海底管道砂沉積模擬研究

張文欣， 周曉紅， 陳宏舉

(中海油研究總院， 北京 100028)

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海底管道砂沉積模擬研究

張文欣， 周曉紅， 陳宏舉

(中海油研究總院， 北京 100028)

海底混輸管道運(yùn)行一段時(shí)間后，管道內(nèi)部砂沉積等會(huì)導(dǎo)致管道通過量減小，明顯降低緩蝕劑效率，加速管道底部磨蝕，甚至造成清管器卡堵事故。以位于海上某油田群A平臺(tái)至B平臺(tái)的海底混輸管道為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)合理建模，采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了海底管道水平段以及彎管段在砂含量、砂粒徑、砂密度以及流速等參數(shù)不同時(shí)的砂沉積規(guī)律。模擬結(jié)果表明，海管沿程沉砂量與含砂量、砂粒徑、砂密度正相關(guān)，與流速負(fù)相關(guān)；而沉砂量最大位置規(guī)律相反。平均沉砂量對(duì)各參數(shù)的敏感性從高到低依次為含砂量、流速、砂粒徑、砂密度。

砂沉積；FLUENT模擬；彎管段；變量分析；沉積規(guī)律

某海上油田群A平臺(tái)至B平臺(tái)海底管道的設(shè)計(jì)年限為15年，但投入使用不到5年就出現(xiàn)許多漏點(diǎn)，嚴(yán)重影響了油田的正常生產(chǎn)。泄漏點(diǎn)如圖1所示，新老漏點(diǎn)共出現(xiàn)40余次，內(nèi)管漏點(diǎn)基本都出現(xiàn)在海管中后部及出口段，在管道底部有砂沉積的位置腐蝕最嚴(yán)重。砂沉積厚度僅為幾毫米，對(duì)管道流通面積影響很小(不足1%)，但砂覆蓋管道內(nèi)表面，阻擋了緩蝕劑覆蓋金屬表面，使得緩蝕劑在金屬表面的實(shí)際濃度小于注入濃度，影響了緩蝕劑的效率(僅為20%)[1]。

圖1　泄漏點(diǎn)示意圖

因此，研究海管中砂沉積規(guī)律對(duì)于緩蝕劑效率和清管具有指導(dǎo)意義。目前對(duì)于管道輸送砂沉積的研究主要針對(duì)于漿體輸送，即砂含量較大(大于10%)的水平管道輸送[2-4]，而對(duì)于砂含量較低(小于1%)的流體輸送以及海底管道彎管部分的研究甚少。因此,本文通過FLUENT數(shù)值模擬海底管道低砂含量下水平管段和彎管道的砂沉積規(guī)律，論證數(shù)值模擬的可行性，以此預(yù)測(cè)砂沉積的時(shí)間和位置，指導(dǎo)確定清管周期，降低砂沉積導(dǎo)致的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

1　海管砂沉積模型建立

1.1模型建立

含砂管流為典型的低相含率液-固兩相流，綜合考慮模型適應(yīng)性與計(jì)算效率，針對(duì)本研究采用多相流混合(Mixture)模型[5-6]和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[7]進(jìn)行模擬。

檢測(cè)報(bào)告指出管道底部有砂沉積，且內(nèi)管穿孔多位于6點(diǎn)鐘位置。為提高計(jì)算效率，選取管道中心縱向?qū)ΨQ剖面的二維模型來建模。砂含量低，沉積的砂只會(huì)在管道底部形成極薄的一層砂層，因此對(duì)管道底部邊界層網(wǎng)格局部加密。管道長(zhǎng)徑比極大，因此采用等比例過渡法(見圖2)，生成網(wǎng)格扭曲度極低(小于0.05)，網(wǎng)格質(zhì)量極高；可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格無關(guān)性的二維網(wǎng)格數(shù)不超過10萬，大大減少了網(wǎng)格數(shù)量，提高了模擬效率。

圖2　模型網(wǎng)格

通過全管段建模模型進(jìn)行模擬，得到水平方向上壁面沿程沉砂量。如圖3所示，中間水平管段沉砂量幾乎不變，而入口彎管段和出口彎管段顯著變化，因此通過分段法(見圖4)著重研究。

圖3　7 200 m全管段沿程沉砂量

入口彎管水平段選取彎管連接10 m立管和100 m水平管，水平段為100 m無起伏管道，出口彎管水平段為彎管連接50 m水平管和10 m立管(立管高度對(duì)于本研究的影響可以忽略)。

圖4　A平臺(tái)至B平臺(tái)海管分段示意圖

1.2理論基礎(chǔ)

海底混輸管道流體中含有少量砂，可將其視為漿體，利用漿體的相關(guān)運(yùn)動(dòng)理論對(duì)砂的沉積規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)[11]。當(dāng)清水與固體顆粒構(gòu)成的沉降性漿體在水平管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受固體顆粒濃度分布的影響，其速度分布斷面與清水等的速度分布斷面相比，會(huì)發(fā)生不對(duì)稱性變化[3]，即非均質(zhì)流在管道中心上方的速度較清水大，而在下方的速度較清水小[8]。這種現(xiàn)象將隨著固體顆粒濃度的增加，變得越來越明顯[3]。

通過實(shí)驗(yàn)觀察，砂在管道中的輸送方式隨著流速增大可以分為三種，即靜止砂層、運(yùn)動(dòng)推移砂層(流速超過臨界流速)和懸移砂層。判斷管道底層固體顆粒是否靜止不動(dòng)，需要進(jìn)行受力分析，如圖5所示。

圖5　管道底層固體顆粒受力分析

當(dāng)式(1)成立時(shí)[10]，管道底層顆粒靜止不動(dòng)。

(1)

式中：水流拖曳力FD[10]、摩擦力[10]、耗散力Fi[10-11]的計(jì)算公式分別如表1所示。

1.3計(jì)算條件設(shè)定

根據(jù)海管溫度壓力流量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，海管輸送介質(zhì)的含水率在60%左右，由于密度原因，水在海管底部流動(dòng)。因此，針對(duì)水進(jìn)行攜砂分析，即可預(yù)測(cè)海管的砂沉積規(guī)律[9]。

海底管道模型入口邊界條件設(shè)置為Velocity-inlet(速度入口)，出口邊界條件設(shè)置為outflow(自由流出口)，通過FLUENT的profile文件保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，采用瞬態(tài)模擬以精確描述流體動(dòng)態(tài)過程。Y方向重力加速度設(shè)為-9.8 m/s2。根據(jù)實(shí)際工況，給定各參數(shù)數(shù)值，通過單一變量法進(jìn)行研究。

基礎(chǔ)計(jì)算條件為管徑D=0.273 m，含砂量1×10-5，流速v=0.53 m/s，砂粒徑d=50 μm，砂密度ρ=2 650 kg/m3。

表1　管道底層固體顆粒受力計(jì)算公式

2　海管入口彎管與水平段砂沉積規(guī)律分析

2.1含砂量對(duì)砂沉積的影響

基礎(chǔ)計(jì)算條件不變，選取含砂量1×10-7、1×10-6、1×10-5、1×10-4分別進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，當(dāng)運(yùn)行穩(wěn)定后，沿水平管段方向，沉砂量逐漸增加至穩(wěn)定沉砂量。隨著海管入口含砂量的增加，相同位置處的沉砂量顯著增加。當(dāng)含砂量增加時(shí)，F(xiàn)D、Fi和Ff相同，而且顆粒間存在干涉阻力，含砂量越大，單一顆粒受到周圍顆粒的阻力越大。含砂量越大，在沉砂概率相同的情況下，沉砂量必然增加。

如圖6所示，隨著含砂量增大，最大沉砂位置坐標(biāo)(即彎管連接水平段從砂開始沉積到達(dá)到最大穩(wěn)定沉砂量時(shí)的位置)逐漸減小，分別為158、115、100、90 m。同一砂粒受其他砂粒阻力越大，該砂粒在前段沉積越快，即最大沉砂位置坐標(biāo)與含沙量成負(fù)相關(guān)。

圖6　含砂量不同時(shí)的沉砂量

2.2砂粒徑對(duì)砂沉積的影響

基礎(chǔ)計(jì)算條件不變，選取砂粒徑為10、50、100、200 μm分別進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，隨著砂粒徑增大，F(xiàn)f增大幅度大于FD與Fi之和的增大幅度，且顆粒間阻力更大，因此同一位置沉砂量增加。當(dāng)砂粒徑為100 μm和200 μm時(shí)，沿程沉砂量均先增大再減小而后趨于穩(wěn)定，粒徑較大導(dǎo)致受力的影響因素變化較為復(fù)雜。當(dāng)粒徑大于等于50 μm時(shí)，沉砂量在100 m附近基本穩(wěn)定，且數(shù)值相近；而粒徑為10 μm時(shí)沉砂量持續(xù)增加且遠(yuǎn)未達(dá)到穩(wěn)定沉砂量，而且明顯小于50 μm以上粒徑的沉砂量，由此可以看出存在臨界粒徑使得沉砂量可以明顯減小沿程沉砂量。隨著砂粒徑增大，沉砂量最大位置坐標(biāo)并非單調(diào)遞減。因此，砂粒徑對(duì)沉砂量的影響較為復(fù)雜，需要深入研究。

圖7　砂粒徑不同時(shí)的沉砂量

2.3砂密度對(duì)砂沉積的影響

基礎(chǔ)計(jì)算條件不變，選取砂密度為2 500、2 650、2 800、3 000 kg/m3分別進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖8所示。

圖8　砂密度不同時(shí)的沉砂量

由圖8可以看出，沿水平管段方向，沉砂量逐漸增加至穩(wěn)定沉砂量。隨著砂密度的增加，相同位置處的沉砂量相應(yīng)增大，且穩(wěn)定沉砂量雖略有差值(0.549 4%、0.552 7%、0.553 7%、0.554 2%)，但基本一致。固體顆粒密度越大，固體顆粒也就越重，摩擦力Ff會(huì)顯著增大，大于FD增大幅度，而Fi不變[3]。砂密度越大越容易沉降，所以最大沉砂位置坐標(biāo)相應(yīng)減小，即成負(fù)相關(guān)。

2.4流速對(duì)砂沉積的影響

基礎(chǔ)計(jì)算條件不變，選取流速為0.53、1.00、1.50、2.00 m/s分別進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，隨著流速增加，沿程沉砂量逐漸增加至平穩(wěn)。當(dāng)流速增加時(shí)，對(duì)于單一砂粒的水流拖曳力FD顯著增大，呈指數(shù)增長(zhǎng)，而Fi和Ff不變，即同一砂粒越難達(dá)到受力穩(wěn)定而沉積。這說明流速越大，流體攜砂能力越強(qiáng)，砂在管道中沉積的可能性越小。因此，隨著流速增加，沉砂量逐漸減小。同一位置的砂粒在水平方向受力更大，則沉砂位置后移，即沉砂量最大位置坐標(biāo)與流速成正相關(guān)。

圖9　流速不同時(shí)的沉砂量

2.5彎管處砂沉積規(guī)律分析

為了更好的研究彎管處的砂沉積規(guī)律，取彎管段沉砂量，以彎管角度為橫坐標(biāo)得到不同參數(shù)下的彎管處沉砂量，結(jié)果如圖10-12所示。

圖10　入口彎管處的沉砂量

圖10中(a)、(b)、(c)、(d)的研究條件與2.1至2.4中的研究條件分別對(duì)應(yīng)。當(dāng)含砂量、砂粒徑、砂密度以及流速增大時(shí)，彎管處的沉砂量均先增大后減小，但是其沉砂量遠(yuǎn)小于水平段沉砂量，僅相當(dāng)于后者的1%。

圖11　沿程沉砂量云圖

沿程沉砂量云圖如圖11所示，在距入口彎管100 m的水平段明顯有薄沉砂層，而彎管處基本無法觀察到沉砂量。因?yàn)橐后w從立管處向下流動(dòng)遇到彎管產(chǎn)生速度變向，雖造成彎管壁面處流速減小(見圖12(a))，但湍流強(qiáng)度急劇增加(見圖12(b))，導(dǎo)致砂粒難于沉積;彎管內(nèi)側(cè)的砂流速極大，且壁面處湍流強(qiáng)度較大，易造成磨蝕，應(yīng)引起重視。

圖12　彎管沿程砂速度和湍流強(qiáng)度云圖

2.6參數(shù)敏感性分析

將各參數(shù)不同時(shí)的平均沉砂量進(jìn)行(分段)線性擬合，參考斜率進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。平均沉砂量隨含砂量、砂粒徑、砂密度和流速的線性擬合曲線分別見式(2)至(5)：

(2)

(3)

(4)

(5)

式(2)至(5)中y為平均沉砂量，x分別為含沙量、砂粒徑、砂密度和流速。

通過各擬合曲線的斜率，可以更直觀的看出平均沉砂量對(duì)各參數(shù)的敏感性，即兩者成正相關(guān)。對(duì)比式(2)至(5)，各參數(shù)對(duì)平均沉砂量的影響由大到小分別為含沙量、流速、砂粒徑，而砂密度影響很小。

3　出口彎管段砂沉積規(guī)律分析

與入口彎管處沉砂量極小不同，出口彎管前水平段的沉砂量基本穩(wěn)定(見圖13(a))，而彎管處的沉砂量(見圖13(b))明顯增大。如圖14所示，彎管處砂流速明顯降低，而湍流強(qiáng)度到達(dá)彎管上部直至立管段急劇增大，極易造成磨蝕。

圖13　沿程沉砂量云圖

圖14　彎管沿程砂速度和湍流強(qiáng)度云圖

3.1含砂量不同時(shí)的砂沉積規(guī)律分析

如圖15所示，在彎管前的水平管段，沉砂量基本保持穩(wěn)定，而到達(dá)彎管處時(shí)沉砂量急劇增大到最大值(穩(wěn)定沉砂量的2.0～2.5倍)又逐漸減小。但含砂量為1×10-4時(shí)，彎管處最大沉砂量急劇增加到穩(wěn)定沉砂量的10倍。含砂量越大，在彎管處受到的阻礙越大，在相同沉積概率下，向立管流動(dòng)時(shí)縱向的沉降量越大，因此彎管底部沉砂量越大。而隨著彎管向立管的過渡，因湍流強(qiáng)度逐漸增大，彎管壁面砂沉積迅速減少。

圖15　含砂量不同時(shí)的沉砂量

3.2砂粒徑不同時(shí)的砂沉積規(guī)律分析

如圖16所示，在彎管前的水平管段，沉砂量基本保持穩(wěn)定，而到達(dá)彎管處時(shí)沉砂量迅速增大至最大值(穩(wěn)定值的2.0～2.5倍)又逐漸減小至穩(wěn)定值。砂粒徑越大，相同密度下的單一顆粒重力越大，越容易沉積，則沉積量越大。與2.2中規(guī)律相似，當(dāng)粒徑大于等于50 μm時(shí)，沉砂量在相近位置達(dá)到了相近值，而粒徑為10 μm時(shí)沉砂量明顯小于較大粒徑時(shí)。因此可以說明存在臨界粒徑以減小砂沉積的影響。

圖16　砂粒徑不同時(shí)的沉砂量

3.3砂密度不同時(shí)的砂沉積規(guī)律分析

如圖17所示，在彎管前的水平管段，沉砂量基本保持穩(wěn)定，而到達(dá)彎管處時(shí)沉砂量迅速增大至最大值(穩(wěn)定值的2.0～2.5倍)又逐漸減小。砂粒徑相同時(shí)，密度越大則重力越大，越容易沉積，導(dǎo)致沉積量越大。如2.6所述，砂密度對(duì)沉砂量的影響最小，這也體現(xiàn)在了彎管處沉砂量上。

3.4流速不同時(shí)的砂沉積規(guī)律分析

如圖18所示，在彎管前的水平管段，沉砂量基本保持穩(wěn)定，而到達(dá)彎管處時(shí)沉砂量迅速增大至最大值(穩(wěn)定值的2.0～2.5倍)又逐漸減小。隨著流速增加，單一顆粒受到的升力大于彎管的阻礙作用，且湍流強(qiáng)度增大，使得砂粒更均勻的分布在液體中而難于沉積于壁面，因此沉砂量減小。

圖17　砂密度不同時(shí)的沉砂量

4　結(jié)論

本文以海上某油田的海底混輸管道為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)合理建模，并設(shè)定含砂量、砂粒徑、砂密度和流速等參數(shù)范圍，通過FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析海底管道的砂沉積規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 海管水平段的沉砂量逐漸增大并最終達(dá)到穩(wěn)定值，而在出口彎管段達(dá)到極大值，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際泄漏點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)。

(2) 海管沿程沉砂量與含砂量、砂粒徑、砂密度正相關(guān)，與流速負(fù)相關(guān)；而沉砂量最大位置規(guī)律相反，這說明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際管流情況一致。

(3) 平均沉砂量對(duì)各參數(shù)的敏感性從高到低依次為含砂量、流速、砂粒徑、砂密度。

(4) 利用彎管角度對(duì)其沉砂量進(jìn)行分析具有普遍適用性，入口彎管段沉砂量非常小，而出口彎管段沉砂量在一定時(shí)間內(nèi)急劇增加應(yīng)引起重視。

圖18　流速不同時(shí)的沉砂量

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(編輯王亞新)

Numerical Simulation of Sand Depositional Rule in Subsea Multiphase Pipeline

Zhang Wenxin, Zhou Xiaohong, Chen Hongju

(ResearchInstituteofChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100028,China)

Sand deposit will be formedinside of subsea multiphase pipeline after operating for a period of time, which will lead to diminution of passable area, reduction of inhibitor efficiency, acceleration of corrosion, and even cause the PIG block accidents. In this article, the geometrical model and physical model with field dataare set up building upon the subsea multiphase pipeline from platform A to B in a group of offshore oil and gas fields.Numerical simulations by FLUENT are performed in order to study the sand depositional rule of straight section and bend section according to the variation of parameters such as sand content, particle size, density and flow rate. The research shows that sand depositional amount is positive correlative with and content, particle size, density and negative with flow rate, and the rule of sand depositional maximum position is opposite. The sensitivity of parameters to average sand depositional amount is sand content, flow rate, particle size and density from high to low.

Depositional sands; FLUENT numerical simulation; Bbend section; Variables analysis; Depositional law

1006-396X(2016)01-0086-07

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2015-03-19

2015-04-13

張文欣(1987-)，女，碩士，工程師，從事海管工藝的設(shè)計(jì)和研究工作;E-mail：zhangwx20@cnooc.com.cn。

TE345

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.01.017