彎管中油水固三相轉(zhuǎn)相對(duì)沖刷腐蝕影響研究

姚 景，王文武

(遼寧石油化工大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

0 引言

在集輸管道中，由于油水兩相的存在，導(dǎo)致其流體的流動(dòng)參數(shù)、物性參數(shù)發(fā)生變化，管道油水含率不同，油水乳狀液的流型在水包油型和油包水型之間相互轉(zhuǎn)變，在這2種流型相互轉(zhuǎn)變過程中的臨界含水(油)率稱為轉(zhuǎn)相點(diǎn)。當(dāng)油水兩相流在轉(zhuǎn)相點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，油水的流動(dòng)特性的變化會(huì)導(dǎo)致動(dòng)量的急劇改變，分散相與連續(xù)相之間的會(huì)進(jìn)行熱量與能量的交替變化，進(jìn)而導(dǎo)致管道中的壓降以及粘度的變化。王瑋等[1]通過研究白油/稠油和水混合會(huì)發(fā)生局部轉(zhuǎn)相，比較了局部轉(zhuǎn)相壓降變化規(guī)律；Zhang等[2]研究油水兩相的轉(zhuǎn)相點(diǎn)與剪切速率的關(guān)系，研究認(rèn)為，隨著含油體積分?jǐn)?shù)增加，油水乳狀液的粘度先增大然后再減小，最后達(dá)到油相的粘度；孫杰等[3]在研究油水乳狀液發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近油水兩相對(duì)于混合流速與溫度敏感程度比較高；李傳憲等[4]研究乳狀液基本理論及其研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，配方變量、組成變量以及乳化方案是影響轉(zhuǎn)相的主要因素。以上學(xué)者對(duì)于管道中的發(fā)生轉(zhuǎn)相時(shí)的壓降變規(guī)律、粘度的特性變化、以及影響管道的發(fā)生轉(zhuǎn)相的影響因素進(jìn)行研究分析，但是對(duì)于管道中的發(fā)生轉(zhuǎn)相時(shí)，管道中的沖蝕破壞現(xiàn)象未進(jìn)行分析研究。李亮[5]、冉亞楠[6]、Pouraria[7]、Hu[8]和Lin[9]等研究了流體力學(xué)因素彎曲角度、速度、彎曲角度、曲率半徑等對(duì)于管道腐蝕破壞的影響。雖然分析研究了流體力學(xué)因素對(duì)于管道的沖蝕破壞，但未考慮管道中存在的轉(zhuǎn)相對(duì)管道壓降的影響，油水固多相流的粘度變化與管道的沖蝕速率的關(guān)系。

基于前人的研究[10-15]，模擬研究集輸管道中輸送高粘度原油混合液時(shí)，由于彎管中含水率以及入口速度對(duì)于集輸管道的中流體的轉(zhuǎn)相存在影響。本文分析了固體顆粒雜質(zhì)在混合液發(fā)生轉(zhuǎn)相時(shí)管道的沖蝕破壞情況。

1 模型建立

1.1 幾何建模與網(wǎng)格的劃分

采用120°彎管進(jìn)行模擬研究，管道由3部分組成，入口直管段L1、出口直管段L2以及彎管段L3。 彎管的管徑為D=200 mm；彎徑比為3。為了更加清楚地觀測(cè)管道中的腐蝕現(xiàn)象，L1和L2直管段10D的幾何模型如圖1所示，其網(wǎng)格示意如圖2所示。

圖1 120°彎管幾何模型示意Fig.1 120° elbow geometry model schematic

圖2 120°彎管網(wǎng)格示意Fig.2 Grid diagram of 120° elbow

1.2 計(jì)算模型的建立

1.2.1 連續(xù)相控制方程

(1)

式中：ak為第k相的體積分?jǐn)?shù)；ρk為第k相的密度，kg/m3;υk為第k相的平均速度，m/s。

1.2.2 動(dòng)量方程

(2)

1.2.3 湍流方程

(3)

(4)

式中：k為湍流動(dòng)能，J；ut為湍流粘度，pa·s；k為湍流動(dòng)能，J；ε為湍流耗散率，W/m3；Gk為由于平均速度引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；Sk，Sε為自定義無因次參數(shù)；C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2.4 離散相控制方程

DPM模型通過積分Lagrangian坐標(biāo)系下的離散顆粒的運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡。固體顆粒在兩相流中受到繞流阻力、重力、附加質(zhì)量力、壓力梯度力、Basset力、薩夫曼(Saffect)力、馬格努斯(Magnus)力等作用力，由顆粒的慣性與受力平衡，分散相顆粒的運(yùn)動(dòng)方程：

(5)

式中：up為砂粒速度,m/s；u為連續(xù)相速度，m/s；ρp為砂粒密度kg/m3；dp為砂粒直徑,μm；gy為y方向重力加速度，為9.81m/s2；Rep為相對(duì)雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)；Fy為y方向的其他作用力，包括附加質(zhì)量力、熱泳力、布朗力和Saffman升力等；在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)于球形顆粒，a1，a2，a3是常數(shù)，取值參考文獻(xiàn)[16]。

1.2.5 沖蝕理論模型

沖蝕模型采用Fluent中[17]顆粒腐蝕與沉積模型。管道壁面的腐蝕速率定義為。

(6)

式中：Rerosion為壁面腐蝕速率，kg/(m2·s)；N為碰撞顆粒數(shù)目；ma為顆粒的質(zhì)量流量，kg/s；C(da)顆粒的直徑的函數(shù)；θ為顆粒對(duì)壁面的侵入角，(°)；f(θ)為侵入角的函數(shù)；d(u)相對(duì)速度的函數(shù)，取2.6 m/s。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 轉(zhuǎn)相研究

2.1.1 材料與裝置

采用DV-T2粘度溫控一體機(jī)(上海尼潤(rùn)智能科技有限公司產(chǎn))，HJ-5多功能攪拌器60 W(江蘇金壇榮華儀器制造有限公司產(chǎn))。

實(shí)驗(yàn)油樣采用油樣為遼河油田錦州采油廠脫水原油，水為自制的蒸餾水。原油物性參數(shù)為：溫度50 ℃；原油密度為860 kg/m3；原油粘度為2 894 Pa·s。蒸餾水密度為992.22 kg/m3；粘度為0.656 mPa·s。實(shí)驗(yàn)中，溫度為別取40，50和55 ℃，含水率分別取值為20%，30%，40%，50%，60%，70%和80%。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)定原油乳狀液在不同溫度(40 ℃，50 ℃，55 ℃)，不同含水率(20%～80%)下的粘度特性曲線如圖3所示。

圖3 不同溫度的油水乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)Fig.3 Phase transition point of oil-water emulsion at different temperatures

由圖3可知，當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)，乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)含水率為40%；50 ℃時(shí)，乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)含水率為50%；55 ℃時(shí)，乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)含水率為60%附近。而且隨著溫度的升高，乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)向右移動(dòng)。

2.2 顆粒沉降實(shí)驗(yàn)

2.2.1 材料與裝置

采用聚焦光束反射測(cè)量?jī)x(FBRM-D600L)測(cè)量，加入乳狀液中的砂粒直徑在150～300 μm之間，原油密度為860 kg/m3，原油的粘度為2 894 Pa·s。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中乳狀液的剪切率為0.1 s-1，水浴溫度為50 ℃，在含水率分別為40%，50%，60%時(shí)，分別向乳狀液中逐次加入100，200，300，400顆石英砂顆粒，觀察在乳狀液中不同顆粒密度情況下，砂粒的沉降率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 乳狀液與沉降顆粒數(shù)之間關(guān)系Fig.4 The relationship between the number of particles and the number of settling particles in oil-water emulsion

由圖4可知，在含水率不同時(shí)，隨著乳狀液中的砂粒顆粒數(shù)的增加，砂粒的沉降百分比基本保持在一個(gè)定值不變，并且含水率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的沉降百分比定值低于含水率為40%和60%時(shí)對(duì)應(yīng)的沉降百分比。這是由于乳狀液在含水率為50%時(shí)，油水之間發(fā)生轉(zhuǎn)相，導(dǎo)致乳狀液中的粘度增大，包裹在乳狀液中的砂粒數(shù)目增大，因此，砂粒的沉降數(shù)目減小。

在含水率為(20%～80%)時(shí)，砂粒的沉降顆粒數(shù)目與含水率之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 含水率與乳狀液中沉降顆粒數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between moisture content and the number of settling particles in emulsion

由圖5可知，隨著含水率的增加，油水乳狀液中的砂粒的沉降數(shù)目逐漸增大，在含水率為50%瞬間減小，這是因?yàn)樵跍囟葹?0℃時(shí)，乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相，粘度瞬間增大，所以砂粒的沉降數(shù)目降低。

3 沖刷腐蝕數(shù)值模擬

3.1 邊界條件和計(jì)算方法

管道中流體的為油水固三相，在輸送溫度下輸送油品，其中原油密度為860 kg/m3，原油的粘度為2 894 Pa·s。管道中顆粒密度為2 500 kg/m3，顆粒直徑為150 μm，入口顆粒質(zhì)量濃度為30 g/m3。由于介質(zhì)的流速比較大，所以采用Reynolds時(shí)均方程的RNG湍流模型。彎管中含油率在20%～80%之間變化，入口采用VELOCITY-INLET(速度入口)，壁面粗糙度為10 μm，粗糙常數(shù)為0.5；湍流強(qiáng)度為5%；出口采用PRESSURE-OUTLTET(壓力出口)。動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能方程、容積率和湍動(dòng)能耗散率等采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法求解。

為了便于研究，作如下假設(shè)：

1)管道中流體中所含粒子之間相互獨(dú)立，且為均勻的球形，忽略粒子之間的相互作用；

2)流體為穩(wěn)定的流動(dòng)，流體是充滿整個(gè)管道的；

3)不考慮溫度變化對(duì)流場(chǎng)的影響；

4)固體顆粒形狀為球形的砂粒，且固體顆粒運(yùn)動(dòng)為無旋運(yùn)動(dòng)；

5)管道的材料為碳鋼；

6)彎管的彎角為120°，且保持同一個(gè)曲率半徑，彎管的橢圓度忽略不計(jì)。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

以直徑為200 mm的彎管為例，網(wǎng)格的關(guān)系曲線與最大腐蝕速率如圖6所示。

圖6 最大腐蝕速率與網(wǎng)格數(shù)量之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum corrosion rate and mesh number

由圖6可知，在網(wǎng)格數(shù)比較少的情況下，最大沖腐率隨著網(wǎng)格的數(shù)目增多波動(dòng)比較大，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到4.5×105后，最大腐蝕速率趨于穩(wěn)定；在考慮計(jì)算內(nèi)存以及模擬效果等條件下選用網(wǎng)格數(shù)為4.5×105。

3.2.2 管道中流型變化

為了進(jìn)一步驗(yàn)證油水混合液流經(jīng)彎管時(shí)轉(zhuǎn)相的存在，對(duì)彎管處的流型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬條件為流速為0.8 m/s，含水率分別為30%，45%，80%，管道中流型變化如圖7所示。

圖7 不同含水率下120°彎管的流型Fig.7 Flow chart of different moisture content at 120° elbow

由圖7可知，在油水的混合速度為0.8 m/s、溫度一定的條件下，隨著含水率的變化，管道中乳狀液的流型為油包水(W/O)、乳狀液、水包油(O/W)之間變化。造成這種現(xiàn)象原因是：管道的混合液中含水率增大時(shí)，導(dǎo)致的界面張力的減小而引起的轉(zhuǎn)相現(xiàn)象。

3.2.3 不考慮轉(zhuǎn)相沖蝕速率與含水率、速度關(guān)系

1)含水率對(duì)沖蝕速率的影響

管道中的原油乳狀液在入口速度不同的條件下，含水率與管道壁面的沖蝕速率關(guān)系模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 含水率與沖蝕速率關(guān)系曲線Fig.8 Water content and erosion rate curve

由圖8可知，管道的含水率與沖蝕速率近似線性關(guān)系，且管道壁面的腐蝕速率隨著入口速度增大而增大，當(dāng)入口速度大于1.2 m/s時(shí)，管道的沖蝕速率快速增加。

2)入口速度的影響

含水率不同的條件下，入口速度與管道壁面的沖蝕速率模擬結(jié)果見如圖9。

圖9 入口速度與蝕速率關(guān)系曲線Fig.9 Entrance speed and erosion rate curve

由圖9可知，入口速度為0.4 ～0.6 m/s時(shí)，管道的腐蝕速率急劇增加；入口速率為0.6 ～1.2 m/s時(shí)，腐蝕速率平穩(wěn)變化；入口速率大于1.2 m/s時(shí)，腐蝕速率又急劇變化。因此，從沖蝕的角度來看，高粘油集輸管道流速應(yīng)控制在0.8～1.2 m/s為宜。

3.2.4 考慮轉(zhuǎn)相沖蝕速率與含水率、速度關(guān)系

1)含水率對(duì)沖蝕速率的影響

在混合液溫度為50 ℃時(shí)，根據(jù)顆粒沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖5)，不同的混合速度下，乳狀液中含水率與管壁沖蝕速率之間的關(guān)系模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同混合速度下油水固三相管流沖蝕速率與含水率的關(guān)系Fig. 10 Relationship between erosion rate and moisture content of oil, water, solid, and three-phase flow under different inlets

由圖10可知，在管道混合液的含水率為40%～60%之間時(shí)，管道中的沖蝕速率先減小后增大，出現(xiàn)峰值。造成這一現(xiàn)象的原因是：含水率為50%左右時(shí)，管道中混合液發(fā)生轉(zhuǎn)相，即乳狀液由W/O變?yōu)镺/W，其粘度劇增，導(dǎo)致包裹在乳狀液中的砂粒數(shù)目增多。根據(jù)斯托克斯方程可知，當(dāng)乳狀液中的粘度增大時(shí)，砂粒的沉降速率減小；由于乳狀液流體在管道中發(fā)生流向的變化和受到離心力的作用，砂粒更加不易沉降。因此，砂粒與管道壁接觸數(shù)目減小，乳狀液中砂粒對(duì)管壁的沖蝕速率減弱。說明當(dāng)流體轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近輸送時(shí)，管壁磨損程度減小。

2)入口速度的影響

管道中油品的輸送溫度為50°時(shí)，不同的含水率下，乳狀液中入口速度與沖蝕速率之間的關(guān)系如圖11所示。

圖11 不同含水率下油水固三相管流沖蝕速率與入口速度的關(guān)系Fig.11 Relationship between erosion rate and inlet velocity of oil, water and solid three-phase flow at different water cuts

由圖11可知，當(dāng)管道中含水率為50%時(shí)腐蝕速率反而比較低，這是由于在管道中含水率為50%時(shí)管道中發(fā)生轉(zhuǎn)相導(dǎo)致管道中的粘度增大，裹挾在乳狀液中的顆粒增多，砂粒對(duì)于管道的磨損減小；并且隨著混合速度的增大管道磨損程度增大。

3.2.5 轉(zhuǎn)相與不轉(zhuǎn)相對(duì)比分析

轉(zhuǎn)相與不轉(zhuǎn)相情況下，在不同含水率取值下，沖蝕速度隨入口速度變化情況如圖12所示；在不同入口速度取值下，沖蝕速度隨含水率變化情況如圖13所示。

圖12 不轉(zhuǎn)相和轉(zhuǎn)相乳狀液的沖蝕速率對(duì)比分析Fig.12 Comparative Analysis of Erosion Rates of Non-inverted and Phase-conversion Emulsions

圖13 不轉(zhuǎn)相和轉(zhuǎn)相乳狀液的沖蝕速率對(duì)比分析Fig.13 Comparative analysis of erosion rate of non-inverted phase and phase inversion emulsion

由圖12可知，沖蝕速率隨著管道中入口速度的增大而增大。當(dāng)管道中發(fā)生轉(zhuǎn)相時(shí)，管道混合液的含水率在40%～60%時(shí)，管道的腐蝕速先緩慢然后在急劇增加，然后趨于穩(wěn)定；當(dāng)管道中無轉(zhuǎn)相現(xiàn)象存在時(shí)，管道的腐蝕速率先急劇增大，再穩(wěn)定增加，然后急劇增大。

由圖13可知，當(dāng)管道中存在轉(zhuǎn)相現(xiàn)象時(shí)，管道的腐蝕速率出現(xiàn)峰值。這是由于管道中的多相流中油水兩相發(fā)生轉(zhuǎn)相，導(dǎo)致管道中的混合液粘度增大，進(jìn)而裹挾在油水乳狀液中的顆粒雜質(zhì)的增多，沉降率減小所致；而無轉(zhuǎn)相現(xiàn)象的管道的腐蝕速率，隨著入口的含水率增大而增大，近似為線性關(guān)系，這是由于管道中的顆粒雜沉降數(shù)目增加，與管道的摩擦加劇，導(dǎo)致管道的磨損加大。

4 結(jié)論

1)集輸管道中輸送的高粘原油的轉(zhuǎn)相點(diǎn)與溫度有關(guān)，溫度越高，乳狀液發(fā)生轉(zhuǎn)相時(shí)的含水率越高；而其中的固體顆粒雜質(zhì)，隨著含水率的增大，乳狀液中的砂粒的沉降數(shù)目也逐漸增大。

2)高粘原油乳狀液在集輸管道中輸送時(shí)，當(dāng)無轉(zhuǎn)相發(fā)生時(shí)，隨著管道中的入口混合速度的增大，管道壁面的沖蝕速率增大；從減小沖蝕的角度來看，高粘油集輸管道流速應(yīng)控制在0.8～1.2 m/s為宜；當(dāng)有轉(zhuǎn)相的發(fā)生時(shí)，隨著管道中入口混合速度的增大，管道壁面的沖蝕速率增大，但總體小于不考慮轉(zhuǎn)相時(shí)的沖蝕速率，且在含水率為50%時(shí)，管道壁面的沖蝕速率最小。

3)對(duì)于集輸管道中輸送的高粘原油乳狀液，當(dāng)集輸管道中無轉(zhuǎn)相發(fā)生時(shí)，隨著管道中含水率與入口混合速度的增大，管道的沖蝕速率增大；當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)相時(shí)，沖蝕速率總體減小，且在含水率為50%時(shí)出現(xiàn)最小峰值，主要是由于轉(zhuǎn)相發(fā)生時(shí)，乳狀液的粘度劇增，管道中油品中包裹的顆粒數(shù)目增多，管道沖蝕速率明顯減小。

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