多因素影響下Y 型管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)數(shù)值模擬研究

楊文 李建良 劉剛

1中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司華南分公司

2中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司

3中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)分公司

管道是當(dāng)今工業(yè)最常見(jiàn)的五大運(yùn)輸工具之一，作為一種特種設(shè)備在運(yùn)送液體、氣體和漿液等方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)，尤其在石油、化工及天然氣等產(chǎn)業(yè)中具有不可替代的作用。Y 型管道在油氣集輸管網(wǎng)中應(yīng)用比較廣泛，在油氣輸運(yùn)過(guò)程中，由于入口、出口流量、管徑等不同，會(huì)使管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生明顯變化；尤其是在三條管路的連接處，其壓力外部與直管段明顯不同，可能會(huì)存在較大的剪切力，導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。

目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者分析了管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)管體腐蝕的影響。陳志靜等[1]借助CFD 軟件發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體的流態(tài)發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)位置處的腐蝕程度將增大。杜強(qiáng)等[2]對(duì)油氣管線(xiàn)彎管處固液兩相流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其腐蝕做出預(yù)測(cè)，得出管道彎管處流場(chǎng)變化復(fù)雜是引起腐蝕的主要原因[3]。曾莉[4]、胡躍華[5]、胡宗武[6]先后對(duì)管道沖刷磨損機(jī)理和流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，揭示了管道彎管處的沖刷磨損機(jī)制，并提出典型管件預(yù)防沖刷磨損的有效措施。本文借助CFD 軟件[7-9]，對(duì)油氣集輸管網(wǎng)中Y 型管件內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以探究不同流動(dòng)條件下變化流場(chǎng)對(duì)管道內(nèi)部壓力分布和最大剪切力影響，為管道的安全運(yùn)行提供借鑒。

1 模型建立及網(wǎng)格劃分

1.1 模型

（1）物理模型。本文以某油氣集輸管網(wǎng)中的Y型管為計(jì)算實(shí)例，建立圖1 所示的物理模型，該Y型管由一個(gè)入口和兩個(gè)出口組成，進(jìn)口主管道與出口支管道管徑詳細(xì)信息如表1 所示。

圖1 Y 型管道物理模型Fig.1 Physical model of Y-type pipeline

表1 入口和出口管徑Tab.1 Inlet and outlet diameters of pipeline

為適應(yīng)實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中不同出口開(kāi)度的需求，本文還對(duì)Y 型管道出口不同開(kāi)度進(jìn)行相關(guān)研究，具體建模尺寸如表2 所示。

表2 Y 型管道出口夾角Tab.2 Included angle of Y-type pipeline outlet

（2）數(shù)學(xué)模型。模擬Y 型管道內(nèi)部流體流動(dòng)特性時(shí)應(yīng)遵循最基本的質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律三大定律。因?yàn)楸疚乃婕暗牧黧w流動(dòng)特性不考慮流體與管件之前的傳熱問(wèn)題，所以，求解過(guò)程中可忽略能量守恒方程的求解過(guò)程；Y 型管道內(nèi)部流體流動(dòng)湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型[10-11]。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

采用FLUENT 前處理軟件GAMBIE 對(duì)Y 型管道物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2 所示，網(wǎng)格獨(dú)立性校核結(jié)果如圖3 所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為25 000 時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)的繼續(xù)增大，局部切應(yīng)力的變化很小，因此綜合考慮計(jì)算結(jié)果精度和計(jì)算時(shí)間[12-13]，最終選擇網(wǎng)格數(shù)為25 000 個(gè)。

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Meshing graph

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性考核Fig.3 Grid independence assessment

借助CFD 軟件，采用VOF 模型[14-15]，入口邊界條件采用速度進(jìn)口，出口采用壓力出口，管道兩側(cè)內(nèi)壁設(shè)置無(wú)滑移壁面條件，壓力和速度采用SIMPLEC 方式進(jìn)行耦合，相處理方式選用COMPRESSIVE。其中環(huán)境溫度為25 ℃，重力加速度為9.81 m/s2。

1.3 模型驗(yàn)證

考慮到針對(duì)Y 型管道的沖刷腐蝕研究較少，因此以Y 型管道出口夾角為180°時(shí)（即T 型管）不同入口流速下的管內(nèi)最大剪切應(yīng)力變化趨勢(shì)進(jìn)行模型驗(yàn)證。驗(yàn)證管道模型：主管直徑為100 mm，長(zhǎng)400 mm，支管直徑為50 mm，長(zhǎng)150 mm；管內(nèi)原油黏度為0.05 Pa·s，含水率為45%，含氣率為5%，流體的入口流速為2 m/s，出口處壓強(qiáng)為1 MPa。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證結(jié)果如表3 所示，可以看出本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果[16]基本吻合，最大相對(duì)誤差不超過(guò)5%，說(shuō)明本文模型能夠很好地描述Y 型管道沖刷腐蝕行為。

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比與誤差分析Tab.3 Comparison of calculation results and error analysis

2 結(jié)果分析

2.1 流速

管道內(nèi)介質(zhì)流速是影響管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和剪切力的一個(gè)重要因素，因此分析了入口流速分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s 時(shí)對(duì)Y型管道內(nèi)部壓力分布云圖和最大剪切力的影響。

從不同入口流速下Y 型管道壓力分布云圖（圖4）中可以看出，管道最大壓力出現(xiàn)在支管交界處，在主管道和支管道交界處周?chē)鷫毫ο鄬?duì)較低，進(jìn)口處和出口處壓力相對(duì)較高。隨著入口流速的增加，Y 型管道受到的壓力也隨之增大，并且入口處壓力逐漸趨向于均勻，支管處逐漸形成局部高壓區(qū)域，這是由于管內(nèi)流速過(guò)高會(huì)引起管道流體湍動(dòng)所致[17]。

圖4 不同入口流速下Y 型管道壓力分布云圖Fig.4 Cloud map of pressure distribution of Y-type pipeline at different inlet velocities

由于入口流速的增大，流體的湍動(dòng)能也隨之增大，因此隨著入口流速的升高，Y 型管道所受到的最大切應(yīng)力也增大，呈現(xiàn)線(xiàn)性相關(guān)的關(guān)系（圖5），壁面受到的腐蝕作用（尤其是應(yīng)力腐蝕）會(huì)隨之加重。因此，適當(dāng)?shù)目刂屏魉偈穷A(yù)防Y 型管連接處腐蝕穿孔的有效方式之一。

圖5 入口流速對(duì)Y 型管道最大切應(yīng)力的影響Fig.5 Effect of inlet velocity on the maximum shear stress of Ytype pipeline

2.2 氣含率

為了研究管道流體介質(zhì)氣含率對(duì)管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和剪切力的影響，分別選取0～25%六種不同氣含率進(jìn)行數(shù)值模擬。圖6 為不同氣含率下Y 型管道壓力分布云圖。隨著氣含率的增加，Y 型管道受到的壓力逐漸減小，這是由于隨著管道內(nèi)氣含率的增大，降低了流體的流動(dòng)阻力；而在支管交界處出現(xiàn)壓力最高值，在主管道與支管相連接的外側(cè)內(nèi)壁面會(huì)出現(xiàn)局部負(fù)壓區(qū)，這是由于管道流體流動(dòng)過(guò)程中，在該位置形成渦流，流體較少所致。因此，Y 型管道受到的切應(yīng)力會(huì)隨著氣含率的升高而降低（圖7）。

2.3 原油黏度

不同地區(qū)油田，甚至相同地區(qū)不同油井中所開(kāi)采出的原油黏度差異較大。為模擬原油黏度對(duì)管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和剪切力的影響，選取0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 Pa·s 六種常見(jiàn)范圍內(nèi)的原油黏度進(jìn)行數(shù)值模擬。從圖8 管內(nèi)壓力分布可以看出，隨著管道內(nèi)原油黏度的增加，Y 型管道受到的壓力隨之增大，在本文工況條件下，當(dāng)原油黏度為0.25 Pa·s 時(shí)，Y 型管道支管區(qū)域會(huì)出現(xiàn)局部高壓區(qū)；而圖9 顯示Y 型管道壁面最大切應(yīng)力與原油黏度成正比，這是由于原油黏度增大，邊界層變厚，進(jìn)而影響管內(nèi)流體流動(dòng)造成的[18]。

圖6 不同氣含率下Y 型管道壓力分布云圖Fig.6 Cloud map of pressure distribution of Y-type pipeline with different gas holdup

圖7 不同氣含率對(duì)Y 型管道最大切應(yīng)力的影響Fig.7 Influence of different gas holdup on the maximum shear stress of Y-type pipeline

2.4 管徑比

圖8 不同原油黏度下Y 型管道壓力分布云圖Fig.8 Cloud map of pressure distribution of Y-type pipeline under different crude oil viscosities

為適應(yīng)不同油氣管網(wǎng)輸送要求，通常支管管徑會(huì)不同于主管管徑，為模擬不同管徑對(duì)Y 型管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和剪切力的影響，分別選取0.5、1.0、1.2、1.5、2.0 的管徑比()d/D進(jìn)行模擬研究。從不同管徑比的Y 型管道壓力分布云圖（圖10）中可以看出，保證輸油管道主管道管徑不變的條件下，改變管道支管管徑，隨著支管管徑的逐漸增大，管道內(nèi)部高壓區(qū)域逐漸由主管道向支管道移動(dòng)，并且在不同的管徑比下，Y 型管道內(nèi)部的的最高壓力都會(huì)出現(xiàn)在支管交界處；同時(shí)，隨著支管管徑的增大，支管管道壓力有逐漸降低的趨勢(shì)；而此時(shí)隨著管徑比逐漸增大，Y 型管道受到的最大切應(yīng)力逐漸減?。▓D11），其原因是由于管徑增大導(dǎo)致流速減小。

圖9 不同原油黏度對(duì)Y 型管道最大切應(yīng)力的影響Fig.9 Influence of different crude oil viscosity on the maximum shear stress of Y-type pipeline

2.5 支管夾角

管道在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，并不是成簡(jiǎn)單的直線(xiàn)、規(guī)則的平行或垂直布置，往往為了適應(yīng)多工況要求需要將主管道中的原油進(jìn)行支路引流，因此從管道支路之間的不同夾角方面進(jìn)行管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和剪切力分析。

選取支路β=30°～180°六種夾角進(jìn)行相關(guān)研究，其中當(dāng)支管夾角為180°時(shí)，Y 型管道即為T(mén)型管道。從圖12 中可以看出，隨著Y 型管道支管夾角的逐漸增大，管道內(nèi)部受到的剪切應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)夾角從30°變?yōu)?0°時(shí)，管道受到的最大剪切力迅速下降，60°～90°時(shí)，剪切力有所升高；當(dāng)支管夾角大于90°后，剪切力逐漸下降，當(dāng)支管夾角從120°增大到180°時(shí)，管道受到的最大剪切力幾乎保持不變。

如圖13 所示，隨著Y 型管道支管夾角的增大，管道內(nèi)部受到的壓力也增大，并且管道內(nèi)部壓力最大點(diǎn)出現(xiàn)在支管交界處。同時(shí)，隨著支管道夾角的增大，管道內(nèi)部低壓力區(qū)域由主管道逐漸向支管方向移動(dòng)，并且低壓力區(qū)最終保持在主管道與支管道交界處。

圖10 不同管徑比下Y 型管道壓力分布云圖Fig.10 Cloud map of pressure distribution of Y-shaped pipeline with different diameter ratio

圖11 管徑比對(duì)Y 型管道最大切應(yīng)力的影響分布Fig.11 Influence distribution of diameter ratio on maximum shear stress of Y-type pipeline

3 結(jié)論

圖12 支管夾角對(duì)Y 型管道最大切應(yīng)力的影響曲線(xiàn)Fig.12 Influence curve of branch included angle on maximum shear stress of Y-type pipeline

借助CFD 軟件，通過(guò)對(duì)油氣集輸管網(wǎng)中的Y 型管道進(jìn)行數(shù)值模擬得出，Y 型管道內(nèi)流體性質(zhì)和流體流動(dòng)狀態(tài)與最大剪切力有著密切的聯(lián)系。隨著入口流速和原油黏度的升高，管內(nèi)最大剪切力呈線(xiàn)性增大；同時(shí)，隨著管道內(nèi)輸送原油氣含率的升高和輸送管網(wǎng)支管直徑的增大，最大剪切力呈線(xiàn)性減弱；隨著Y 型管道支管夾角的增大，流體對(duì)管道的沖刷腐蝕逐漸減弱，當(dāng)夾角超過(guò)120°且不超過(guò)180°時(shí)，流體的沖刷腐蝕影響可忽略。因此，在設(shè)計(jì)Y 型及相似管道時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素，確保油氣輸送管網(wǎng)高效安全的運(yùn)行。

圖13 Y 型管道不同支管夾角條件下壓力分布云圖Fig.13 Cloud map of pressure distribution of Y-type pipeline with different branch included angle