r i ⅡgC o ．，L t d ．，C h e n g d u6 1 0 2 1 3 ，C h i n a ；4 ．P e t r o C h i n aS o u t h w e s tO i l G a s F i e l dC o m p a n yG a sT r a n s m i s s i o nM a n a g e m e n tD i v i s i o n ，C h e n g d u6 1 0 2 1 3 ，C h i n a ；5 ．G e o l o g i c a lE x p l o r a t i o n D e v e l o p m e n t R e s e a r c hI n s t i t u t eo fS i c h u a n C h a n g q i n gD r 锄n gE n g m e e r m gC o m p a n y ，C h e n g d u6 1 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tb i o m i m e t i c sn o - s m o o t hs u r f a c ed r a gr e d u c t i o nt e c h n i q u ea n di t se x c e l l e n td r a gr e d u c t i o ne f f i c i e n c y ，b o t h o fw h i c ha r o u s et h ep u b l i cc o n c e r n ，t h ed r a gr e d u c t i o nm e c h a n i s mo fab i o m i m e t i c sn o s m o o t hs u r f a c es i m i l a rt os h a r ks k i nr i b l e t i sa n a l y z e d ．O nt h i sb a s i s ，t h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u eo fn o s m o o t hS u r f a c ei ss u m m a r i z e da n dc o m p a r e d ．I nt h ee n d ，t h ea p p l i e d s i t u a t i o na n dp r o s p e c to ft h i st e c h n o l o g yi no i la n dg a sp i p e l i n ea r es u m m a r i z e da sw e l la sp r o b l e m su r g e n t l yt ob es o l v e d ．T h er e - s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h eb i o l o g i c a lm a n u f a c t u r i n gm e t h o di st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fb i o m i m e t i cn o - - s m o o t hS u r f a c ep r e p a r a - t i o nt e c h n i q u ea n dt h eb i o m i m e t i cn o - s m o o t hs u r f a c ed r a gr e d u c t i o nt e c h n i q u ew i l lh a v ew i d e - r a n g i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h e f i e l do fo i la n dg a sp i p e l i n e ． K e yw o r d s b i o m i m e t i c ；n o - s m o o t hs u r f a c e ；d r a gr e d u c t i o n ；o i la n dg a sp i p e l i n e 0 引言 管道运输是油气运输的主要方式，管道运输中 8 0 ％一1 0 0 ％的能量损耗都在表面摩擦阻力上，因此减 少摩擦阻力损失，一直是油气储运工作者所关心的问 题[ 1 ] 。传统的减阻方法大多采用表面更光滑的管道 或采用内涂层减少管道内表面的绝对粗糙度，但由于 技术水平的限制，提高管道内表面的光滑度是有限度 的。因此，采用此种方法来降低摩阻系数的潜力已经 基金项目江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目 2 0 1 2 J S S P I T P l 7 8 7 收稿日期2 0 1 3 0 3 1 6收修改稿E l 期2 0 1 3 1 0 2 5 较小。 与此同时，生活在深海里，皮肤像砂纸一样粗糙 的鲨鱼能够以人们想象不到的速度快速游动。这一 现象表明以减小表面粗糙度来减少表面阻力的方法 是存在问题的。德国科学家对鲨鱼的皮肤进行细致 研究发现，鲨鱼的皮肤表面布满了肋条状的冠状结构 真皮组织，每一块冠状组织上具有3 ～5 条径向沟槽 r i b l e t 心J ，紊流流经这种非光滑表面时，会比流经光 滑表面时产生的剪切阻力要小【3J 。基于这种现象，产 生了一种模仿鱼类和有翼昆虫等生物非光滑表面的 减阻技术。 万方数据 第2 期周昊等仿生非光滑表面减阻技术在油气管道中的应用 9 1 仿生非光滑减阻表面的减阻机理 到目前为止，仿生非光滑减阻表面减阻机理还没 有统一的认识，相关的流体力学研究对沟槽表面的减 阻机理已经提出了多角度的解释。 1 减小剪切压力。C H O I 等在沟槽结构减阻实 验中发现，当流体沿沟槽延伸方向流动时，大多数径 向涡旋只与沟槽尖顶发生小面积接触，因而显著减小 了对沟槽内壁的剪切压力H 1 以及与流体的有效摩擦 面积和摩擦强度，从而有效减小了流体的剪切压力。 2 阻滞横向涡旋。径向涡旋在下冲运动时会与 沟槽尖顶发生接触，使得涡旋的横向扩张受到沟槽结 构的阻滞，进而使其径向的扩张同样受到限制，从而 减少了湍流边界层中流体的动量损失，降低了表面摩 擦阻力。 3 诱发次级涡旋。B A C H E R 与S M I T H 研究发 现，沟槽尖顶与流体的相互作用可形成与径向涡旋旋 转方向相反的次级涡旋，阻碍与流体流动方向垂直的 横向波纹的形成，从而降低流体横向的动量交换，减 少能量损失∞J 。 4 防止流体分离。快速鲨鱼的胸鳍上侧面在水 中游动时会承受较大的逆压，此处盾鳞的中央肋条多 呈“V ”形，尖端指向流体方向，这种“V ”形肋条结构能 够产生较强的湍流以维持流体的附着，防止流体分 离，从而减少压差阻力。 5 盾鳞的覆瓦排列。盾鳞多呈覆瓦状排列，构 成一个整体，盾鳞下的半封闭空间对减阻有利从半 封闭空间喷射出来的流体能够减轻边界层中流体压 力的失真程度；半封闭空间能容纳横向流动的流体， 因而能平衡因为流体射出而形成的压力差异。 2 仿生非光滑减阻表面的制备技术 仿生非光滑减阻技术应用于油气输送管道，关键 在于适于油气介质的仿生沟槽表面的大规模制备和 涂覆工艺的突破。目前，国内外相关学者对仿生沟槽 面的制备也进行了大量的研究工作，取得了相应的成 果。 2 ．1 仿形加工方法 天然鲨鱼皮的表面形貌比较复杂，最初的仿生沟 槽面都是在抽象简化的基础上通过机械加工等各种 仿形加工方式制造出来的。兰利公司采用机械加工 的方法将纵向沟槽加工在铝平面上，此后，兰利公司 利用在胶带作为衬背的薄膜印上沟槽取代直接在金 属上加工，这样既可以减轻质量，也使得加工方便[ 2 ] 。 国内学者寇开昌、于秀荣等采用聚氨酯和一种特殊设 计的模具，以挤出辊型方法来成型沟纹峰顶间距为 0 ．2m m 的沟槽减阻膜M J ，但沟槽峰顶间距尺寸较小 的沟槽膜不适于用此法成型。随着技术的进步与研 究深入，又逐渐出现了借助精细机械加工 如微雕 刻 、高能束加工 如激光烧结、等离子体刻蚀 、半导 体加工 如L I G A 技术 等方法来仿制成型仿生沟槽表 皮形态模板的工艺。这些方法仍然主要集中在对表 皮微观形貌的仿形制造上，不仅成型效率低、成本高， 而且所仿制出的仿生表皮逼真程度差，减阻效率限制 在7 ％以下，直接限制了仿生减阻表皮的工程化应用。 2 ．2 生物J j n - r 方法 生物加工作为一种全新的加工方法，采用直接复 制手段模拟生物表皮形貌，可以最大程度地保持生物 原型的结构信息，在结构、效率和功能效果上较仿形 加工技术更直接、高效，且成本低，可操作性高。国内 学者韩鑫、张德远等以鲨鱼皮为生物复制模板，采用 微压印和微塑铸法及脉冲电铸方法，对其外端形貌进 行了大面积微复制一J 。此类方法制得的复制模板，不 仅可以用于复型翻模制作仿生减阻蒙皮，而且可以直 接用以各种管道的内壁表面压印复制仿生减阻表面， 该仿生减阻表面具有与原始生物表皮形貌9 0 ％以上 的逼真度，能够有效降低管壁阻力。分析表明生物 复制成形工艺在大面积直接复制鲨鱼皮制备仿生减 阻表面方面不仅较好地保持了生物原型的生物特点 和结构要素，而且在功能效果上突破了现有7 ％的减 阻率限制，具有较好的工艺性和实用性，将成为仿生 减阻表面制造技术未来的发展方向。 3 仿生非光滑表面减阻技术在油气管道上的应用及 展望 3 ．1 仿生非光滑表面减阻技术在油气管道上的应用 现状 由于仿生沟槽表面加工相对困难、减阻效益与改 进设备投资对比不明确，现阶段管道非光滑减阻技术 在油气储运行业的应用研究还停留在实验室阶段。 K O E L T Z S C H 等在管道内壁长2 0 0m m 的表面上覆盖 上一层同流体来流方向的夹角为4 5 0 的分叉型沟槽 结构，如图1 所示。实验中发现管道的流体输量明显 增加，同时流速的波动性减少，该沟槽结构起到了较 有效的减阻作用旧J 。 B E C H E R TDW 等修建了一条矩形管道，采用运 动黏度∥ 1 ．2 1 0 ‘5m 2 ／s 的石蜡基油作为实验流 万方数据 1 0 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t M a L2 0 1 4 i 2 0 。 发散 收敛沟槽夹角 【4 0 。≤西≤1 7 图1 输油管道内壁分叉型沟槽表面示意图 体，利用可调节高度的沟槽在该输油管道中进行沟槽 结构减阻实验。实验表明最佳沟槽的尺寸为高度和 间距比为0 ．5 ，贴有这种高度的沟槽表面，摩擦阻力同 光滑表面相比可减小9 ．9 ％旧o 。此后，B E C H E R TDW 等制作了人造鲨鱼皮 图2 来检验这种有限长度的互 锁式的三维沟槽是否具有更好的减阻效果。经测试， 最大减阻率为7 ．3 ％[ 9J 。 图2 部分人造鲨鱼皮 目前，仿生减阻技术在输气管道上的应用主要还 是在管道内注入具有表面活性剂结构特点的聚合物 减阻剂，其极性端牢固地粘附在管道上或易溶于水， 即在管道表面产生了类似鲨鱼粘液的粘滞性表层，起 到了减阻作用，从而实现了低阻生物表面界面属性的 仿生，而非光滑表面此类几何属性的仿生减阻技术在 输气管道上的应用还是未来研究的方向。 3 ．2 仿生非光滑表面减阻技术应用于油气管道展望 上述学者的研究只是从工艺可行性和原理性角 度，对采用仿形加工工艺和生物复制成形工艺在仿生 减阻表面微成形领域的应用进行了初步论证。对于 适用于油气输送环境的仿生蒙皮材质选型，蒙皮在管 道内壁上的曲面拼接、黏结、蒙皮亲水亲油改性以及 实体样件减阻测试等方面还需做进一步研究。尤其 是应用于油气输送管道时，该仿生表面需满足油气输 送管道减阻内涂层的基本技术要求，同时要具有较方 便的施工涂覆工艺和配套设备。此外，仿生沟槽表面 减阻技术应用于油气管道输送还应该在以下几个方 面做深入研究 1 对仿生非光滑减阻表面建立系统的分析与测 试装置，在油气特定介质下进行具体的模拟实验，分 析减阻表面的特征参数 沟槽间距s 、高度h 以及沟槽 长度z 及其他参数对减阻效果的影响。 2 利用计算流体力学软件进行仿生非光滑减阻 面的流场数值模拟并结合实验验证，以确定最佳的仿生 非光滑减阻形状和尺寸，并结合仿生设计手段设计新型 高效的便于批量化制造和应用的非光滑减阻表面。 3 在实际应用中，尝试将非光滑表面减阻技术 与高分子聚合物、自润滑涂层等其他减阻技术结合， 进行组合减阻，以提高减阻率。可将具有减阻功能的 高分子涂料和自润滑涂层释放到仿生沟槽内，当此类 高分子扩散到沟槽顶端进人靠近表面的边界层时，这 些高分子将会有效减少因紊流所产生的摩擦阻力。 4 结束语 仿生非光滑减阻技术研究是一门交叉学科，其研 究方法和测试系统已逐渐成熟，减阻仿生材料也逐渐 应用于城市环保、医疗设备、水上运输、轻工业等多种 领域，但还远远不能满足对于节能材料的广泛需求。 油气管道是输送油气能源的主要方式，迫切需要开发 管道节能减阻的创新技术，因此仿生非光滑减阻技术 将在油气管道输送领域具有广阔的应用前景。 参考文献 [ 1 ] 李恩田，赵书华，王树立，等．V 型沟槽减阻的实验研究． 管道技术与设备，2 0 0 9 6 7 ．1 0 ． [ 2 ] N I T S C H K EP ．E x p e r i m e n t e l l eU n t e r s u e h u n gd e rT u r b u l e n t e n S t r o m u n gi ng l a t t e nu n dl a n g s g e r i l l t e nR o h r e n ．M a x P l a n c k I n s t i t u tf u rS t r o m u n g s f o m c h u n g ，G o t t i n g e n ，R e p o r t ，1 9 8 3 ，3 ． T r a n s l E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h et u r b u l e n tf l o w i n s m o o t ha n dl o n g i t u d i n a l l yg r o o v e dt u b e s ／N A S A ，1 9 8 4 ，T M 7 7 4 8 0 ． [ 3 ] B E C H E R TDW ，B R U S EM ，H A G EW ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t so n d r a g - r e d u c t i n gs u r f a c e sa n dt h e i ro p t i m i z a t i o nw i t ha n da d - j u s t a b l eg e o m e t r y ．J ．F l u i dM e c h ．，1 9 9 7 ，3 3 8 5 9 8 7 ． [ 4 ] C H O IH ，M O I NP ，K I MJ ．D i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa t u r b u l e n tf l o wo v e rr i b l e t s ．JF l u i dM e c h ，1 9 9 3 ，2 5 5 5 0 3 ． [ 5 ] B A C H E REV ，S M I T HCR ．T u r b u l e n tb o u n d a r yl a y e rm o d i - f i e a t i o nb ys u r f a c er i b l e t s ．A I A AJ ，1 9 8 6 ，2 4 8 1 3 8 2 1 3 8 5 ． [ 6 ]寇开昌，于秀荣，林德宽，等．挤出辊型法成型减阻用聚氨 酯沟纹膜层的研究．塑料工业，2 0 0 7 ，2 8 4 4 4 4 5 ． [ 7 ]张德远，韩鑫，连志阳，等．采用脉冲电铸方法制作有鳞生 物表皮形貌复制模板的复制方法中国，2 0 0 9 1 0 0 7 6 5 0 9 ． 3 ．2 0 0 9 0 7 2 2 ． 下转第3 2 页 万方数据 3 2 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t M a r ．2 0 1 4 床敷设段在洪水后出现1 3 0m 长的露管，见图1 。露 管段河流系洛河二级支流，长5 1 ．5k m ，流域面积 4 8 9 ．6k m 2 ，河床比降1 3 ．6 ％0 ，常流量仅0 ．6 1m 3 ／s ． 山体，，一一’、 、一级阶地 ～一 图1 露管段位置及周围地形简图 2 ．2 整治方案简介 露管段河床地势平缓；露管点离两端弯头间距约 1 0 0m ；管顶露出河床高度约0 ．9m ．通过对表1 中各 整治方法的比较，并按现役管道的不停输移动推荐 作法中推荐算法计算确认，在长约3 3 0m 的直管段 上，不停输弹敷沉管的方式满足露管段整治要求的。 设计沉降曲线见图2 。 图2 露管段沉降曲线示意图 因沉管后管道置于砂卵石层，设计采用卵石灌浆 稳管 粒径1 0m m ，并在河床表面灌浆硬化河床，详 见图3 。 2 0 0 3 0 0 2 0 0 图3 沉管段稳管方案示意图 2 ．3 沉管施工注意事项 该露管段已于2 0 1 3 年9 月按上述方案成功弹敷 沉管，管道埋深大于1 ．2m ，各焊口经检验均无质量问 题，符合原设计文件要求。沉管施工方案及详细施工 技术要求在推荐作法及参考文献[ 1 ] 中已有详述， 根据对施工过程中易引起管道应力增大的过程分析， 施工中需注重以下事项 1 管位复测。开挖出设计沉降段及两端3 0m 管道后，复测管道实际标高与原施工记录中纵断面曲 线 沉管曲线设计的依据 比对。若两端纵向偏差较 大 大于2 0 0m m ，则需重新设计沉管曲线。 2 管沟标高 或永久支墩标高 须严格按设计标 高处理，避免局部应力集中。沉降段两端各2 0m 内 应力较大区域 沿管沟每隔5m 设置沉降监测点，误 差在2 0m m 内；其余段每隔1 0m 设置监测点，误差 在 5 0m m 内。 3 沉管前应先对每个沉降段焊口进行无损检 测；沉降后，须对所有焊口再次进行检测，以确认焊道 焊口质量有无变化。 4 在沉降管段上，根据沉降曲线与支墩标高差， 各支墩按等比列同时降低标高至设计深度。单次降 低高度不超过2 0 0m m ；每2 次沉降后复测标高，视情 况局部调整。 3山区季节性河流段管道设计与施工建议 通过对山区季节性河流冲刷特性及水毁段整治 方案的分析，针对该类小型河流，设计和施工均应采 取措施避免冲刷影响管道安全。设计应注意 1 优 化线路路由，穿越位置选择在平坦宽阔的河道； 2 建 议此类小型河流依然按5 0 年一遇洪水位进行冲刷分 析，并尽量深埋； 3 对于顺河床段和地势不高的阶 地，管道尽量远离河床，并需考虑可靠的稳管措施。 施工时严格按设计要求，保证埋深和稳管质量；若现 场地质条件与勘查结论不符，则须各方协调变更设计 方案。 参考文献 [ 1 ]陈文国，余志峰．带弯头弯管段不停输沉降的设计与施 工．油气储运，2 0 0 9 ，2 8 3 6 6 7 0 ． 作者简介梁光川 1 9 7 2 一 ，副教授，主要从事油气储运方面的 教学、研究和设计工作。E ．m a i l l g c d i 旭1 6 3 ．C O r n 上接第1 0 页 [ 8 ] K O E L T Z S C HK ，D I N K E L A C H E RA ，G R U N D M A N NR ．F l o w o v e rc o n v e r g e n ta n dd i v e r g e n tw a l lr i b l e t s ．E x p e r i m e n t si n F l u i d s ，2 0 0 2 ，3 3 3 4 6 3 5 0 ． [ 9 ] B E C H E R TDW ，B R U S EM ，H A G EW ．E x p e r i m e n t sw i t h t h r e ed i m e n s i o n a lr i b l e t s 越a l li d e a l i z e dm o d e lo fs h a r k s k i n ．E x p ．F l u i d s ，2 0 0 2 ，2 8 5 4 0 3 - 4 1 2 ． 作者简介周吴 1 9 7 9 一 ，讲师，主要从事油气管输技术研究工 作。E ．m a i l z h o u h a 0 7 9 1 0 1 2 s i n a ．c o m 万方数据