π型管液固兩相沖刷腐蝕數(shù)值模擬

陸瑩，馬貴陽

π型管液固兩相沖刷腐蝕數(shù)值模擬

陸瑩，馬貴陽

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

輸油管道系統(tǒng)常常會發(fā)生沖刷腐蝕現(xiàn)象，沖刷腐蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是顆粒對壁面的撞擊。使用DPM模型研究固體顆粒對管壁的沖蝕作用，分析π型管的流動特性，研究流體速度、顆粒質量流量、顆粒直徑以及顆粒密度對管道沖刷腐蝕速率的影響。模擬結果表明，π型管道在彎頭處沖刷腐蝕最嚴重；當流體速度增大、顆粒質量流量增多時，最大沖刷腐蝕速率增大；當顆粒直徑和密度增大時，沖刷腐蝕效果削弱。

固體顆粒； π型管； 沖刷腐蝕； 數(shù)值模擬

管道是當今工業(yè)最常見的五大運輸工具之一，作為一種特種設備在運送液體、氣體和漿液等方面具有特殊的優(yōu)勢，尤其在石油、化工及天然氣等產(chǎn)業(yè)中具有不可替代的作用[1]。在石油石化裝置中，大部分管道會產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，因此在管線設計中需要設置自然補償或補償器吸收管道熱脹。π型補償器是最常用的人工補償器之一，主要用于補償管道受溫度變化而產(chǎn)生的熱脹冷縮[2]。π型管具有補償能力大、使用和維修簡便的特點，在井場和煉油廠等地得到廣泛應用，也成為油田建設中的重要組成部分[3]。

沖刷腐蝕又稱磨損腐蝕，是一種金屬損壞現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是金屬表面與腐蝕流體之間的高速運動[4]，是材料受沖刷和腐蝕共同作用的結果，這種局部腐蝕具有極強的危害性。油氣集輸管道多用于多相流輸送，而彎頭、三通等特殊構件處因顆粒對壁面的撞擊常出現(xiàn)沖刷腐蝕失效破壞的現(xiàn)象，造成管道泄漏事故，具有安全隱患[5-8]。彎頭作為輸油管道的典型部位，沖刷腐蝕磨損嚴重且磨損不均勻，比較容易因沖刷腐蝕磨損而穿孔。管道腐蝕作為一種管道失效形式，不僅嚴重影響油氣集輸效率，同時也會造成巨大的經(jīng)濟損失。研究表明，管道系統(tǒng)中彎頭部位的沖刷腐蝕磨損比直管部位高50倍[3]。π型管是由4個彎頭組成的特殊管件，一旦穿孔、爆管，將帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會負面效應。因此，研究不同影響因素對π型管的沖刷腐蝕可以增強管道的安全性，減少經(jīng)濟損失。

目前，國內(nèi)外學者對管道沖刷腐蝕現(xiàn)象進行了廣泛研究。彭文山等[9]分析了不同因素對彎管沖刷腐蝕磨損的影響，包括流速、顆粒質量流量以及顆粒直徑。但是，僅研究了單一變量對沖刷腐蝕的影響，具有局限性，不適用于普遍情況[10]。 A.Mansouria等[11]在沙粒粒徑、流速不同的條件下研究了沙粒對管壁沖刷腐蝕磨損的影響。曾莉[12]、胡躍華[13]、胡宗武[14]研究了流體動力學特性并對管道沖刷腐蝕機理進行了研究，分析了管道壁面處的沖刷腐蝕機理，并總結了減少特殊局部構件沖刷腐蝕的有效措施。周三平等[15]研究了彎管沖刷腐蝕磨損速率與流體、砂粒、環(huán)境參數(shù)等因素的關系。熊庭等[16]研究了不同濃度、粒徑對液固兩相流流體特性的影響。P.Fernandez-Saiz等[17]研究砂粒尺寸對鑄鐵腐蝕的影響，得出了粒徑與腐蝕速率呈線性關系的結論。

本文主要研究水平π型管道液固兩相流的沖刷腐蝕，得出了最大沖刷腐蝕速率與流體速度、顆粒質量流量、顆粒直徑及密度的關系曲線，分析了不同因素對π型補償器即π型管沖刷腐蝕的影響，為今后管道設計及優(yōu)化運行提供了參考依據(jù)。

1 幾何模型的確立及網(wǎng)格劃分

π型管是由4個彎頭組成的特殊管件，彎頭角度均為90°，管道直徑為1 m，曲率半徑為2，左右兩側下部的水平部分管道長度均為2 m，豎直管段長度為2 m，中間的水平直管段長度為2 m。水平π型管的幾何模型如圖1所示。流體從左側水平管段流入，從右側水平管段流出。利用GAMBIT軟件對模型計算域進行結構化的網(wǎng)格劃分。由于流場在彎曲部位比較復雜，因此對彎頭部位進行網(wǎng)格加密處理[18]。流體具有黏性，管道壁面處進行邊界層網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格數(shù)量對模擬結果無影響。選用標準模型，入口邊界為速度入口（velocity-inlet），出口邊界為自由流出（outflow），管壁邊界類型為壁面（“wall”類型）。

圖1　水平π型管的幾何模型

本文主要研究水平π型管液固兩相對管道壁面的沖刷腐蝕，離散相采用基于歐拉-拉格朗日算法的DPM模型，進出口邊界的屬性設置為“escape”，表示顆粒逃逸；管壁的邊界條件為壁面，屬性設置為“reflect”，表示顆粒碰撞壁面后反彈。連續(xù)相為油，其密度為960 kg/m3，黏度為0.02 Pa·s；離散相為固體球形顆粒，其密度分別取1 000、1 500、2 000、2 500 kg/m3和3 000 kg/m3，顆粒直徑分別取50、100、150、200 μm和250 μm。

2 計算模型

2.1 DPM模型

影響壁面沖刷腐蝕速率的因素很多，如顆粒濃度、直徑、質量流量、粒子與壁面的沖擊角、流體速度、管道直徑、曲率半徑等[19-20]。沖刷腐蝕預測模型應選用包含影響因素多的模型。DPM模型見式（1）。

表1　沖擊角函數(shù)與沖擊角的關系

法向反彈系數(shù)（N）及切向反彈系數(shù)（T）的表達式分別見式（2）及式（3）。

2.2模型

在π型管內(nèi)連續(xù)相流體為湍流，選用標準方程：

3 數(shù)值計算分析

3.1 水平π型管壓力和速度分布

水平π型管壓力分布云圖如圖2所示。由圖2可以看出，水平π型管內(nèi)左側管段的壓力明顯大于右側管段的壓力；流體在經(jīng)過彎頭時，壓力變化明顯，外管壁面處壓力大于內(nèi)管壁面處壓力；管道最大壓力出現(xiàn)在左側下部第一個彎頭的外管壁面附近，而流體所受最小壓力則在右側下部的第4個彎頭的內(nèi)管壁面周圍，最小壓力為負壓。這是由于管道在經(jīng)過彎頭時，流體的流動方向發(fā)生了改變。流體在π型管內(nèi)流動過程中，與彎頭外管壁面發(fā)生撞擊，使流體在管道內(nèi)湍流動能逐漸減小，從而使流體每經(jīng)過一個彎頭壓力就降低，出口壓力小于進口壓力。

圖2　水平π型管壓力分布云圖

水平π型管速度分布云圖如圖3所示。由圖3可以看出，水平π型管內(nèi)管壁處速度最大，外管壁處速度最小，這是由于流體具有慣性，在流經(jīng)彎頭時速度方向改變，結果使大量流體流向彎管的外管壁，導致流體速度降低，而內(nèi)管壁處的流體體積分數(shù)減小，少量流體在彎頭內(nèi)管壁附近呈現(xiàn)較高的速度。

3.2 水平π型管沖刷腐蝕分析

水平π型管沖刷腐蝕速率分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出，水平π型管內(nèi)發(fā)生沖刷腐蝕的區(qū)域主要在管道彎頭的內(nèi)外管壁壁面附近，其中最嚴重的地方在彎頭的外管壁壁面處。當流體流經(jīng)彎頭時，流體流動方向發(fā)生改變，一部分流體攜帶顆粒撞擊管壁面，導致沖刷腐蝕情況加劇，而流體在直管段流動時，流體沿著管道流動，管壁受到的撞擊主要來源于液固兩相流動產(chǎn)生的橫向切力，此時流體對管壁的腐蝕情況較弱，直管段的沖刷腐蝕速率較低。

實驗組完全緩解30例，部分緩解13例，沒有緩解2例，總有效率為95.56%，參照組完全緩解20例，部分緩解17例，沒有緩解8例，總有效率為82.22%，組間數(shù)據(jù)對比，χ2=4.050 0，P=0.044 1，差異有統(tǒng)計學意義。

圖3　水平π型管速度分布云圖

圖4　水平π型管沖刷腐蝕速率分布云圖

3.3 固體顆粒直徑對沖刷腐蝕速率的影響

3.3.1水平π型管 離散相固體顆粒質量流量為0.2 kg/s，流體速度為10 m/s，當顆粒直徑分別為50、100、150、200、250 μm時，水平π型管內(nèi)最大沖刷腐蝕速率（max）隨顆粒直徑的變化如圖5所示。

圖5　水平π型管內(nèi)固體顆粒直徑對最大沖刷腐蝕速率的影響

由圖5可以看出，撞擊速率和動能受固體顆粒直徑的影響；隨著固體顆粒直徑增大，水平π型管的最大沖刷腐蝕速率減小。這是因為當顆粒直徑較小時流體攜帶的顆粒數(shù)量增多，撞擊壁面的固體顆粒就增多，導致沖刷腐蝕磨損嚴重；隨著顆粒直徑增大，顆粒數(shù)量減少且不易攜帶，固體顆粒與壁面撞擊的次數(shù)及強度均下降，導致沖刷腐蝕速率下降。由圖5還可以看出，顆粒直徑從50 μm增加到200 μm時，最大沖刷腐蝕速率的變化幅度逐漸增大，顆粒直徑從200 μm增加到250 μm時，最大沖刷腐蝕速率的變化幅度減小。因此，當質量流量為0.2 kg/s時，隨著顆粒直徑逐漸增加，流體攜帶的顆粒數(shù)減少，顆粒對管壁的撞擊程度下降，最大沖刷腐蝕速率減小。

3.3.2垂直π型管 垂直π型管幾何模型如圖6所示。在研究垂直π型管中固體顆粒直徑對最大沖刷腐蝕速率的影響時，考慮重力作用，重力加速度方向沿軸負方向，=9.8 m/s2。

圖6　垂直π型管幾何模型

水平π型管和垂直π型管中粒徑與最大沖刷腐蝕速率的關系如圖7所示。

圖7　水平π型管和垂直π型管中固體顆粒直徑對最大沖刷腐蝕速率的影響

由圖7可以看出，隨著固體顆粒直徑增大，兩種π型管個管的最大沖刷腐蝕速率均減小；當其他影響因素相同時，增大粒徑，垂直π型管的沖刷腐蝕速率比水平π型管的最大沖刷腐蝕速率大；顆粒直徑為50～200 μm時，垂直π型管內(nèi)的最大沖刷腐蝕速率比水平π型管大得多，粒徑為50 μm時，兩種π型管的最大沖刷腐蝕速率相差最大，垂直π型管的最大沖刷腐蝕速率是水平π型管的約10倍；當粒徑為250 μm時，兩種π型管的最大沖刷腐蝕速率相差較小。

3.4 固體顆粒質量流量對沖刷腐蝕速率的影響

保持離散相固體顆粒直徑為200 μm，當流體速度為5～25 m/s時，改變顆粒的質量流量，分析水平π型管的沖刷腐蝕情況，結果如圖8所示。

圖8　固體顆粒質量流量對最大沖刷腐蝕速率的影響

由圖8可以看出，隨著固體顆粒的質量流量從0.2 kg/s增至1.0 kg/s，水平π型管的沖刷腐蝕加劇。這是因為顆粒直徑不變時，單位時間內(nèi)撞擊水平π型管的粒子數(shù)目和能量影響沖刷腐蝕磨損，當顆粒質量流量增大時，單位時間內(nèi)撞擊管壁的顆粒數(shù)目增大，流體流動過程中產(chǎn)生的能量也就越大，對壁面的撞擊力加劇，從而使最大沖刷腐蝕速率變化幅度增加。

由圖8還可以看出，流體速度增大時，水平π型管的沖刷腐蝕速率變大；當流速從5 m/s增加到15 m/s時，顆粒質量流量增大，流體經(jīng)過彎頭時，流體攜帶顆粒流動時能量損失變大，顆粒質量流量與沖刷腐蝕速率近乎呈線性關系，最大沖刷腐蝕速率增幅較??；當流體速度大于15 m/s時，由于動能與速度呈平方關系，管道內(nèi)能量增多，沖刷腐蝕磨損加劇，最大沖刷腐蝕速率變化幅度增大。換言之，流體速度和顆粒質量流量均增大時，管道摩阻損失增加，能量增多，管壁的沖刷腐蝕程度進一步加劇。

3.5 固體顆粒密度對沖刷腐蝕速率的影響

固體顆粒直徑為200 μm、質量流量為0.2 kg/s，改變流體速度，選取密度不同的固體顆粒，分析顆粒密度對水平π型管的最大沖刷腐蝕速率的影響，結果如圖9所示。

圖9　固體顆粒密度對最大沖刷腐蝕速率的影響

由圖9可以看出，密度與最大沖刷腐蝕速率呈線性關系，隨著固體顆粒密度增大，最大沖刷腐蝕速率減小，但變化幅度不大。這是因為：當固體顆粒直徑不變時，如果增大顆粒密度，則固體顆粒變重，流體攜帶的固體顆粒數(shù)量減少，撞擊壁面的固體顆粒就會減少，導致管壁的沖刷腐蝕磨損減弱。固體顆粒密度對沖刷腐蝕磨損的影響還受流體速度的影響。由圖9還可以看出，流體速度對管道的最大沖刷腐蝕速率影響很大，隨著流速增加，最大沖刷腐蝕速率增大。

3.6 流體速度對沖刷腐蝕速率的影響

離散相固體顆粒直徑為200 μm，流體速度分別為5、10、15、20、25 m/s時，分析水平π型管內(nèi)流體流速對最大沖刷腐蝕速率的影響，結果如圖10所示。

由圖10可以看出，隨著流體速度增大，最大沖刷腐蝕速率增大，隨著流體速度增加，腐蝕速率變化幅度增大；當流體速度小于10 m/s，最大沖刷腐蝕速率變化較小，當流體速度為10～25 m/s時，隨著流體速度的增大，水平π型管管道壁面最大沖刷腐蝕速率增幅增加。這是因為：水平π型管管道內(nèi)速度增大，湍動能隨之增大，加劇水平π型管管道的沖刷腐蝕磨損。除此之外，流體速度對最大沖刷腐蝕速率的影響還受顆粒質量流量的影響，當顆粒質量流量增大時，最大沖刷腐蝕速率變大。

圖10　水平π型管內(nèi)流體流速對沖刷腐蝕速率的影響

4 結 論

（1）液固兩相流的流動導致水平π型管彎頭內(nèi)外壁面處易發(fā)生沖刷腐蝕，流體在彎頭處壓力變化最大，管道的最大壓力和最小速度均出現(xiàn)在彎頭外壁面附近，而最小壓力和最大速度則在彎頭內(nèi)壁面處，管道的最小壓力為負壓。

（2）隨著顆粒直徑增大，水平π型管的沖刷腐蝕速率減小，當顆粒直徑由50 μm增加時200 μm時，最大沖刷腐蝕速率的變化量逐漸增大，當顆粒直徑由200 μm增加到250 μm時，最大沖刷腐蝕速率的變化幅度則減??；在只改變顆粒直徑時，垂直π型管的最大沖刷腐蝕速率比水平π型管的最大沖刷腐蝕速率大，粒徑越小，二者相差越大。

（3）水平π型管的沖刷腐蝕速率與顆粒質量流量有關，顆粒質量流量越大，管道的最大沖刷腐蝕速率越大；在不同的顆粒質量流量下增大流速，水平π型管的最大沖刷腐蝕速率明顯增大，且速度越大最大沖刷腐蝕率增量越大。

（4）水平π型管的沖刷腐蝕速率受顆粒密度的影響，隨著顆粒密度增大，管道的最大沖刷腐蝕速率減小，沖刷腐蝕蝕磨損減弱；顆粒密度對管道沖刷腐蝕磨損的影響隨著流體速度的增大而變大。

（5）流體速度對水平π型管沖刷腐蝕速率的影響較大，隨著流體速度的增大，最大沖刷腐蝕速率變大；增大顆粒質量流量，最大沖刷腐蝕速率的變化量逐漸變大。

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Numerical Simulation of Liquid-Solid Two-Phase Erosion Corrosion in π-Shaped Pipe

Lu Ying， Ma Guiyang

（College of Petroleum Engineering，Liaoning Petrochemical University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China）

Erosion corrosion often occurs in oil pipeline system. The main reason for erosion corrosion is the impact of particles on the wall. DPM model was used to study the erosion effect of solid particles on the pipe wall, analyze the flow characteristics of π-shaped pipe, and study the influence of fluid velocity, particle mass flow rate, particle diameter and density on the erosion corrosion rate of the pipe. The simulated results show that the erosion corrosion of π-shaped pipe is the most serious at the elbow. The maximum erosion corrosion rate increases with the increase of fluid velocity and particle mass flow rate. As the particle diameter and density increase, the erosion effect is weakened.

Solid particles；π-shaped pipe； Erosion wear； Numerical simulation

TE89

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2021.04.009

1672-6952（2021）04-0052-06

http：//journal.lnpu.edu.cn

2020-04-24

2020-05-29

遼寧省自然科學基金項目（201602470）。

陸瑩（1994-），女，碩士研究生，從事多相流數(shù)值模擬研究；E-mail：2271883464@qq.com。

馬貴陽（1965-），男，博士，教授，從事計算流體力學、埋地管道水力和熱力問題、高效換熱設備等方面的研究；E-mail：guiyangma1@163.com。

（編輯 宋錦玉）