某單井站場管道積液及腐蝕特性研究*

鮑明昱，熊建嘉，崔銘芳，劉 暢，王 勇，廖柯熹，李黨建，田定超，劉恩斌

(1.中國石油西南油氣田公司 安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川 成都 610041；2.中國石油天然氣股份有限公司儲氣庫分公司，北京 100029；3.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

天然氣從氣井開采出來后，若不進行脫水、脫烴處理，在管道輸送中由于管程變化、管道運行壓力以及溫度等參數(shù)的改變會使管道中出現(xiàn)凝析液，在遇到彎頭、水平直管段位置時，會使得液相發(fā)生聚集[1-3]。某單井站場中原料氣含有H2S，CO2，積液會沖刷管道內(nèi)壁，和酸性氣體的共同作用加速管壁電化學(xué)腐蝕并縮短管道的使用壽命[4-6]。由該單井站場現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)管線彎頭減薄2.2～2.4 mm的數(shù)量約占2%，管道彎頭處壁厚減薄現(xiàn)象嚴(yán)重，管線檢測位置的選取有較大的經(jīng)驗性，且需要在站內(nèi)設(shè)置大量的檢測點，這間接地增加了管線檢測的成本。因此，開展?jié)駳夤艿婪e液分布規(guī)律的研究非常必要，對于濕氣管道的穩(wěn)定、安全運行有著重要的意義。

近些年來眾多學(xué)者運用計算流體力學(xué)CFD方法，對管道內(nèi)流體的流動狀態(tài)和腐蝕情況進行數(shù)值模擬，分析腐蝕規(guī)律，以便有針對性地做出預(yù)防措施。張友波等[7]對10種截面含液率計算式進行評價，并將實驗結(jié)果與現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比，得出Minami-BrillⅠ，Minami-BrillⅡ，Lockhart-Martinelli 3種計算式的計算結(jié)果誤差較小，可以指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)；郭永鑫等[8]分析模擬“V”型復(fù)雜管路充水過程中的氣液兩相流態(tài)變化特性，并建立充水過程的氣液兩相流控制方程；Su等[9]運用ANSYS Fluent軟件模擬分析輸氣管道異常振動現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管道振動與管內(nèi)的流體壓力波動密切相關(guān)，并提出相應(yīng)的減振方案。

本文利用CFD技術(shù)分析井站管道積液分布規(guī)律，并將其與現(xiàn)場壁厚檢測數(shù)據(jù)進行對比分析，找到腐蝕與積液之間的關(guān)系。幫助管理人員更快、更準(zhǔn)地預(yù)測站內(nèi)管道易發(fā)生腐蝕的積液聚集區(qū)域，提高站內(nèi)完整性管理水平。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

本文主要研究井站主管線內(nèi)的氣液兩相流動。管線內(nèi)液相來源是天然氣在管輸過程中產(chǎn)生的凝析水，氣相為天然氣。各相存在相互作用力，需要計算各相的相對運動[10]。

1.1.1 控制方程

此次兩相流數(shù)值模擬采用Euler-Euler法，其中VOF模型和Mixture模型，均是單流體模型，即均是求解2相混合物的動量方程[11]。VOF模型適用于2相有明顯分界面、自由面流動。Mixture模型在其基礎(chǔ)上考慮了2相之間的擴散作用，引入滑移速度，即允許2相之間以不同的速度運動，適用于高壓低負(fù)載流動、沉降[12]。而現(xiàn)場原料氣持液率較低，且運行壓力高，并有一定的速度差。與現(xiàn)場檢壁厚測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，Mixture模型更符合模擬要求。

1)質(zhì)量守恒方程

假設(shè)管道內(nèi)流體體積變形率為0，即不可壓縮，液相在入口邊界均勻分布[13]。質(zhì)量守恒方程如式(1)所示：

(1)

式中：x,y,z分別為三維坐標(biāo)方向;vx,vy,vz分別為速度在x,y和z方向的分量,m/s。

2)動量守恒方程

動量守恒方程如式(2)所示：

(2)

1.1.2Correl函數(shù)

Correl函數(shù)本身用于統(tǒng)計學(xué)，目的是確定X和Y2組數(shù)據(jù)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)等于1，說明這2組數(shù)據(jù)嚴(yán)格正相關(guān)；若等于0則說明不相關(guān)[14]。Correl函數(shù)如式(3)所示：

(3)

1.2 物理模型及現(xiàn)場檢測

運用CFD方法模擬分析管道內(nèi)積液位置，結(jié)合現(xiàn)場天然氣主管線現(xiàn)場圖，通過ANSYS SCDM軟件對該單井站場的主管線進行三維建模，如圖1所示。

圖1 主管線SCDM模型建立

以井口至NG-001管段為例，運用ICEM對模型進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，管道壁面生成邊界層以提高計算精度。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從118×104增加至320×104時，壁面最大體積含液率變化僅有10-6，可認(rèn)為118×104已達到網(wǎng)格無關(guān)性要求。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

經(jīng)過分析，認(rèn)為該單井站場的管道積液現(xiàn)象主要與管道內(nèi)壓力、流量和含水率有關(guān)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研所獲取的正常生產(chǎn)期內(nèi)的數(shù)據(jù)確定3組模擬工況，如表1所示。

表1 單井站場模擬工況

1.3 求解方法

在ANSYS Fluent軟件中，基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器，采用SIMPLE算法求解，動量、湍動能和湍流耗散率采用二階迎風(fēng)格式離散，殘差小于10-4視為收斂。

2 結(jié)果與討論

2.1 管道內(nèi)部流場分析

為更好地分析獲取模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，分析內(nèi)部流動特性，便于展示管道內(nèi)液相體積率，對管道進行截面選取，彎管0°,45°,90°處設(shè)置截面，直管段每隔1 m左右進行截面選取。將所選取的截面的3組工況繪制不同工況最大體積含液率曲線，如圖3所示。

圖3 井口至NG-001段不同工況含液率曲線

從圖3中可以看出各工況的含液率變化趨勢基本一致，含液率大小隨著原料氣含水量以及流程的變化而變化。在頂點(彎頭截面3、截面8、截面15、截面28處)，管道最大體積含液率均會有所上升，而在直管段(截面17～26)處，最大體積含液率均無大的波動，最大壁厚減薄量在彎頭截面處明顯增大，在彎頭處(截面7～9)最大達到4.4 mm，而直管段最大減薄量僅有0.8 mm。在連續(xù)彎頭(截面28～32)處管道最大體積含液率達到最值，因此為避免液相大量聚集，應(yīng)盡量減少連續(xù)彎頭的出現(xiàn)。選取其中1組工況進行分析。

2.2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場壁厚檢測結(jié)果對比

為驗證模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場管線實際壁厚測量數(shù)據(jù)與管線液相體積含液率進行對比驗證，對彎頭、直管段進行壁面體積含液率數(shù)據(jù)提取(數(shù)據(jù)提取規(guī)則遵循右手螺旋定則)，檢測位置如圖4所示。

圖4 檢測位置選取

其中“A,B…”為測點所在環(huán)截面代號，A1,B2……為截面編號。

運用透涂層測厚儀Multigauge5600對現(xiàn)場管道相應(yīng)部位進行壁厚測定，該測厚儀是通過超聲波在金屬之間產(chǎn)生的回波來計算金屬厚度值，精度達到±0.1 mm[15]。其中彎頭壁厚檢測數(shù)據(jù)如表2所示，將彎頭截面A1,B2,C1所測量的管壁減薄量與模擬所得管壁體積含液率繪制曲線，如圖5所示。

表2 NG-001-R1壁厚測定

從圖5中可以看出A1從0°至360°體積含液率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在180°處含液率有所增大；在180°～270°區(qū)間內(nèi)減薄量達到最大值3.6 mm。從B2截面看出體積含液率從0°到360°呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，這是由于截面B2位于彎頭45°處，受到離心力影響液相會聚集在管道外壁處，最大減薄量3 mm與最大體積含液率均處在0°左右。截面C1位于豎直彎頭外壁處，受到離心力作用會使液相聚集在管道外壁處，同時受到重力作用液相會沿著管壁向下流。體積含液率從0°到360°呈現(xiàn)先減小，在180°又有所上升，之后再減小又增大的趨勢，同時最大減薄量3.8 mm與最大體積含液率均處在0°左右。運用Correl函數(shù)計算減薄量與壁面體積含液率之間的相關(guān)系數(shù)，得出在A1截面相關(guān)系數(shù)為0.862，由于該截面位于連接井口直管段處，井口采出的原料氣流速快、溫度高，氣體攜液能力強，液相不易聚集，因此在該截面最大與最小壁厚僅相差0.2 mm。在B2截面相關(guān)系數(shù)為0.873，在C1截面相關(guān)系數(shù)為0.884。

圖5 截面體積含液率與管壁減薄量關(guān)系

將直管NG-001-Z1截面A1,A2按照右手螺旋定則進行數(shù)據(jù)提取，其中現(xiàn)場測得彎頭壁厚如表3所示，并將截面A1,A2管壁處體積含液率與所測壁厚減薄量繪制曲線，如圖6所示。

表3 NG-001-Z1壁厚測定

從圖6中可以看出截面A1和A2位于水平長直管段，液相受到重力作用會聚集在管道底部位置，均在180°左右體積含液率達到最大值。而A1截面最大減薄量0.6 mm與最大體積含液率均在180°～210°之間，A2截面最大減薄量0.8 mm與最大體積含液率均在120°～180°之間。計算減薄量與壁面體積含液率之間的相關(guān)度，得出在A1截面相關(guān)系數(shù)為0.799，在A2截面相關(guān)系數(shù)為0.424。

圖6 截面體積含液率與管壁減薄量關(guān)系

將全站場部分彎頭(R)、直管段(Z)的壁厚監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行對比計算相關(guān)系數(shù)，如圖7所示，所檢測的彎頭(R1～R5)截面含液率與壁厚減薄量之間相關(guān)系數(shù)平均值均高于直管段(Z1,Z2)，達到70.1%以上。這是由于相較于直管段，彎頭部位受腐蝕風(fēng)險高、壁厚減薄程度差異大，所以目前的檢測精度可以對彎頭進行有效對比，直管段則需要更高檢測精度進一步驗證。

圖7 不同檢測位置相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

1)含液率大小及分布位置與管道結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其大小隨原料氣含水量、流量、壓力的變化而呈正相關(guān)變化。

2)壁厚減薄量和壁面含液率呈正相關(guān)關(guān)系，含液率越大，減薄量越大，彎頭處相關(guān)度為70.1%以上，直管段相關(guān)度為61.15%。

3)積液及特性研究以CFD方法為基礎(chǔ)，并與現(xiàn)場壁厚檢測數(shù)據(jù)對比，驗證CFD方法運用在預(yù)測管道積液位置的有效性，為現(xiàn)場管道檢測工作提供技術(shù)支撐，提高現(xiàn)場檢測工作針對性，減少檢測工作量，提高站內(nèi)完整性管理水平。