輸油管道低洼處水?dāng)y雜質(zhì)規(guī)律研究

劉兵　江國(guó)業(yè)　陳穗豐

【摘 要】管道安全對(duì)石油輸送至關(guān)重要，尤其對(duì)于海上石油輸送，砂粒雜質(zhì)堵塞管道的情況時(shí)有發(fā)生。為此，本文通過對(duì)管道低點(diǎn)處沉積的雜質(zhì)為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。本文選用歐拉-歐拉模型，湍流模型為Realizable k-？著，模擬結(jié)果表明水流速對(duì)管道彎管處雜質(zhì)清除具有很大的影響，當(dāng)水流速v<0.3m/s時(shí)，顆粒雜質(zhì)在彎管處出現(xiàn)沉積，影響了管道運(yùn)輸安全。流速低，攜帶泥沙的能力有限。

【關(guān)鍵詞】低點(diǎn)；流速；雜質(zhì)沉積；彎管；攜帶能力

The research about ability of water carry impurities at The Low-lying place in oil pipe

LIU Bing1 JIANG Guo-ye1 CHEN Sui-feng2

（1.Civil Aviation University of China Tianjin 300300，China；

2.Suian Cleaning and Protection Engineering Co.， Ltd，Dongguan Guangdong 523000，China）

【Abstract】The safety of Pipeline is very important for the transportion of oil， especially for seaborne oil transportation， it often occur that Pipeline was blocked by sand。Therefore， this article research the deposition of sand in low pipeline and analyse the law of the impurities motion through the method of numerical simulation。this article selects the euler-euler model，turbulence model is Realizable，the results show that the water velocity has a great influence on clearing away the impurity elbow at the bend，when the water velocity v < 0.3 m/s， the impurity particles deposits at the bend，which affects the safety of pipeline transport， The ability of low flow velocity is finite 。

【Key words】Low-point； Velocity； Impurity deposition； Bend； Carrying capacity

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至 2004 年底，蘭成渝管道[1]因雜質(zhì)堵塞干線過濾器、減壓閥等設(shè)備造成的停輸事故占總停輸事故量的 90%以上。而對(duì)于管道低點(diǎn)處，雜質(zhì)的沉積情況更加嚴(yán)重。截至2008年6月某海底管道發(fā)生故障[2]，管道有明顯的泥沙沉積現(xiàn)象，砂沉積厚度最大處為彎管的低點(diǎn)，厚度約為7mm。文章通過沉積砂對(duì)緩蝕效率等的影響分析，沉積物的堆積不僅直接影響緩蝕劑的緩蝕效率，同時(shí)也為SRB的生長(zhǎng)提供有利環(huán)境，會(huì)加速海底管道腐蝕，當(dāng)內(nèi)管發(fā)生腐蝕后，內(nèi)管物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)外管環(huán)空，造成與環(huán)空空隙內(nèi)的氧氣結(jié)合， 引起H2S及微生物和內(nèi)管外壁間的縫隙腐蝕。綜上所述，管道低點(diǎn)處雜質(zhì)沉積不僅對(duì)管道增加了管道的摩阻損失，而且成為腐蝕管道比較嚴(yán)重的地方，嚴(yán)重影響了石油運(yùn)輸安全[3]以及油品質(zhì)量。所以，管道低點(diǎn)處雜質(zhì)的清理工作迫在眉睫。

為此，本文通過模擬，根據(jù)管輸油品自身具有一定的沖刷攜帶能力，利用上游來流將管道低點(diǎn)處雜質(zhì)混合物攜帶出去，本研究既可減輕管道的內(nèi)腐蝕，又能減少阻塞事故。綜上所述，研究油流排除管中雜質(zhì)對(duì)保障成品油管道的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的價(jià)值。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文選取DN273的鋼管為實(shí)驗(yàn)管道，分為前半段、彎管段、傾斜段三部分組成，其中前半段、傾斜段為3000mm，如圖1，以上傾角為45°為例作圖。

圖1 彎角為45°管道幾何模型

1.2 數(shù)值模型建立

1.2.1 基本方程

本文采用歐拉-歐拉模型進(jìn)行分析，流體中含有水和砂粒，因此，基本方程需要分別考慮兩相[4]。

顆粒相的連續(xù)方程（ρ1α1）+？犖·（α1ρ1V1）=m12-α1

水相的連續(xù)方程（ρ2α2）+？犖·（α2ρ2V2）=m21-α2

式中V1和V2為各相速度；m12和m21為兩相之間質(zhì)量傳遞。

動(dòng)量守恒方程

水相的動(dòng)量守恒方程

（αρV）+？犖·（αρVV）=-α？犖ρ+？犖·？子+αρg+K（V2-V1）

？子=α？滋（？犖V+？犖V）

顆粒相的動(dòng)量守恒方程

（αρV）+？犖·（αρVV）=-α？犖ρ-？犖ρ+？犖·？子+αρg+K（V-V）

？子=α？滋（？犖V+？犖V）+α？姿-？滋？犖·V

式中，？姿為體積粘度；？滋為剪切粘度；P為壓力（Pa）；g為重力加速度；k12為液固傳遞系數(shù)；為粘度；？子為剪切應(yīng)力。

1.2.2 模型參數(shù)

本文選取的主流體為水，密度為1000kg/m3，粘度為0.00103，顆粒選取密度為2650kg/m3的砂粒。管道入口采用速度入口，管道出口采用的自由出口，壓力-速度耦合方式采用SIMPLE方式，壁面采用無滑移邊界條件，湍流模型選用Realizable k-ε，為了消除邊界處的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法對(duì)模型進(jìn)行處理。

通過 fluent中patch功能對(duì)顆粒相進(jìn)行定義，體積分?jǐn)?shù)為0.63。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

為研究顆粒雜質(zhì)在不同水流速條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本文對(duì)水速度為0.05m/s、0.3m/s、0.5/s、0.8m/s、1.0m/s、1.5m/s進(jìn)行模擬，然后?。?1000，-133.5，0）與（300，-133.5，0）之間連線上顆粒體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行作圖，如圖a、b、c、d，分析不同流速對(duì)顆粒的攜帶能力。

由圖a可以看出，當(dāng)水速度v>0.8m/s時(shí)，基本所有顆粒是一直向前運(yùn)動(dòng)的，而當(dāng)v<0.8m/s時(shí)，在邊緣的部分顆粒會(huì)因流體的旋流運(yùn)動(dòng)向后移動(dòng)，這主要說明此水流速下流體的攜帶能力受到限制。隨時(shí)間的推移，v>0.5m/s時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)一直向前，v=0.05m/s時(shí)，在x<-800的地方，顆粒體積分?jǐn)?shù)在0.63左右，幾乎不變，說明由于此時(shí)水?dāng)y砂能力太弱，此時(shí)，顆粒出現(xiàn)沉積現(xiàn)象。如圖2，v=0.05m/s，時(shí)間分別為30s和600s時(shí)，低點(diǎn)處雜質(zhì)的分布狀態(tài)。從圖中我們可以看出，此流體速度下，低點(diǎn)處顆粒雜質(zhì)在彎管處停止前進(jìn)了，此時(shí)水?dāng)y帶能力不足以抵消顆粒受到的阻力，在此流速下，顆粒出現(xiàn)沉積，對(duì)管道運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)重影響。

從圖a-d可以看出，對(duì)于v=0.05m/s時(shí)，顆粒層是先部分向后運(yùn)動(dòng)，然后當(dāng)t=16s后，顆粒層又開始向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)主要是因?yàn)楫?dāng)流體開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒之間水很少，顆粒之間的黏結(jié)力很大，此時(shí)部分顆粒層不能隨著水運(yùn)動(dòng)而向前運(yùn)動(dòng)，但受到水旋流的作用會(huì)向后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)水繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，顆粒之間參透進(jìn)去水，顆粒之間的力減弱，水的攜帶力足以抗衡顆粒受到的阻力，顆粒層隨著流體向前運(yùn)動(dòng)。但由于水?dāng)y帶能力有限，顆粒層運(yùn)動(dòng)的比較緩慢。但隨著時(shí)間的推移，彎管低點(diǎn)處顆粒雜質(zhì)會(huì)被慢慢攜帶走，如圖4、5，v=0.5m/s，t=30s、600s時(shí)顆粒雜質(zhì)變化規(guī)律。從圖中我們可以看到，顆粒比較多時(shí)，顆粒層運(yùn)動(dòng)的比較快，此時(shí)，主要是因?yàn)轭w粒層較厚，而管道中水速度服從拋物線原則，越往中心，流速越大，因此受到的攜帶力也越大，由于顆粒之間也存在黏結(jié)力等，所以顆粒層會(huì)一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)管道中顆粒較少時(shí)，受到的攜帶力有限，此時(shí)顆粒就比較難被攜帶出去。

從圖a-d我們可以看到，但顆粒群運(yùn)動(dòng)到x=0處時(shí)，顆粒體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)先減小后變大的趨勢(shì)。此時(shí)主要是因?yàn)轭w粒群受到彎管的作用，顆粒不僅受到水平管中的阻力，還要克服重力等力向下的分力，受到的阻力加大，顆粒在此處最容易沉積，與文獻(xiàn)[5]結(jié)果比較吻合。

從圖a-d我們可以看到，隨著速度的變大，水的攜帶能力變化是非常大的。當(dāng)v<0.5m/s時(shí)，有分界點(diǎn)。隨著速度越小，在彎管處受到的阻力影響越嚴(yán)重，顆粒越容易沉積。當(dāng)流體流速達(dá)到1.5m/s時(shí)，彎管處顆粒雜質(zhì)30s時(shí)就可以被沖走。從圖中可以看出，當(dāng)流速0.8 m/s

3 結(jié)論

（1）不同的水流速對(duì)管道低點(diǎn)彎管處顆粒雜質(zhì)的影響非常大，在v<1.0m/s，流體對(duì)顆粒的攜帶能力有限。

（2）當(dāng)水的流速v<0.3m/s時(shí)，顆粒層不能繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，顆粒雜質(zhì)在管道低點(diǎn)彎管處出現(xiàn)沉積現(xiàn)象。

（3）隨著時(shí)間的推移，即使v=1.5m/s，低點(diǎn)彎管處還是有少量的雜質(zhì)出現(xiàn)沉積。

【參考文獻(xiàn)】

[1]高庭禹，張?jiān)鰪?qiáng).蘭成渝成品油管道內(nèi)雜質(zhì)的成因及對(duì)策[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（10）52-54.

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[4]Fluent Inc.， Fluent 6.0 Tutorial Guide[Z].Dec.，2001.

[5]張文欣，周曉紅，陳宏舉.海底管道砂沉積模擬研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2016，29（1）.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]