湿气集输是天然气开发常用工艺,遇地形起伏易产生积液和段塞流。人们对低持液率多起伏集输管路段塞流的产生、发展认识不足。高含硫天然气集输系统需要非介入式积液监测技术。为了揭示积液在起伏湿气管线中的积累和分布情况,论文研究了起伏管路段塞流流动机理。在内径40mm,长30m的起伏实验环路上对低持液率气液两相流动进行了系统的实验研究,并提出基于超声回波特性的湿气管线积液监测技术。起伏管线中不同气液流速条件下的两相流实验表明,不同管段中的流型存在差异,管段之间通常存在着流型转变。通过对低持液率向上倾斜管中的两相流动进行研究发现,管线低洼处液位达到一定高度后会形成液塞,开始阶段形成的液塞会迅速耗散回流,液塞长度逐渐增加,当液塞达到一定长度后离开管线低洼处。实验发现低持液率起伏管线中形成液塞的机制有三种,分别为:波生长机制、对流挤压机制、波合并机制。通过波生长机制形成液塞时符合Taitel&Dukler提出的分层流与间歇流的分界准则,此分界准则与向上倾斜管线中段塞流与环状流的分界准则之间存在差距,此差距区域内的段塞流是通过波合并机制形成的。湿气起伏管线中液塞的耗散主要是由于最小稳定液塞长度和液塞稳定性所造成的。结合低持液率起伏管线中的气液流动实验,理论分析了段塞流和分层流管段中的液相及压力分布。两个起伏条件下的实验表明,下游向上倾斜管线中的流动主要影响着上游管段中的压力变化,而上游向上倾斜管段则通过液量影响着下游向上倾斜管段中液塞的形成。不同气液流速条件下的实验表明,随着气体折算速度的增大起伏管线定点处的平均压力值增加,但是压力值变化的斜率会因流型不同而存在变化。压差监测实验表明液塞头部进入测压管段和液塞尾部离开测压管段的时间点比较明确且能够与理论分析相对应。通过对向上倾斜管中形成液塞特征参数的变化规律进行研究发现,随着气速的增加,液塞平移速度开始是显著增大的,当表观气速增大到一定值时,液塞平移速度随着气速的增大基本不变,此时管线中的流型为伪段塞流。当气体表观速度较小时,液塞长度的分布在7-12D的范围内。随着表观气速的增大,液塞长度将集中于7-9D的范围内。在恒定液速条件下,液塞持液率随着气体速度的增大而减小。而在恒定气速条件下,液速变化对液塞持液率的影响并不明显。气体表观速度较小时,液塞频率的概率密度分布曲线为对数正态分布,气体表观速度较大时,液塞频率的概率密度分布曲线基本符合标准正态分布。为了能够更加准确地掌握起伏湿气管线中的液相分布规律,在对传统积液监测技术进行详细分析的基础上提出了基于超声回波特性的积液监测技术。理论分析及ANSYS数值模拟表明,当检测位置处管道内壁接触的介质分别为天然气和水时,同一次数的管道外表面回波信号会仅因内部界面处的透射率不同而差异明显,而且随着回波次数的增加,超声回波的差异会越来越显著。应用超声波设备及多相流环道进行了室内实验研究,结果表明利用超声回波的特性能够进行流型识别和积液高度检测,并且测量精度可达±3mm。现场实验进一步证明了基于超声回波特性积液监测方法的可靠性。