輸氣管道沖蝕磨損數(shù)值模擬研究

李 翔，李介普2,，幺 成2,，王 輝

（1. 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京100029； 2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249）

截止2013年10月，我國(guó)油氣管道總歷程超過(guò)10.6萬(wàn)km，形成了橫跨東西、縱貫?zāi)媳薄⑦B通海外的油氣管網(wǎng)格局。管道運(yùn)輸已經(jīng)成為我國(guó)陸上油氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞?。在天然氣開(kāi)采過(guò)程中，從氣井采出的往往是天然氣、原油以及粉塵雜質(zhì)等的混合物，很少有單一存天然氣的情況。其中的固體雜質(zhì)嚴(yán)重影響管道及輸送設(shè)備的安全性。雖然天然氣在采出后多經(jīng)過(guò)濾設(shè)備的過(guò)濾，進(jìn)入集輸管道的天然氣中依然含有一定含量的固體雜質(zhì)，這些固體雜質(zhì)與管壁和輸送設(shè)備發(fā)生碰撞，造成沖蝕磨損。管道沖蝕失效是石油煉制工業(yè)中經(jīng)常發(fā)生的一種失效形態(tài)，是管道安全運(yùn)行過(guò)程中亟待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

A.M.F.EI-Shabour[1]分析了氣液兩相流在三通管中壓力和速度分布，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究，預(yù)測(cè)了三通管中沖蝕情況。Wood R J K[2]應(yīng)用計(jì)算模型計(jì)算了沖擊速度和沖擊角對(duì)彎管的影響，到流場(chǎng)，并通過(guò)電阻層析成像（ERT）驗(yàn)證了粒子的位置。曾涌捷[3]對(duì)天然氣管道內(nèi)彎管進(jìn)行了沖蝕磨損的模擬研究，發(fā)現(xiàn)沖蝕是導(dǎo)致天然氣管道彎管發(fā)生失效的主要原因之一，彎管的沖蝕比其它部件要嚴(yán)重的多。郭永華[4]采用同樣分析的方法采集了西氣東輸二線霍爾果斯段天然氣中的粉塵，通過(guò)分析粉塵樣品種粉塵的形狀和粒徑分布，對(duì)粉塵的成分進(jìn)行了檢測(cè)。分析結(jié)果表明，該段天然氣中粉塵中的粒徑分布為7~15μm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著粉塵量增多，管壁上起保護(hù)作用的環(huán)氧涂層脫落，管道內(nèi)壁磨損加重。陳婭南[5]采用空氣負(fù)壓系統(tǒng)，研究了風(fēng)速、磨料種類(lèi)、磨料濃度和磨粒尺寸對(duì)不同材料及尺寸的彎管及標(biāo)準(zhǔn)孔板磨損率的影響。黃勇等[6]進(jìn)行了含顆粒流體對(duì)三通管的磨損情況分析。許留云等[7]運(yùn)用Fluent軟件中的DPM模型對(duì)含少量液滴的氣體在三通管中的沖蝕情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明在速度相同的情況下，流體對(duì)三通管的沖蝕磨損作用隨著液滴含量的增加而增大；在液滴含量相同的情況下，流體對(duì)三通管的沖蝕磨損作用隨著流體入口速度的增大而增大。杜明俊等[8]建立了熱流固耦合控制方程，借助Fluent 和Ansys 軟件對(duì)多相介質(zhì)流經(jīng)管道彎頭進(jìn)行了流場(chǎng)分析。丁礦等[9]基于流體分析軟件，分析了直角彎管的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)直角彎管在 90°轉(zhuǎn)角和下游水平管路中存在流動(dòng)分離現(xiàn)象。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)局部管件內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行了大量研究，但是專門(mén)針對(duì)輸氣管道沖蝕磨損進(jìn)行數(shù)值分析的研究還比較少。通過(guò)本文的研究可以得到該輸氣管道的沖蝕磨損速率，為定點(diǎn)腐蝕監(jiān)檢測(cè)提供直接、有效的布點(diǎn)規(guī)劃。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 理論模型

管道內(nèi)氣體中含液滴的流動(dòng)屬于典型的氣-液兩相流，其連續(xù)方程如下[5]：

湍流模型采用適合流動(dòng)類(lèi)型比較廣泛的 RNG k-? 模型，k-? 方程如下[5]：

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gb是由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍動(dòng)能膨脹對(duì)總的耗散率的影響；C1ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，F(xiàn)LUENT 中默認(rèn) C1ε=1.44、C3ε=0.09；σk、σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，F(xiàn)LUENT 中默認(rèn)值為 σk=1.0、σε=1.3。

離散相模型可以監(jiān)視顆粒相在所有壁面上的磨蝕情況，其中磨蝕速率函數(shù)為[5]：

1.2 計(jì)算模型

01入口長(zhǎng)度為管線圖紙?zhí)峁┑? 064 mm，02入口長(zhǎng)度設(shè)定為1 500 mm。輸氣管線的布局如圖1所示。

圖1 管線示意圖Fig.1 Schematic diagram of The Pipeline

1.3 網(wǎng)格劃分

采用專用前處理軟件GAMBIT生成網(wǎng)格。劃分管線的網(wǎng)格時(shí)，忽視閥門(mén)、儀表等對(duì)管線的影響，采用古錢(qián)幣畫(huà)法對(duì)整條管線生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為1581488。

1.4 邊界條件

01入口邊界條件為在圓形入口截面上給定法向時(shí)均速度v=5 m/s，湍流強(qiáng)度為5%，水力學(xué)直徑為148.3 mm；02入口邊界為在圓形入口截面上給定法向時(shí)均速度v=2 m/s，湍流強(qiáng)度為5%，水力學(xué)直徑為148.3 mm。

顆粒相入口邊界條件是將01和02入口截面設(shè)為面源，作為顆粒的入射面，在圓形入射面上均勻射入，顆粒的初始速度與氣體的入射速度相同。瞬態(tài)計(jì)算時(shí)的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 2 s。計(jì)算過(guò)程中顆粒無(wú)質(zhì)量變化，無(wú)熱量傳遞。顆粒粒徑設(shè)定為單一粒徑，粒徑為0.025 mm。

顆粒注射時(shí)間設(shè)定為1.0 s，流暢模擬結(jié)束時(shí)間20.0 s開(kāi)始注入，21.0 s結(jié)束注入。氣相出口邊界條件采用壓力出口（pressure-outlet），出口壓力為8.6 MPa。顆粒相出口邊界條件采用完全逃逸（escape）。

1.5 介質(zhì)特性

本研究采用天然氣介質(zhì)對(duì)管線進(jìn)行磨損研究，天然氣的密度為 57.000 kg/m3，粘度為 1.108×10-5Pa· s。

2 模擬結(jié)果及分析

由于瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果更為清晰，本研究?jī)H對(duì)天然氣介質(zhì)的管線進(jìn)行了瞬態(tài)（30.0 s）的磨損計(jì)算。

2.1 模擬結(jié)果

圖2所示為磨損速率范圍在 0~8.35×10-8kg/(m2·s)時(shí)管線的整體磨損云圖；圖3所示為磨損最嚴(yán)重區(qū)域的局部放大圖。由磨損云圖可以看出，對(duì)于管線磨損最嚴(yán)重的區(qū)域在所標(biāo)示的異徑三通前側(cè)面，其中，相貫線中心位置磨損最嚴(yán)重，磨損速率最大為 8.35 ×10-8kg/(m2·s)。

圖2 磨損速率范圍在0~8.35×10-8 kg/(m2·s)時(shí)管線的整體磨損云圖Fig.2 Stress contour diagram of the pipeline with ware rate among 0~8.35×10-8 kg/(m2·s)

圖3 磨損最嚴(yán)重區(qū)域放大顯示圖Fig.3 Enlarged diagram of the most serious area

2.2 磨損速率排序

由于管線較長(zhǎng)，不同部位的磨損狀況相差較大，所以，通過(guò)改變磨損速率的變化范圍能夠更清楚的顯示出管線發(fā)生磨損的位置和程度。下面將不斷減小磨損速率的范圍，并且給出不同范圍內(nèi)磨損最嚴(yán)重的區(qū)域的磨損云圖，以獲得管線的整體磨損情況。磨損速率的范圍分別為：0~3.00×10-8、0~1.00×10-8、0~0.50×10-8)和 0~0.35×10-8kg/(m2·s)。得到瞬態(tài)30.0 s時(shí)，磨損速率的大小，對(duì)該輸氣管線的磨損情況排序結(jié)果如圖4所示：max：3內(nèi)側(cè)＞3外側(cè)、4和主管線底部＞2和6＞1和8＞5＞7：min。

圖4 管件沖蝕結(jié)果大小排序Fig.4 Erosion results diagram in a descending order

3 結(jié) 論

（1）在相同條件下，盲三通、三通和彎頭的磨損速率要高于直管，盲三通、三通和彎頭的磨損速率要根據(jù)入口流速和流向等綜合判定。對(duì)于較長(zhǎng)直管線，由于固體顆粒的沉降，導(dǎo)致管線底部發(fā)生輕微磨損。

（2）管線上的兩個(gè)異徑三通的磨損狀況完全不同，分析得出的原因是，在02入口段的異徑三通處，入流交匯，僅在02入口正下方的主管線底部出現(xiàn)輕微磨損；與出口段連接的異徑三通處，介質(zhì)流動(dòng)方向發(fā)生突然轉(zhuǎn)變且管徑變小，固體顆粒對(duì)三通相貫線中心以后的部位持續(xù)磨損，所以，出現(xiàn)管線上磨損最嚴(yán)重的區(qū)域。

（3）對(duì)該輸氣管線的磨損情況排序，結(jié)果為：3內(nèi)側(cè)＞3外側(cè)、4和主管線底部＞2和6＞1和8＞5＞7，結(jié)果將指導(dǎo)該管線的測(cè)厚點(diǎn)布置和檢測(cè)。

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