氣固兩相流管道沖蝕規(guī)律研究

曹輝祥,陳小榆,徐婧源

(1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500) (2.中國(guó)石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川 成都 610213)

沖蝕磨損一般是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)物體表面進(jìn)行沖擊發(fā)生材料損耗的一種現(xiàn)象或過(guò)程。沖蝕磨損廣泛存在于機(jī)械、能源及運(yùn)輸?shù)仍S多工業(yè)部門(mén)，已成為引起設(shè)備失效或材料破壞的一個(gè)重要原因。

為有效控制和減少?zèng)_蝕磨損造成的損耗，提高設(shè)備和材料的使用壽命，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究[1-2]，一些學(xué)者根據(jù)不同機(jī)理模擬和試驗(yàn)提出了大量的沖蝕理論和模型[2-9]；一些學(xué)者主要研究了不同沖蝕因素下管道沖蝕速率，提出了包含不同因素的沖蝕率預(yù)測(cè)方程[10-15]；一些學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬著重分析了顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡并提出了彎管抗沖蝕優(yōu)化措施[16-17]。

由于材料沖蝕特性的復(fù)雜性，目前尚未形成普遍適用的沖蝕機(jī)理來(lái)判定材料受沖蝕程度，現(xiàn)場(chǎng)管道受沖蝕影響而導(dǎo)致管壁嚴(yán)重減薄和穿孔現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，為此以現(xiàn)場(chǎng)管道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可檢測(cè)的工藝參數(shù)分析了氣固兩相流管道受沖蝕規(guī)律，并提出一種氣動(dòng)防磨的管道結(jié)構(gòu)，以期為現(xiàn)場(chǎng)掌握管道沖蝕規(guī)律、有效減緩受沖蝕程度提供參考。

1 氣固兩相流管道沖蝕模擬

1.1 氣固兩相流管道沖蝕模型

1.1.1氣相方程

管道內(nèi)為氣固兩相流，氣相作為連續(xù)相，其相控制方程如下：

(1)

(2)

式中：ρ為氣相密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；vi,vj為氣相速度分量，m/s；xi,xj為空間坐標(biāo)，i≠j；p為壓力，Pa；τij為應(yīng)力張量；ρgi為重力分量，N；SD為顆粒相對(duì)連續(xù)相作用的附加源項(xiàng)。

1.1.2固相方程

固相作為離散相，假設(shè)顆粒為非規(guī)則球形，顆粒碰撞不會(huì)造成管道變形。固體顆粒的受力方程如下：

(3)

式中：vp為顆粒速度；vf為氣相速度；ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑；Res為相對(duì)雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)；gy為y軸方向的重力加速度；Fx為x軸方向的其他作用力，包括虛擬質(zhì)量力、壓力梯度力等；a1，a2，a3為系數(shù)，取值見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18]；μ為氣體黏度，Pa·s。

1.1.3模型建立與求解

現(xiàn)場(chǎng)氣固兩相流管道通常由管段和閥門(mén)組成，彎管均為90°直角彎管，生產(chǎn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)控制流體速度。為模擬管道在氣固兩相流作用下的沖蝕行為，基于有限元方法，利用FLUENT軟件建立了氣固兩相流管道沖蝕模型。

根據(jù)實(shí)際工況，確定建模條件：固體顆粒直徑20μm，形狀系數(shù)0.8，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度30%(即調(diào)節(jié)閥流通面積約占管道流通的13%)，管徑DN100(D14.3mm×4.5mm)，氣體流量分別取200×104N·m3/d、250×104N·m3/d和300×104N·m3/d，固體量分別取2.0kg、3.0kg和6.5kg，壓力為1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa、3.5MPa、4.0MPa和4.5MPa。

利用FLUENT軟件對(duì)氣固兩相流管道進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型采用RNGk-ε模型，使用三維隱式分離求解器，控制方程的離散相采用有限單元體積法；流-固耦合采用SIMPLE算法，利用歐拉法對(duì)氣相進(jìn)行求解，利用拉格朗日法對(duì)通過(guò)流場(chǎng)的固體顆粒進(jìn)行跟蹤，通過(guò)對(duì)氣固兩相流管道進(jìn)行多工況下沖蝕模擬確定了氣固兩相流管道沖蝕最嚴(yán)重部位，得到了各工藝參數(shù)對(duì)氣固兩相流管道最大沖蝕率和顆粒沉積密度的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，降低沖蝕率。

1.2 沖蝕模擬計(jì)算

1.2.1沖蝕最嚴(yán)重部位確定

通過(guò)對(duì)不同氣體流量、不同壓力和不同固體量條件下的沖蝕模擬，圖1～圖3列出了部分沖蝕云圖，得到氣固兩相流管道沖蝕最嚴(yán)重部位。

圖1 固體量3.0kg、壓力2.0MPa時(shí)，不同氣體流量下的沖蝕速率云圖

圖2 氣體流量300×104N·m3/d、壓力4.0MPa時(shí)，不同固體量下的沖蝕速率云圖

圖3 氣體流量300×104N·m3/d、固體量6.5kg時(shí)，不同壓力下的沖蝕速率云圖

從圖1～圖3可以看出，閥后彎管是沖蝕最嚴(yán)重部位，且沖蝕最嚴(yán)重部位不隨工況參數(shù)變化而移動(dòng)。這是因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用，使得閥后流體壓力降低，流速增大，從而使得閥后彎管沖蝕較閥前彎管更為嚴(yán)重。

1.2.2最大沖蝕率和顆粒沉積密度變化規(guī)律分析

對(duì)不同氣體流量、不同壓力和不同固體量條件下進(jìn)行沖蝕模擬。

1.2.2.1氣體流量的影響規(guī)律

對(duì)一定壓力和固體量下、不同氣體流量對(duì)應(yīng)的氣固兩相流管道最大沖蝕率和顆粒沉積密度模擬進(jìn)行規(guī)律分析，如圖4，5所示。

從圖4，5可以看出，不同固體量和壓力下，最大沖蝕率和顆粒沉積密度隨氣體流量變化的趨勢(shì)相同，即在壓力和固體量一定的前提下，隨著氣體流量增加，最大沖蝕速率增大，顆粒沉積密度減小。

圖4 一定壓力和固體量下，最大沖蝕率隨氣體流量變化曲線(xiàn)

圖5 一定壓力和固體量下，顆粒沉積密度隨氣體流量變化曲線(xiàn)

1.2.2.2壓力的影響規(guī)律

對(duì)一定氣體流量和固體量下、不同壓力對(duì)應(yīng)的氣固兩相流管道最大沖蝕率和顆粒沉積密度模擬進(jìn)行規(guī)律分析，如圖6，7所示。

圖6 一定氣體流量和固體量下，最大沖蝕率隨壓力變化曲線(xiàn)

圖7 一定氣體流量和固體量下，顆粒沉積密度隨壓力變化曲線(xiàn)

從圖6，7可以看出，不同氣體流量和固體量下，最大沖蝕率和顆粒沉積密度隨壓力變化的趨勢(shì)相同，即在氣體流量和固體量一定的前提下，隨壓力增加，最大沖蝕速率減小，顆粒沉積密度增大。

1.2.2.3固體量的影響規(guī)律

對(duì)一定氣體流量和壓力下、不同固體量對(duì)應(yīng)的氣固兩相流管道最大沖蝕率和顆粒沉積密度模擬進(jìn)行規(guī)律分析，如圖8，9所示。

圖8 一定氣體流量和壓力下，最大沖蝕率隨固體量變化曲線(xiàn)

圖9 一定氣體流量和壓力下，顆粒沉積密度隨固體量變化曲線(xiàn)

從圖8,9可以看出，不同氣體流量和壓力下，最大沖蝕率和顆粒沉積密度隨固體量變化的趨勢(shì)相同，即在氣體流量和壓力一定的前提下，隨著固體量的增加，最大沖蝕速率增大，顆粒沉積密度增大。

1.2.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上述分析可知，一方面彎管內(nèi)部流線(xiàn)的急速折轉(zhuǎn)和流動(dòng)截面積的變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)角區(qū)域流體速度集中、速度梯度變大和湍流度增大，使得彎管沖蝕程度大于直管段；另一方面，受調(diào)節(jié)閥節(jié)流降壓作用影響，閥后流體壓力降低，流速增大，因而調(diào)節(jié)閥后彎管是氣固兩相流管道受沖蝕最嚴(yán)重部位。為緩解閥后彎管沖蝕程度，對(duì)閥后彎管進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：將彎管改為盲三通結(jié)構(gòu)，并通過(guò)沖蝕模擬驗(yàn)證了優(yōu)化效果。圖10,11分別給出了改進(jìn)前后氣固兩相流管道物理模型，即氣體流量200×104N·m3/d、壓力2.0MPa、固體量3.0kg工況下改進(jìn)前后管道沖蝕速率云圖。

以氣體流量200×104N·m3/d、固體量3.0kg、壓力分別為2.0MPa、3.5MPa和4.5MPa設(shè)置3種工況，分別計(jì)算并對(duì)比了兩種結(jié)構(gòu)型式下氣固兩相流管道最大沖蝕率。見(jiàn)表1。

圖10 改進(jìn)前后氣、固兩相流管道物理模型

圖11 200×104N·m3/d、壓力2.0MPa、固體量3.0kg工況下沖蝕速率云圖表1 閥后彎管優(yōu)化前后管道最大沖蝕率對(duì)比結(jié)果

工況優(yōu)化前最大沖蝕速率/(10-4kg·m-2·s-1)優(yōu)化后最大沖蝕速率/(10-4kg·m-2·s-1)最大沖蝕率降低比例/%10.510.2551.920.190.0952.630.130.0746.2

從表1可以看出，將閥后彎管改進(jìn)為盲三通結(jié)構(gòu)，管道最大沖蝕率降低約50%，這是由于盲三通結(jié)構(gòu)使相對(duì)于流體的流動(dòng)方向存在一個(gè)“空腔”，空腔通過(guò)對(duì)流場(chǎng)的干擾作用形成流體密集堆積區(qū)，使堆積的固體顆粒代替彎管承受流體沖擊，從而減小了流體對(duì)管壁的沖蝕。

2 結(jié)論

1)對(duì)于含節(jié)流元件的氣固兩相流管道，調(diào)節(jié)閥后彎管是沖蝕最嚴(yán)重部位，且沖蝕最嚴(yán)重部位不隨工況變化而改變。

2)最大沖蝕率和顆粒沉積密度隨氣體流量、壓力和固體量的變化規(guī)律是：隨著氣體流量增加，最大沖蝕速率增大，顆粒沉積密度減小；隨壓力升高，最大沖蝕速率減小，顆粒沉積密度增大；隨著固體量增加，最大沖蝕速率增大，顆粒沉積密度增大。

3)對(duì)于含節(jié)流元件的氣、固兩相流管道，將調(diào)節(jié)閥后彎管改為盲三通結(jié)構(gòu)，管道最大沖蝕率降低約50%，有效起到了氣動(dòng)防磨效果。