石化管道沖蝕磨損的數(shù)值模擬分析

幺　成 ， 李介普 ， 李　翔

(1.中國石油大學(北京) ， 北京　102249 ； 2.中國特種設備檢測研究院 ， 北京　100029)

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石化管道沖蝕磨損的數(shù)值模擬分析

幺成1,2， 李介普1,2， 李翔2,1

(1.中國石油大學(北京) ， 北京102249 ； 2.中國特種設備檢測研究院 ， 北京100029)

以某煉廠柴油管線為研究對象，對柴油流經(jīng)的管線進行流場分析。利用Fluent對該柴油管線進行數(shù)值模擬計算。研究結果表明：該管線沖蝕最嚴重的部位在彎管與盲三通之間靠近彎管內拱壁面中心位置，此處受到的剪切應力最大。該研究可指導石化管道的檢測，可以有效提高輸氣管道系統(tǒng)運行的安全性、可靠性，并能顯著節(jié)約管道系統(tǒng)的檢測成本。

管道 ； 沖蝕 ； 磨損 ； 數(shù)值模擬

管道有多種失效形式，其中由沖蝕磨損造成破壞引起的管道失效是最常見、最廣泛的破壞形式。管道的沖蝕磨損不僅嚴重影響了油氣集輸，同時也造成了巨大的經(jīng)濟損失。石化集輸管道系統(tǒng)中幾何結構的復雜性導致其受力情況比較復雜。管道內沖蝕磨損機理較為復雜，目前已有的沖蝕計算方法也是在實驗的基礎上建立的，具有一定的局限性，根據(jù)經(jīng)驗公式所得到的結果往往也存在爭議。因此對某石化管道沖蝕磨損進行數(shù)值模擬分析具有重要的現(xiàn)實意義。

Blatt W等[1]綜合考慮流速、流型、質量傳遞同沖蝕之間的相互作用，率先結合流體動力學來研究管道沖蝕失效規(guī)律，提出實現(xiàn)沖蝕預測的可能性。Nesic S等[2]采用數(shù)值模擬方法，研究電極表面近壁面處流體作用力對沖蝕的影響，并取得了初步成果。季楚凌[3]以輸送稠油的彎管為研究對象，借助Fluent與Ansys軟件對彎管進行熱流固耦合模擬計算。陳佳等[4]針對三通管建立了沖刷腐蝕的數(shù)學模型，運用SIMPLE算法求解方程組。劉勇峰等[5]將計算流體的方法引入到彎管沖刷腐蝕的研究中，建立了彎管沖刷腐蝕的數(shù)學模型。并根據(jù)氣田集輸管道中的實際運行參數(shù)，模擬三種工況下管道彎管中流體的運動。陳思維等[6]以濕氣集輸條件下管流流體動力學數(shù)值模型為基礎，通過數(shù)值模擬并結合現(xiàn)場檢測結果，開展了氣液兩相沖蝕規(guī)律、沖蝕失效風險預測研究。高萬夫等[7]研究了輸送管道中氣固兩相流中微粒的直徑、濃度和材料種類等因素對管道彎頭磨損量以及磨損率的影響。趙燕輝等[8]借助CFD軟件對油氣混輸流體流經(jīng)T型管進行流場和應力分析，探討了流體組成、流體性質和流動參數(shù)等對沖刷腐蝕的影響。

國內外學者對局部管件內的流場分布進行了大量研究，但是專門針對石化管道沖蝕磨損進行數(shù)值分析的研究還比較少。通過研究可以得到該石化管道的沖蝕磨損最嚴重位置，對指導石化管道的檢測有重要幫助。

1　數(shù)值模擬分析

1.1理論模型

管道內氣體中含液滴的流動屬于典型的氣—液兩相流，其連續(xù)方程如下：

(1)

湍流模型采用適合流動類型比較廣泛的RNG k-ε模型，k-ε方程如下：

Gb-ρε-YM

(2)

(3)

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

1.2計算模型

根據(jù)某化工廠管道系統(tǒng)發(fā)生沖蝕的管線，建立如圖 1 所示的物理模型。包含一個入口、兩個盲三通、四個彎管、一個異徑管和一個出口，管道入口直徑為 100 mm、出口直徑80 mm、管道總長6 700 mm，異徑管入口直徑100 mm、出口直徑80 mm、高300 mm。 輸氣管線的布局如圖1所示。

圖1　管線示意圖

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，忽視閥門、儀表等對管線的影響，采用古錢幣畫法對整條管線生成結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為174 289。

1.4邊界條件

入口邊界條件：在圓形入口截面上給定法向時均速度v=5 m/s、湍流強度為5%、水力學直徑為100 mm。出口邊界條件是outflow，即認為出口時的湍流是充分發(fā)展的。壁面邊界條件采用固體邊界(wall邊界)。

1.5介質特性

采用單一柴油介質對管線進行沖蝕研究，柴油的密度為850 kg/m3，黏度為0.004 845 Pa·s。

2　模擬結果及分析

通過fluent軟件對管線的穩(wěn)態(tài)流域進行了數(shù)值模擬，模擬結果如下。

2.1模擬結果

圖2　管線的整體剪切力云圖

由圖2可以看出，對于管線磨損最嚴重的區(qū)域在所標示的彎管與盲三通之間，其中靠近彎管內側中心位置的壁面剪切應力值最大，所以此處磨損最為嚴重。此外，彎管外拱下游及內拱壁面所受切應力相對較大，內拱壁面處柴油速度和沖擊角度都相對較大，導致內拱壁面處的切應力值相對較大。而彎管外拱下游近壁面處柴油的速度較大，所以在該處彎管壁面所受剪切力較大。

圖3　最大剪切力發(fā)生區(qū)域放大顯示圖

由圖3可以看出，管線最大壁面剪切應力為377 Pa，最大壁面剪切應力出現(xiàn)的位置在盲三通入口處的壁面左側中間位置。

2.2磨損強度排序

通過對管線壁面剪切應力的模擬能夠更清楚直觀的分析出管線發(fā)生磨損的位置和程度，可以對管線較長且磨損狀況較為復雜的管線進行預測。通過對管線的模擬可以得到管線的壁面剪切應力云圖，即獲得管線的整體磨損情況。對該石化管線的磨損情況排序結果：4內側>4外側>6>2>5>3=1，如圖4所示。

圖4　管件沖蝕結果大小排序

3　結論

某煉廠該柴油管線沖蝕最嚴重的位置在彎管與盲三通之間靠近彎管內拱壁面中心位置(編號4)，此處壁面剪切應力值最大，為377 Pa。對該輸氣管線的磨損情況排序結果為4內側>4外側>6>2>5>3=1，該結果將指導該管線的測厚點布置和檢測。

[1]Blatt W,Heitz E.Hydromechanical measurements for erosion corrosion[J].National Association of Corrosion Engineers, 1993: 543-546.

[2]Nesic S,Postlethwaite J.The Canadian of Chem Eng[J].1991,69:698-702.

[3]季楚凌.稠油管道90°彎管流場及應力分析[J].當代化工,2015,44(2):401-404.

[4]陳佳,劉勇峰. 三通管沖刷腐蝕數(shù)值計算[J].當代化工,2013,42(1):76-78.

[5]劉勇峰,吳明,趙玲,等.凝析氣田集輸管道彎管沖刷腐蝕數(shù)值計算[J].腐蝕與防護,2012,33(2):132-135.

[6]陳思維,覃明友,劉德緒,等.高含硫氣田濕氣集輸管道沖蝕風險預測研究[J].天然氣與石油,2015,33(1):80-83，12.

[7]高萬夫,鄭雁軍,崔立山,等.管道彎頭磨損特性的研究[J].石油化工高等學校學報,2003,16(4):56-60.

[8]趙燕輝,張濤,張義貴,等.集輸管道T型管內沖刷腐蝕數(shù)值模擬[J].當代化工,2014,43(11):2457-2459.

Numerical Simulation Analysis on Erosion of Petrochemical Pipeline
YAO Cheng1,2， LI Jiepu1,2， LI Xiang2,1
(1.China University of Petroleum-Beijing ， Beijing102249 , China ； 2.China Special Equipment Inspection and Research Institute ， Beijing100029 , China)

The flow field of diesel oil flowing throughout the pipeline is analyzed.The pipeline is simulated using Fluent software.The results show that the most serious erosion of the pipeline is close to the center of the wall between the elbow and the tee,which is the biggest shear stress.The results can guide the operation of the petrochemical pipeline.The reliability and security for the operation of the petrochemical pipeline system are effectively improved.Inspection cost is saved for petrochemical pipeline system due to the investigation.

pipeline ; erosion ; wear ; numerical simulation

1003-3467(2016)07-0019-03

2016-05-10

幺成(1992-)，男，碩士，從事化工機械研究工作，電話：18510864998。

TE832，TQ050.2

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