基于CFD 的彎管沖刷磨損數(shù)值模擬研究

郭悠悠 楊文 穴強(qiáng)

1中國石油天然氣股份有限公司北京油氣調(diào)控中心

2中國石化銷售有限公司華南分公司

3中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司

管道是當(dāng)今工業(yè)最常見的五大運(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，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。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對油氣的需求量日益增加，油氣集輸管道的建設(shè)規(guī)模也越來越大。管道腐蝕[1-5]作為一種管道失效形式，不僅嚴(yán)重影響了油氣集輸效率，同時也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究腐蝕的形成機(jī)理及影響因素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6-10]。

彎曲管道在油氣集輸管網(wǎng)中應(yīng)用比較廣泛，在油氣輸運(yùn)過程中，沖刷磨損是管道失效的主要形式之一。目前國內(nèi)外研究學(xué)者對管道沖刷磨損破壞進(jìn)行了相關(guān)研究。陳志靜等借助CFD 軟件對容易發(fā)生沖刷磨損的管道部件進(jìn)行了流態(tài)模擬，研究表明，流體流經(jīng)管道部件后，其流態(tài)發(fā)生變化，容易導(dǎo)致管道發(fā)生沖刷腐蝕[11]。杜強(qiáng)等對油氣管線彎管處固液兩相流場特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并對其沖刷腐蝕做出預(yù)測，得出管道彎管處流場變化復(fù)雜是引起沖刷磨損的主要原因[12]。曾莉[13]、胡躍華[14]、胡宗武[15]等先后對管道沖刷磨損機(jī)理和流體動力學(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。另外，也有許多學(xué)者[16-18]利用模擬軟件探究管道沖刷磨損過程，揭示了流體力學(xué)因素以及管道內(nèi)部流程分布特性對沖刷磨損的影響。本文借助CFD 軟件，對油氣集輸管網(wǎng)中彎曲管件內(nèi)部流體動力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探究不同流動條件下變化流場對管道內(nèi)部沖刷磨損的影響。

1 模型建立與網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型與控制方程

以某油氣集輸管網(wǎng)中的彎曲管道為計算實(shí)例，建立典型90°彎曲管道物理模型（圖1），其中管道直徑為100 mm，曲率半徑為200 mm。

圖1 典型90°彎曲管道物理模型Fig.1 Typical physical model of 90°bending pipe

為適應(yīng)實(shí)際工程應(yīng)用過程中不同曲率半徑的需求，對彎曲管道不同曲率半徑進(jìn)行相關(guān)研究，分析不同彎管曲率半徑對管道沖刷磨損的影響。為消除出口回流對彎曲管內(nèi)流場的影響，取直管段長度為管徑的10 倍。

模擬彎曲管道內(nèi)部流體流動特性時應(yīng)遵循最基本的質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律三大定律。本文所涉及的流體流動特性不考慮流體與管件之前的傳熱問題，所以求解過程中忽略能量守恒方程的求解過程。彎曲管道內(nèi)部流體流動湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

采用FLUENT 前處理軟件GAMBIE 對彎曲管道物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖2 所示為典型90°彎曲管道網(wǎng)格劃分圖。進(jìn)行數(shù)值模擬計算之前對網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行考核，綜合考慮計算結(jié)果精度、誤差和計算時間，最終選擇網(wǎng)格數(shù)為165 000 個。根據(jù)網(wǎng)格考核尺寸不同物理模型劃分網(wǎng)格數(shù)量如表1 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Meshing diagram

表1 網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量Tab.1 Number of meshing

本文借助CFD 軟件，采用DPM 模型，入口邊界條件采用速度進(jìn)口，出口邊界條件采用壓力出口，管道兩側(cè)內(nèi)壁設(shè)置法向和切向反彈系數(shù)為多項式函數(shù)，壓力和速度采用SIMPLEC 方式進(jìn)行耦合，相處理方式選用COMPRESSIVE。環(huán)境溫度為25 ℃，重力加速度為9.81 m/s2。其中法向和切向反彈系數(shù)為多項式函數(shù)，采用系統(tǒng)默認(rèn)值進(jìn)行設(shè)置。

沖擊角度函數(shù)設(shè)置是根據(jù)HUSER 和KVEMVOLD 提出的模型進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，f(α)和α之間的關(guān)系如表2 所示。

在本文中，粒徑函數(shù)（Diameter Function）取值為1.89E-9，速度指數(shù)函數(shù)（Velocity Exponent Function）取值為2.6。

表2 沖擊角函數(shù)Tab.2 Impact angle function

2 結(jié)果分析

2.1 典型90°彎管沖蝕磨損

（1）管內(nèi)壓力分布。圖3 所示為典型90°彎管管內(nèi)壓力分布云圖。在入口處直管段其壓力分布均勻，當(dāng)?shù)竭_(dá)彎管段時，由于離心力的作用，彎管段外側(cè)壁面所受壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)壁面，相差約15 MPa；由于粒子在彎管處碰撞的能量損失，出口處彎管段的壓力分布趨于均勻，但是其壓力值較入口處相比下降了約1 個數(shù)量級。因此，從流動過程中的管內(nèi)壓力分布來說，彎管處的外側(cè)壁面受到的作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)壁面，并且在彎管處的碰撞作用消耗了大量的能量。

圖3 彎管整體壓力分布云圖Fig.3 Distribution cloud map of overall pressure for bending pipe

圖4 彎管湍動能分布云圖Fig.4 Distribution cloud map of turbulent kinetic energy for bending pipe

（2）湍動能分布。圖4 為入口處直管段—彎管段的湍動能分布云圖。直管段（a1、a2、a3）湍動能在管內(nèi)不同位置的分布差別不大，并且湍動能數(shù)值較?。划?dāng)流體開始進(jìn)入到彎管段時（圖2 中2 位置），湍動能最大值出現(xiàn)在管體中心位置處，與入口處最大湍動能相比增大了約2 倍；隨著流體向彎管方向流動，在中心位置處的湍動能最大值繼續(xù)增大，在圖2 中的3 位置處達(dá)到了最大值，同時在外側(cè)壁面處，出現(xiàn)了湍動能的最小值，說明在該位置處能量損耗達(dá)到了最大值。

（3）沖蝕磨損速率分布。圖5 為典型90°彎曲管道沖刷磨損速率云圖。通過管道流體入口段和流體出口段比較發(fā)現(xiàn)，流體在流經(jīng)彎管位置后，流體對彎管后半段的沖刷磨損影響程度比彎管前半部分要相對較強(qiáng)。

為了更加直觀地了解典型90°彎管在流體輸運(yùn)過程中不同位置處沖刷磨損程度，圖6 給出了彎管不同位置處的沖刷磨損速率曲線。在彎管前半部分管道受到的沖刷磨損很小，當(dāng)流體進(jìn)入彎管時，流體對外側(cè)管壁的沖擊力增大，管道受到的沖刷磨損迅速上升并達(dá)到最高值。當(dāng)流體進(jìn)入彎管后半部分（圖2 中3～4 位置）時，管道內(nèi)壁受到的流體沖刷磨損強(qiáng)度逐漸減弱。從圖4 中a7 位置開始，管道內(nèi)壁受到的沖刷磨損逐漸升高，并且到達(dá)a9 點(diǎn)位置（圖2 中3 位置）時達(dá)到第二次最高點(diǎn)，隨后沖刷磨損影響逐漸較弱。這是因?yàn)榱黧w進(jìn)入彎管段時由于彎管對流體的阻礙作用而形成擾動，并且該擾動推動流體向彎管后半部分?jǐn)U散，進(jìn)而引起沖刷磨損出現(xiàn)第二次升高的現(xiàn)象。

圖5 彎管沖蝕磨損速率分布云圖Fig.5 Distribution cloud map of erosive wear rate for bending pipe

圖6 彎管不同位置的沖蝕磨損速度變化曲線Fig.6 Change curve of erosive wear rate at different positions of bending pipe

圖7 不同入口流速彎曲管道沖蝕磨損速率分布云圖Fig.7 Distribution cloud map of erosive wear rates in bending pipe with different inlet velocities

2.2 對90°彎管沖蝕速率的影響因素分析

（1）入口流速。圖7 為不同入口流速工況條件下彎管沖刷磨損速率的分布云圖。隨著入口流速的增加，彎管部分受到的沖刷磨損逐漸增強(qiáng)，彎曲管道內(nèi)壁受到的沖刷磨損區(qū)域也逐漸擴(kuò)大。從圖8 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入口流速低于7 m/s 時，彎曲管道內(nèi)壁受到?jīng)_刷磨損的區(qū)域相對比較分散，以類似于沖刷點(diǎn)的形式出現(xiàn)，當(dāng)入口流速高于7 m/s 時，管道內(nèi)壁沖刷點(diǎn)逐漸聚集形成更大的區(qū)域。

圖8 為不同入口流速工況條件下彎管不同位置處的沖刷磨損速率曲線分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)入口流速低于7 m/s 時，管道內(nèi)壁受到流體的沖刷磨損影響相對較弱，彎曲管道整體受到的沖刷磨損影響相對比較平穩(wěn)，因此如果工程應(yīng)用要求相對較低的工況環(huán)境下，較低入口流速會明顯地改善管道的沖刷磨損現(xiàn)象。當(dāng)流速為10 m/s 和12 m/s 時，可以發(fā)現(xiàn)在管道彎管部位受到的沖刷磨損明顯高于其他區(qū)域，并且隨著入口流速的增加，其管道內(nèi)壁受到的沖刷磨損影響逐漸增大。

圖8 不同入口流速時彎曲管道不同位置的沖蝕磨損速度對比Fig.8 Comparison of erosive wear rates at different positions of bending pipe with different inlet velocities

（2）管徑。圖9 所示為不同管徑下彎管沖刷磨損速率分布云圖。當(dāng)管徑為100 mm 時，管道內(nèi)壁受到流體沖刷磨損影響分布相對比較均勻，管徑越大沖刷磨損速率也越大。同時，不同管徑下彎曲管道前半部分受到的沖刷磨損程度較彎曲管道后半部分相對較強(qiáng)。

圖9 不同管徑條件下沖蝕磨損速率分布云圖Fig.9 Distribution cloud map of erosive wear rate with different pipe diameters

圖10 不同曲率半徑下沖蝕磨損率分布云圖Fig.10 Distribution cloud map of erosive wear rate with different curvature radius

（3）曲率半徑。圖10 為曲率半徑分別為100～250 mm 時的彎管沖刷磨損速率分布云圖。當(dāng)曲率半徑由100 mm 增大到250 mm 時，管內(nèi)最大沖刷磨損速率由7.76×10-3kg/(m2·s) 降低至2.24×10-3kg/(m2·s)，即曲率半徑增大2.5 倍，最大沖刷磨損速率減小為原來的1/3。說明隨著彎管曲率半徑的增大，流體在彎管處發(fā)生的碰撞程度減小，流體擾動逐漸減小，流體對彎管內(nèi)壁的破壞程度也越來越弱。

3 結(jié)論

通過FLUENT 軟件并基于DPM 模型，對彎管輸送含有固體顆粒狀介質(zhì)時管道內(nèi)壁受到?jīng)_刷磨損情況進(jìn)行了綜合特性分析。首先通過對典型90°彎管進(jìn)行流體沖刷磨損特性分析，得出彎管沖刷磨損影響規(guī)律；并分別對彎管在不同入口流速、不同管徑和不同管道曲率半徑工況條件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出流體對彎曲管道沖刷磨損影響最大區(qū)域集中在彎管外側(cè)，并且管道內(nèi)壁受到流體的沖刷磨損速率與入口流速和管徑成正比，而隨著曲率半徑的增大，管道受到的沖刷磨損影響逐漸減弱。因此，在設(shè)計彎曲管道及相似管道時應(yīng)綜合考慮各種因素，確保油氣輸送管網(wǎng)高效并且安全運(yùn)行。