水下采油樹(shù)輸油管道幾何參數(shù)敏感性分析

劉興鐸， 白蘭昌， 嚴(yán)金林， 萬(wàn)春燕， 李友興， 楊超

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

水下采油樹(shù)的輸油管道是海底油氣集輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。趙旭東等[1]指出在無(wú)保溫層條件下，原油必須以一定速度流經(jīng)管道，這樣既可以避免溫度下降過(guò)快導(dǎo)致流體黏度上升、流速下降，又可以把邊緣將要成核或已經(jīng)成核，但尚未成團(tuán)的水合物帶走，不至于逐漸積累成塊；劉際海等[2]指出填埋質(zhì)量、初始溫度、環(huán)境溫度、含水率等管道基本運(yùn)行參數(shù)對(duì)海底熱油管道的溫降的影響；余建星等[3]總結(jié)在工程實(shí)際中，管道截面通常不是完美的圓環(huán)，而是具有一定橢圓度的橢圓環(huán)，利用弧長(zhǎng)法對(duì)橢圓管道在服役中的塑性屈曲壓潰進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了壁厚、一致橢圓度、外徑等敏感性因素對(duì)其壓潰壓力的影響；楊樹(shù)人等[4]提出壓降計(jì)算模型對(duì)于多向流混輸管道壓降的影響作用，并且指出介質(zhì)起始溫度、氣相液相流量、管道內(nèi)徑、傾斜角度等因素對(duì)海底管道壓降的影響；馬梓然等[5]總結(jié)非圓形射流的主要機(jī)理，指出在不同長(zhǎng)寬比實(shí)驗(yàn)條件下，以中心線平均速度、中心線湍流度、概率密度函數(shù)、頻譜特性、湍流尺度等參數(shù)評(píng)價(jià)矩形射流的情況。從湍流尺度特性來(lái)看，大尺度湍流特性會(huì)對(duì)出口條件的改變更為敏感，因?yàn)槌隹跅l件對(duì)下游發(fā)展的任何影響都是由初始的渦結(jié)構(gòu)通過(guò)大尺度運(yùn)動(dòng)傳遞的，它們與外圍流體相互作用及自身分解，在遠(yuǎn)場(chǎng)形成小尺度渦結(jié)構(gòu)并與環(huán)境流體相互作用。

本文在總結(jié)以上研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，運(yùn)用CFD軟件對(duì)水下采油樹(shù)輸油管道內(nèi)的流體域進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，探討了不同幾何參數(shù)對(duì)水下采油樹(shù)輸油管道內(nèi)部流體流動(dòng)性的影響, 并對(duì)水下采油樹(shù)輸油管道的選型提供參考。

1 數(shù)學(xué)及物理模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

水下采油樹(shù)輸油管道內(nèi)的油或氣的實(shí)際流動(dòng)是十分復(fù)雜的三維流動(dòng)。在數(shù)值模擬計(jì)算中，假設(shè)流體為不可壓縮流體，不考慮液流的重力及固體顆粒的影響，流動(dòng)為定常流動(dòng)將其簡(jiǎn)化為單相湍流模型，借助RNG k-ε方程湍流模型，通過(guò)大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的黏度項(xiàng)，忽略小尺度運(yùn)動(dòng)的影響，其輸運(yùn)方程[6]為:

1.2 三維物理模型

本文選取水下采油樹(shù)的內(nèi)部輸油管道進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其位于節(jié)流閥下游至輸出模塊之間，是水下采油樹(shù)輸油管道中壁厚最薄的一段。輸油管道的尺寸如圖1所示。

圖1 輸油管道的尺寸

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

因?yàn)檩斢凸艿朗禽S向?qū)ΨQ模型，所以只選取輸油管道的一半建立三維模型。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)輸油管道模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，如圖2所示，并采用CFD流場(chǎng)分析軟件進(jìn)行分析。邊界條件為：進(jìn)口v=5 m/s，出口P=10 MPa ，光滑無(wú)滑移的壁面。

圖2 輸油管道的模型

1.4 輸油管道截面不同腔徑比a/b

當(dāng)輸油管道截面面積相等，即輸油管道的等效直徑D 相同的時(shí)候，輸油管道截面的腔徑比變化如圖3所示，當(dāng)截面腔徑比a/b＜1時(shí)輸油管道的截面為橢圓，當(dāng)截面腔徑比a/b=1時(shí)輸油管道的截面為圓形。

圖3 輸油管道截面的腔徑比a/b

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 不同腔徑比a/b

如圖4所示，從不同腔徑比的流速云圖可以獲知，輸油管道出口的流速云圖顯示了輸油管道內(nèi)流速隨截面腔徑比的變化情況。

圖4 不同腔徑比的出口速度云圖

圖5 不同腔徑比的出口速度

圖6 不同腔徑比的出口近壁面速度

從圖5、圖6的分析對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)輸油管道在相同運(yùn)行參數(shù)的條件下，在腔徑比分別為0.25、0.50、0.75、1.00的情況下，非圓形管道的最大出口流速、速度變化范圍均大于圓形管道。非圓形管道的近壁面出口速度大于圓形管道的近壁面出口速度。當(dāng)液體以一定的速度流經(jīng)非圓形輸油管道時(shí)，輸油管道的幾何參數(shù)會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生更好的湍流效果。這與W.R.Quinn等[7～10]的分析結(jié)果相一致。這樣有利于將成核或尚未成核的水合物帶走，不至于沉積到輸油管道。

2.2 矩形截面的輸油管道

鑒于上述非圓形截面輸油管道的流場(chǎng)分析情況，保證出口面積相同，即等效直徑相同的條件下，進(jìn)行矩形截面的輸油管線的流場(chǎng)分析。

當(dāng)輸油管道的截面為矩形時(shí)，得到其出口的速度云圖，如圖7所示。

從圖7來(lái)看，管道截面為矩形時(shí)，其出口的流速的最大值略高于圓形管道截面的出口流速。矩形管道的出口的速度梯度變化范圍較大，其近壁面處的速度較高，均高于截面為圓形的管道。

圖7 矩形輸油管道出口速度云圖

3 結(jié) 論

1）當(dāng)輸油管道在相同運(yùn)行參數(shù)的條件下，輸油管道內(nèi)部壁面的幾何參數(shù)會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生影響；2) 當(dāng)輸油管道等效直徑相同、輸油管道運(yùn)行參數(shù)相同的情況下，輸油管道的內(nèi)部壁面的幾何參數(shù)會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生影響,矩形截面管道的作用效果要強(qiáng)于圓形管道；3）相比橢圓形截面的管道，矩形截面的管道包含尖角的部分，這樣有利于促進(jìn)形成渦流結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)湍流效果，能夠卷吸更多的流體。所以建議在滿足加工工藝的條件下，輸油管道的截面可以選擇矩形。