表面光度仪：测量管道内壁的新技术

管道内壁的粗糙度直接影响管道的运送效率。自1995年以来，一些石油公司开始积极研究管道内壁粗糙度对流体流动性能的影响，如防止管线腐蚀、建立新式管线系统的材料和涂层数据、增加管线内流体流动的电子分析和模拟设备等，并最终形成了新的适用于现代管材的表面粗糙度曲线。 
1944年发表的莫迪（Moody）摩擦系数图表是公认的利用Colebrook-White方程求解摩擦系数很实用的方法，但其局限性在于没有适时地考虑到现代工业中新出现的合金材料和内涂层管线。这些新合金材料和内涂层管线广泛应用于油田，以延长管线寿命和改善流体动力学性能。因此，需要利用现代表面光度测量技术测量新的内涂层管线和抗腐蚀合金管壁绝对粗糙度和相对粗糙度。

现代表面光度仪采用金钢石探笔来跟踪测量管线表面的峰点和低点，并将笔尖的纵向位移转换成电子信号。该方法具有良好的横向分辨率，检测精度可以达到次纳米，是一项先进的测量管线粗糙度应用技术。除了工业用的探笔式表面光度仪，测定表面粗糙度的其它测量方法还包括了电脑辅助测量仪、原子力显微镜等。

通过表面光度仪测量可以得到大量剖面数据，然后对其进行随机评估，由此建立新的相对粗糙度图表和关系式。管线表面粗糙度对流体流动的影响与雷诺数大小和流体粘度有关。从表面光度仪测得的数据可以用来求解Colebrook-White方程，从而得出范宁摩擦系数。为了用表面光度仪的测量数据计算范宁摩擦系数，需要用统计确定的Rzd（为平均峰谷高度，是五个连续测样长度内最大峰谷间高度的算术平均值）和Ra 值（在评估长度内，距离中心线基线的粗糙剖面高度的算术平均值）来取代C-W方程中的绝对粗糙度值。2001年的研究表明，采用Dektak ST和Hommel Tester T1000两种方法对管样中的Rzd值测定结果是一致的。现在可以通过编写程序利用Rzd和Ra 值快速计算出范宁摩擦系数。

总之，采用表面光度仪的测量技术可以为新合金管材和内涂层管线建立新的相对粗糙度图表，并且图表中包含了莫迪的商业用钢和冷拨管。Southwest Research Inst.（SRI）对内涂层管线和13Cr管线的表面光度测量结果进行了验证，所得的摩擦系数/粗糙度值与表面光度仪测量的Rzd值吻合很好。另外，研究也表明Rzd值比Ra值能更好地代表绝对粗糙度。

使用该技术不需进行流体实验就可以获得摩擦系数。表面光度仪的测量数据提供了精确的管壁表面结构轮廓图。目前，表面光度仪技术是预测管线表面粗糙度、衡量表面粗糙度对管线内流体的流态、压力和能量特性影响程度的最精确、最经济的方法。