液固兩相流管道磨蝕數(shù)值模擬研究

張愛(ài)娟 唐毅(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

由于地層及井下作業(yè)的復(fù)雜性，即使已經(jīng)采取防砂措施，油氣產(chǎn)物中依然會(huì)存在含砂現(xiàn)象。油氣集輸管道在油氣的運(yùn)輸中承擔(dān)著重要的角色和作用，而采出液含砂在輸送過(guò)程中，宜使油氣集輸管道受到磨蝕而導(dǎo)致油氣管道泄漏事故，這對(duì)于整個(gè)能源或工業(yè)行業(yè)來(lái)說(shuō)都是很不友好的。所以對(duì)液固兩相流管道的磨蝕問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬的研究，可以為管道的安全運(yùn)行提供保障[1]。

1 管道磨蝕的原理[2-3]

管道磨蝕是指管道的材料與高速粒子共同作用而引起的管道內(nèi)壁表面發(fā)生損壞的現(xiàn)象。固體顆粒會(huì)在內(nèi)壁滑動(dòng)從而會(huì)用切削或者犁削等機(jī)制進(jìn)行磨蝕，它的外觀特征是在管道的內(nèi)壁出現(xiàn)一些溝紋或者山谷狀等等。

1.1 微切削理論

微切削理論是指管道在低沖蝕角下的切削作用。Finnie提出了剛性粒子沖擊塑性材料的微切削理論，塑性材料的切削理論認(rèn)為磨蝕顆?？焖俳?jīng)過(guò)靶材表面時(shí)會(huì)將材料切除而產(chǎn)生磨損。這個(gè)模型建立了多角形磨粒，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)這個(gè)模型解釋了塑性材料在多角粒和低沖擊角下存在的磨蝕規(guī)律。

1.2 變形磨損理論

變形磨損理論是指管道在在不同沖擊角下粒子沖擊靶材的兩種變形過(guò)程和能量變化分析。Beckmann-Gotzmann從沖蝕過(guò)程中的能量平衡提出了變形磨損理論。這個(gè)理論對(duì)于管道磨蝕也有獨(dú)到的見(jiàn)解。

1.3 鍛壓擠壓理論

鍛壓擠壓理論是指管道在大沖擊角下的磨蝕研究。這個(gè)理論是在研究者使用分步?jīng)_刷實(shí)驗(yàn)法和單顆粒尋跡法研究沖蝕過(guò)程中得出來(lái)的。

這些理論從不同的方面和不同的角度對(duì)于管道的磨蝕進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析，有助于我們?cè)跀?shù)值模擬的研究過(guò)程中深刻地了解它的機(jī)理，從而對(duì)于整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程有更好的體會(huì)。

2 管道磨蝕的影響因素[4-5]

在液固兩相流中，管道的磨蝕會(huì)受到包括顆粒性質(zhì)、流體力學(xué)性質(zhì)、材料性質(zhì)、介質(zhì)性質(zhì)等多種因素的影響。

2.1 顆粒性質(zhì)

顆粒性質(zhì)主要是包括兩相流中固相顆粒物的濃度、硬度、形狀大小和鋒利度等。一般隨著顆粒硬度升高，磨蝕也會(huì)加重；顆粒表面的粗糙度下降，磨蝕的速率也會(huì)下降；而當(dāng)顆粒的半徑變大時(shí)管道磨蝕的速度也會(huì)加快，加重管道的磨蝕情況。

2.2 介質(zhì)因素

介質(zhì)因素的影響參數(shù)有溫度、pH值、溶氧量等。這些介質(zhì)參數(shù)通過(guò)影響材料的耐蝕性或者成膜狀態(tài)來(lái)影響它的磨蝕性能。

2.3 材料因素

材料因素包含金屬的化學(xué)成分、耐蝕性等等。通過(guò)影響材料的組織結(jié)構(gòu)可以影響管道的磨蝕，而它的宏觀力學(xué)性能也會(huì)對(duì)管道的內(nèi)壁造成一定的破壞。和那些軟性材料相比，硬性材料更能夠阻擋管道的磨蝕。

2.4 流體力學(xué)因素

流體力學(xué)因素包含了流速和流態(tài)。流體對(duì)于管壁的沖擊速度會(huì)加重磨蝕，而流體的流態(tài)也會(huì)對(duì)管道磨蝕產(chǎn)生重要的影響，隨著時(shí)間的進(jìn)行，磨蝕會(huì)反過(guò)來(lái)影響流速流態(tài)，反復(fù)影響會(huì)導(dǎo)致過(guò)流部件失效。當(dāng)速度較大的時(shí)候會(huì)引起沖刷和磨蝕的交互作用增加。

3 數(shù)值模擬[6]

建立如圖1所示彎管模型，管徑d=0.6m，拐彎半徑R=1.8m，出/入口直管段管長(zhǎng)L=5m。

圖1 彎管模型及網(wǎng)格劃分

選擇壓力求解器pressure-based，湍流模型選擇添加k-epsilon Realized，離散相模型選擇作用連續(xù)相Interaction with Continuous Phase，點(diǎn)擊物理模型Physical Models標(biāo)簽頁(yè)，點(diǎn)選激活Erosion/Accretion，計(jì)算磨蝕速率，材料material創(chuàng)建油品oil，密度860kg/m3，粘度0.02kg/(m·s)，入口設(shè)置為速度入口，流入速度10m/s，湍流強(qiáng)度5%，水力直徑0.6m，離散相為砂，密度2500kg/m3，質(zhì)量流量1kg/s，直徑200μm；出口設(shè)置為outflow邊界。顆粒在壁面上的法向及切向反彈系數(shù)定義為顆粒沖擊角的多項(xiàng)式函數(shù)。在建立沖蝕模型時(shí)，沖擊角函數(shù)被用于定義管道壁面的塑性沖蝕。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 壓力

創(chuàng) 建 下 圖 所 示z=0，x=0，x=-2.5，y=0，y=2.5，x-y六 個(gè) 截面，壓力云圖如圖2所示。

圖2 壓力云圖

從圖中可以看出在入口及出口直管段處，沿流動(dòng)方向壓力下降。流體流經(jīng)拐彎處，彎管外部壓力明顯增大，內(nèi)部壓力降低。這種壓力分布會(huì)造成彎管處流體的二次繞流。

4.2 流速

建立截面處流速如圖3所示。

圖3 速度云圖

由圖中可以看出，由于模擬管段較短，流體整體流速變化較小。

4.3 顆粒軌跡

跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4所示。

圖4 顆粒軌跡

由圖中可以看出，在入口段顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡基本是一簇平行的流線，相互之間互不干擾，流經(jīng)彎管處由于受到離心力的影響，顆粒運(yùn)動(dòng)較為紊亂。

4.4 磨蝕速率

管壁面磨蝕情況如下圖5所示。

圖5 壁面磨蝕

由圖可以看出，最大磨損部位在彎管內(nèi)側(cè)壁面區(qū)域，在彎管外側(cè)也存在磨損問(wèn)題，但磨蝕速率低于內(nèi)側(cè)，其余部位無(wú)明顯磨損現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)是液固兩相流管道磨蝕的分析及模擬研究，綜合考慮顆粒性質(zhì)、流體力學(xué)性質(zhì)、材料性質(zhì)、介質(zhì)性質(zhì)等多種因素的影響，描繪了管道磨蝕的數(shù)學(xué)模型。分析結(jié)果可以為實(shí)際維護(hù)和管理管道提供依據(jù)，為運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)提供安全保障。