固體雜質(zhì)對輸油管道彎頭的沖刷腐蝕仿真研究

徐哲軼

（上海浦東機場航空油料有限公司，上海 300300）

輸油管道偶爾會攜帶固體污染物顆粒，顆粒撞擊管壁使表面材料變形或剝離的過程稱為沖蝕。除了管壁材料的物理損耗外，固體顆粒的沖蝕可能會損壞管道內(nèi)防腐涂層，去除內(nèi)表面的化學緩蝕劑，使管壁金屬材料暴露失去防護，可能導致石油管道加速退化，為此付出的代價極高。管道沖蝕仿真對于設(shè)計、優(yōu)化和診斷來說具有重要作用。

管道沖蝕已有一定研究。宋曉琴等采用CFD 仿真軟件模擬輸氣管道中90°彎頭沖蝕磨損失效問題，研究了壓力、流速、顆粒大小等因素對結(jié)果的影響。許留云等采用Fluent對管道沖蝕情況進行了仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，在彎頭處設(shè)置流片，管道的沖蝕速率會降低，且導流片距離彎管內(nèi)側(cè)壁面為0.36D 時效果最好。曹學文等闡述了利用管流式試驗裝置進行固體顆粒對油氣管道的沖蝕試驗的新方法。崔子梓等利用數(shù)值分析的方法研究了油氣管道中氣固和液固兩種情況下的沖蝕現(xiàn)象，分析了管徑、彎徑比、彎曲角度等因素與最大腐蝕速率的關(guān)系，并進行了實驗驗證。為了進一步研究固體雜質(zhì)對輸油管道彎頭的沖刷腐蝕問題，本文采用三種不同的沖蝕模型，利用COMSOL 對含砂石油對管道彎頭的沖蝕磨損情況進行分析。

1 物理模型

彎頭模型由2 個直圓柱形管段組成，每個管段長度為500mm，直徑為200mm，通過90°管道彎頭相連。忽略石油的可壓縮性。假設(shè)管道中固體雜質(zhì)的輸送速率為0.6kg/h，顆粒直徑均為0.17mm，屬性如表1 所示。

表1 粒子屬性

2 數(shù)學模型

管道中的流體滿足動量守恒方程和連續(xù)性方程。選用多相流混合物模型，其所滿足的磨損速率表達式如下所示：

式中，W 為體積磨損，m3；rp為粒子半徑，m；n 為速度指數(shù)，其中n=2.54；up為粒子速度，m/s；ρp粒子密度，kg/m3； Rf為形狀因子；σ 為塑性流動應(yīng)力，Pa；α 為沖擊角，r/min。

忽略模型常數(shù)，得相對磨損率E：

3 結(jié)果與討論

3.1 不同模型的腐蝕速率

使用Finnie、DNV 和E/CRC 三種不同的沖蝕模型計算管道彎頭表面的沖蝕磨損率，結(jié)果如圖1 所示。結(jié)果顯示在Finnie、DNV 兩種沖蝕模型下，其最大腐蝕速率均為2.5×10-8kg/(m2·s)，兩種模式下腐蝕速率基本相同。E/CRC 模型下最大腐蝕速率均為1.2×10-8kg/(m2·s)，約為Finnie、DNV 兩種沖蝕模型下的50%。

圖1 沖蝕磨損率

3.2 入口流速對沖蝕的影響

本文模擬分析了入口流速分別為1m/s、3m/s、5m/s 時含砂石油對管道彎頭的沖蝕磨損情況。不同流速下的模型中心截面的流線分布如圖2 所示，管道內(nèi)石油速度分布云圖如圖3 所示。

圖2 不同入口流速下流線分布圖

圖3 不同入口流速下流速分布圖

由圖2、3 可見，流體在彎管45°附近處速度達到最大值，同時隨著石油進入彎管時速度的增大，彎管中石油的最大速度值也隨之增大，且最大值均大于入口速度，最大流速與入口速度之差也越來越大。這是由于石油在管道中流動時遇到彎管后石油的流向會突然改變，同時流動的石油受到慣性力的影響，流速也會因此發(fā)生變化。

當改變石油入口速度時，彎頭壁面所受的應(yīng)力也會發(fā)生變化，如圖4 所示。

圖4 不同入口流速下壁面應(yīng)力分布圖

由圖4 可知，入口流速為1m/s、3m/s、5m/s 時彎管均在附近壁面剪切應(yīng)力達到最大值，這時因為管道中的石油在流向開始發(fā)生變化，所以此時流體對壁面作用力較大。隨著石油入口速度的增加，壁面的剪切應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系增加。

4 結(jié)語

（1）Finnie、DNV 和E/CRC 三種不同的沖蝕模型的仿真模擬結(jié)果表明，磨損速率最快的均是直角拐彎處；

（2）模型中石油在彎管45°附近速度達到最大值，這個結(jié)果不受隨入口速度的影響。隨著管道中石油入口速度的增加，最大流速與流體入口速度之差越來越大；30°附近壁面剪切應(yīng)力最大，隨著流體速度的增加，壁面的剪切應(yīng)力也隨之呈指數(shù)關(guān)系增加。