集輸管道T型管內(nèi)沖刷腐蝕數(shù)值模擬

趙燕輝，張 濤，張義貴，曲 虎，張鵬虎

（中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552）

集輸管道T型管內(nèi)沖刷腐蝕數(shù)值模擬

趙燕輝，張 濤，張義貴，曲 虎，張鵬虎

（中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552）

T型管在油氣集輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，但容易形成沖刷腐蝕，發(fā)生泄漏事故，有必要對腐蝕影響因素進行研究。建立了流動控制方程，借助CFD軟件對油氣混輸流體流經(jīng)T型管進行流場和應(yīng)力分析，探討了流體組成、流體性質(zhì)和流動參數(shù)等對沖刷腐蝕的影響。結(jié)果表明：T型管內(nèi)壁面剪切應(yīng)力的大小和分布受多種因素影響；最大壁面剪切應(yīng)力分布在正對來流方向主管和支管的交接處。適當(dāng)降低流速和流體粘度、增大含氣率和支管直徑可減緩T型管沖刷腐蝕。研究結(jié)論可為管道腐蝕防護和安全穩(wěn)定運行提供理論依據(jù)。

油氣集輸；T型管；沖刷腐蝕；數(shù)值模擬

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對油氣的需求量日益增加。油氣集輸管道是油氣輸運的主要方式之一，其建設(shè)規(guī)模也越來越大。管道腐蝕作為一種管道失效形式，所造成的重大事故屢見不鮮[1]，不僅嚴(yán)重影響了油氣集輸，同時也造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此，研究分析腐蝕的形成機理及影響因素具有重要的現(xiàn)實意義。

T型管在油氣集輸中使用廣泛，管內(nèi)流體流動復(fù)雜，沖蝕破壞是其常見失效形式之一[2]。目前國內(nèi)外學(xué)者對管道沖刷腐蝕進行了大量研究，取得了一些有意義的成果[3-5]。洪惠芬[6]利用 ASPEN 和FLUENT軟件開發(fā)出了沖刷腐蝕預(yù)測軟件，雍興躍[7]和代真[8]利用數(shù)值計算的方法分析了流體力學(xué)因素對管道沖刷腐蝕的影響規(guī)律，偶國富[9]定量分析流體的腐蝕性、流體物性對沖刷腐蝕的影響，葉帆[10]分析了介質(zhì)流態(tài)對凝析氣集輸管道的腐蝕影響。由于管道沖刷腐蝕機理復(fù)雜、實驗研究周期長且費用較高，目前多采用數(shù)值方法對其進行定性或定量分析[11-14]。將數(shù)值計算方法用于 T型管沖刷腐蝕的研究中具有很高的可行性。本文基于CFD軟件，采用Mixture模型，對油氣集輸T型管內(nèi)流體流動進行數(shù)值模擬，分析流體組成、流體性質(zhì)及流動參數(shù)等對沖刷腐蝕的影響。

1 模型的建立

1.1 物理模型

以某集輸管道系統(tǒng)T型管為例，建立如圖1所示的物理模型。該T型管道水平放置，有一個入口，兩個出口，主管直徑為100 mm，長400 mm，支管直徑為50 mm，長150 mm。管內(nèi)原油粘度為0.05 Pa·s，含水率為45%，含氣率為5%，流體的入口速度為2 m/s，出口處壓強為1 MPa。

1.2 數(shù)學(xué)模型

流體流動應(yīng)遵循以下定律：質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律。在T型管內(nèi)部忽略流體與管道之間的傳熱，因此可以不求解能量方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

式中：ρm—混合密度，kg/m3；—質(zhì)量平均流速，m/s；—質(zhì)量源項；

p—流體內(nèi)壓力，Pa；

αk—第k相介質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)；—第k相介質(zhì)的飄移速度，m/s；

μm—混合粘度，Pa?s；—體積力，N。

湍流脈動動能方程（k方程）：

湍流動能耗散（ε方程）：

式中：Gk—平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；

Gb—浮力引起的湍動能的產(chǎn)生項；

YM—可壓縮湍流中脈動擴張貢獻；

μt—湍流黏度，Pa·s；

ui、uj—時均速度，m/s；

k—湍流動能，J；

ε—湍流耗散率，W/m3；

ρ—流體密度，

σk和σε—k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；

t—時間，s；

xi、xj—空間坐標(biāo)；

C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=1—經(jīng)驗常數(shù)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖2為T型管局部放大圖。由圖2可知，多相混輸流體經(jīng)支管分流時，在主管和支管交接位置A附近形成高壓區(qū)。這主要是由于流體在經(jīng)支管分流時，流體存在沿主管方向的慣性力，該慣性力在壁面處轉(zhuǎn)化為靜壓能。壁面最大剪切應(yīng)力分布在位置A，應(yīng)力相對較大區(qū)域分布在A附近，此處為壁面沖刷腐蝕嚴(yán)重部位。

圖2 T型管局部壓力場云圖Fig.2 Partial pressure contours of T-pipeline

3 影響因素分析

在其它條件不變的情況下，一次只改變某一個條件，研究各個流體力學(xué)因素對沖刷腐蝕的影響。

3.1 入口流速對剪切應(yīng)力的影響

對于多相混輸流體，分別取入口流速為1、1.5、2、2.5、3 m/s進行數(shù)值模擬，計算最大剪切應(yīng)力，并根據(jù)模擬結(jié)果繪制最大剪切應(yīng)力-流速變化曲線。

圖3 入口流速對最大剪切應(yīng)力的影響Fig.3 Effect of inlet velocity on the maximum shear stress

由圖3可以看出，其它條件不變時，最大剪切應(yīng)力受入口流速的影響；隨著入口流速的增大，最大剪切應(yīng)力隨之增大。所以入口流速越大，對壁面的沖刷腐蝕越嚴(yán)重。因此，在對管系進行設(shè)計時，應(yīng)適當(dāng)控制流速，減小對管道的沖刷腐蝕破壞。

3.2 原油粘度對剪切應(yīng)力的影響

對于不同的油田，其原油粘度差別較大。在原油粘度分別為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 Pa?s的條件下進行數(shù)值模擬，計算壁面最大剪切應(yīng)力。圖 4即為最大剪切應(yīng)力隨原油粘度的變化曲線，原油粘度增大，最大剪切應(yīng)力隨之增大，流體對管道的沖刷腐蝕強度變大。所以，當(dāng)原油粘度較大時，在設(shè)計過程中應(yīng)注意T型管內(nèi)流體的沖刷腐蝕影響。

圖4 原油粘度對最大剪切應(yīng)力的影響Fig.4 Effect of oil viscosity on the maximum shear stress

3.3 含氣率對剪切應(yīng)力的影響

為了研究含氣率對壁面剪切應(yīng)力的影響，分別取含氣率為1%、5%、10%、15%、20%進行數(shù)值模擬。根據(jù)計算數(shù)據(jù)繪制最大剪切應(yīng)力-含氣率變化曲線。從圖5可以看出，壁面最大剪切應(yīng)力隨含氣率的增大而變小。可見，在集輸過程中適當(dāng)提高含氣率可減緩管道沖刷腐蝕。

圖5 含氣率對最大剪切應(yīng)力的影響Fig.5 Effect of gas rate on the maximum shear stress

圖6 支管直徑對最大剪切應(yīng)力的影響Fig.6 Effect of branch diameter on the maximum shear stress

3.4 支管直徑對剪切應(yīng)力的影響

支管直徑通常不同于主管直徑，對于支管直徑分別為20、50、80、100 mm的T型管進行數(shù)值模擬，得到對應(yīng)的剪切應(yīng)力計算值，并根據(jù)計算結(jié)果繪制最大剪切應(yīng)力隨支管直徑的變化曲線。由圖 6可以看出，隨著支管直徑的變大，最大剪切應(yīng)力減小，且減小幅度越來越小，當(dāng)達到某一值時不再變化。在管系設(shè)計時，可以通過適當(dāng)增大支管管徑以減小流體對管道的沖刷腐蝕破壞。

在集輸系統(tǒng)中，由于T型管的結(jié)構(gòu)特殊，在壁面處容易形成沖刷腐蝕，尤其是在主管和支管交接處，沖刷腐蝕最為嚴(yán)重。數(shù)值模擬結(jié)果表明，T型管內(nèi)流體組成、流體性質(zhì)及流動參數(shù)等與沖刷腐蝕有很大關(guān)系。隨著入口流速和原油粘度的增大，流體對管道的沖刷腐蝕增強；隨著含氣率和支管直徑的增大，流體對管道的沖刷腐蝕減弱。入口流速和原油粘度對沖刷腐蝕的影響較大，含氣率和支管直徑對沖刷腐蝕的影響較小。在對集輸管道T型管設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮各種影響因素優(yōu)化設(shè)計，確保管道安全平穩(wěn)運行。

［1］杜曉丹．催化裂化油漿系統(tǒng)的沖刷失效研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2007：31-56．

［2］偶國富，許根富，朱祖超，等．彎管沖蝕失效流固耦合機理及數(shù)值模擬[J]．機械工程學(xué)報，2009，4(511)：119-132．

［3］Herm Stapelberg H，Dmewes．The pressure loss and slug frequency of liquid-liquid-gas slug flow in horizontal pipes[J]．Multiphase flow，1994，20(2)：293-303．

［4］徐鳴泉，王樂勤，楊健，等．石化管道沖蝕破壞的流動仿真及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．流體機械，2005，3(37)：24-27．

［5］Wood R J K，Jones T F，Ganeshalingam J，etal．Comparison of predicted and experimental erosion estimates in slurry ducts[J]．Wear，2004，256：937-947．

［6］洪惠芬．石化多相流管道系統(tǒng)沖蝕預(yù)測及應(yīng)用軟件開發(fā)[D]．杭州：浙江理工大學(xué)，2010：12-15．

［7］雍興躍，張稚琴，李棟梁，等．近壁處流體力學(xué)參數(shù)對流動腐蝕的影響[J]．腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2011，23(3)：245-250．

［8］代真，段志祥，沈士明．流體力學(xué)因素對液固兩相流沖刷腐蝕的影響[J]．石油化工設(shè)備，2006，35(6)：20-23．

［9］偶國富．加氫裂化空冷器管束多相流模擬與沖蝕破壞預(yù)測研究[D]．杭州：浙江理工大學(xué)，2004：16-17．

［10］葉帆．介質(zhì)流態(tài)對凝析氣集輸管道的腐蝕影響分析[J]．天然氣與石油，2009，27(6)：22-25．

［11］林玉珍，劉景軍，雍興躍． 數(shù)值計算法在流體腐蝕研究中的應(yīng)用[J]．中國腐蝕與防護學(xué)報，1999，19(1)：1-7．

［12］高萬夫，鄭雁軍，崔立山． 管道彎頭磨損特性的研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2003，1(64)：56-60．

［13］毛靖儒，柳成文，相曉偉．彎管內(nèi)二次流對固粒磨損壁面的影響[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報，2004，3(87)：746-749．

［14］Chen X，McLaury BS，Shirazi SA． Application and experimental validation of a computational fluid dynamics（CFD)-based erosion prediction model in elbows and plugged tees[J]．Computers & Fluids，2004，33：1251-1272．

Numerical Simulation of Erosion-corrosion in Gathering T-pipelines

ZHAO Yan-hui，ZHANG Tao，ZHANG Yi-gui，QU Hu，ZHANG Peng-hu
（China Petroleum Engineering Co.,Ltd. Huabei Branch, Hebei Renqiu 062552，China）

The T-pipeline is very common in oil-gas gathering systems. But it’s easy to form erosion-corrosion, which results in the leakage, so it is necessary to study the corrosion factors. In this paper, the flow-controlled equation was established, and the flow field and stress of the T-pipeline during oil-gas gathering fluid flowing in it were analyzed by CFD software, and influence of fluid composition, fluid properties and flow parameters on the erosion-corrosion was investigated. The results show that, the magnitude and distribution of shear force acted on the inner surface of T-pipeline are affected by many factors; the distribution of the biggest shear force is at the junction of main pipe and branch pipe, which faces to the coming flow direction. Appropriately reducing flow speed and fluid viscosity, enlarging gas rate and branch pipe diameter may minimize the erosion-corrosion to the T-pipeline. The research outcome can lay a theoretical foundation for the corrosion protection and the safe-stable operation of pipelines.

Oil-gas gathering; T-pipeline; Erosion-corrosion; Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2014）11-2457-03

2014-04-09

趙燕輝（1985-），男，山東濟寧人，助理工程師，碩士，2010年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)，從事油氣田地面工程設(shè)計與流體仿真技術(shù)的研究工作。E-mail：zhyh1117@163.com。