流速及丙烷體積分?jǐn)?shù)對丙烷-水兩相混輸?shù)挠绊懷芯?/h1>

2022-11-18 08:31:20張洪濤呂良廣

科技與創(chuàng)新訂閱 2022年22期 收藏

關(guān)鍵詞：形管丙烷管壁

韓 霄，張洪濤，張 林，張 鋒，呂良廣

（青島市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 青島 266100）

自20 世紀(jì)70 年代以來，隨著眾多油氣田被發(fā)現(xiàn)和開采，越來越多的油氣輸送過程開始采用多相流混輸技術(shù)。相比于油氣資源單獨(dú)輸送，多相流混輸技術(shù)能夠節(jié)約大量的人力物力，同時(shí)也更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，具有顯著的經(jīng)濟(jì)潛力[1]。相比于單相輸送，多相混輸過程中流動(dòng)介質(zhì)的多樣性往往存在復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)，不同流體可能存在速度差異，進(jìn)而形成不同的流型，影響介質(zhì)的輸送。目前，工業(yè)生產(chǎn)中常見的多相流混輸包括氣液、氣固、固液兩相流以及氣液固多相流等等，其中氣液兩相流被廣泛應(yīng)用于油氣混輸、油氣潤滑等領(lǐng)域[2-4]。由于管道運(yùn)輸具有成本低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，氣液兩相混輸多采用管道進(jìn)行運(yùn)輸。而在氣液兩相混輸過程中，稀相（氣泡或液滴）會對管壁產(chǎn)生空蝕以及沖刷腐蝕的影響，嚴(yán)重影響管道的長期使用[5]。有研究表明，氣泡的存在會對氣液兩相流管道產(chǎn)生沖刷腐蝕，最終引起管道穿孔[6]。而在彎頭處，管道的曲率發(fā)生突變，更容易受到流體沖刷作用。隨著陸上以及海上油氣田開采工作向深處發(fā)展，油井產(chǎn)物會存在大量如二氧化碳、硫化氫等腐蝕性介質(zhì)。這些腐蝕性介質(zhì)會對管道形成嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕，影響管道使用壽命。而混輸過程中稀相對管壁的沖刷作用會加劇管道的腐蝕程度。此外，油氣混輸過程中油氣比的不同也會對流體介質(zhì)的輸送產(chǎn)生一定影響。隨著混輸兩相體積分?jǐn)?shù)的改變，管道中的流型發(fā)生改變，嚴(yán)重時(shí)形成段塞流，阻塞介質(zhì)的輸送[1，3]。

隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展，越來越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對氣液兩相流中的流動(dòng)及沖刷腐蝕問題進(jìn)行研究。王祺來[7]對空管投油過程中的V形起伏管道進(jìn)行氣液兩相流模擬，發(fā)現(xiàn)在V 形起伏管道的下傾管段存在滯止氣囊即形成段塞流。聚集的氣相以氣囊的形式滯止于下傾管段，使得液相流通面積減小，導(dǎo)致液相流速突然增大；氣液兩相在管道內(nèi)存在相互作用，滯止氣囊體積的改變會引起局部壓力波動(dòng)，進(jìn)而影響流動(dòng)穩(wěn)定性，造成局部水力參數(shù)不穩(wěn)；在整個(gè)管道中，滯止氣囊以段塞形式移動(dòng)，會引起整個(gè)管線水力參數(shù)不穩(wěn)。隨后王祺來研究了不同參數(shù)對滯止氣囊的影響，并提出安全合理的運(yùn)行方案，給出了相應(yīng)的排氣措施。張欣雨等[8]通過Fluent 軟件模擬研究了V 形起伏管道中的氣液兩相流動(dòng)，對不同管徑、入口流速以及管道傾角下氣泡的生成以及運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行研究，最終得到了空管投油過程的臨界流速。該研究得到的臨界流速公式對于實(shí)際起伏管道投產(chǎn)過程中投油速度的選取具有一定指導(dǎo)意義。管孝瑞等[9]通過數(shù)值模擬方法研究了集氣站埋地集氣管道以及地面以上集氣管道內(nèi)的沖刷腐蝕問題，指出了集氣管道中存在的液相沉積現(xiàn)象以及容易受到?jīng)_刷腐蝕的管道部位。結(jié)果表明，集氣管道不同位置處存在不同程度的液相沉積，特別在彎頭處液相沉積更為顯著，液相在管道底部的沉積增加了管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。呂運(yùn)容[10]研究了石化行業(yè)中高溫條件下環(huán)烷酸的流動(dòng)腐蝕行為，并給出了工程防護(hù)方法。此外，有學(xué)者對微通道內(nèi)的氣液兩相流問題展開了研究[11]。

近年來π形輸送管道在熱力輸送過程中得到廣泛使用，其復(fù)雜的管道結(jié)構(gòu)使得其內(nèi)部流動(dòng)特性并不同于普通彎管，為了研究π形管內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律，一些學(xué)者開展了對π形管的多相流動(dòng)研究，主要包括對于π形管（π形補(bǔ)償器）的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[12-13]、受力特性分析[14]以及π形管在液固、氣固兩相流動(dòng)中的沖蝕磨損研究[15-18]。本文基于氣液兩相流理論，對實(shí)際工程應(yīng)用中某水平放置的π形丙烷-水兩相混輸管道進(jìn)行模擬研究。通過觀察π形管內(nèi)流場結(jié)構(gòu)并改變?nèi)肟诹魉僖约氨轶w積分?jǐn)?shù)來研究其對于丙烷-水兩相混輸?shù)挠绊?，本研究對于了解π形管?nèi)部的流動(dòng)特性，掌握π形管內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律以及氣液兩相混輸過程的流動(dòng)規(guī)律具有一定指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 多相流模型

本文采用歐拉（Eulerian）多相流模型對管道中的丙烷-水兩相流動(dòng)進(jìn)行模擬研究[19-20]。該模型能夠精確模擬氣液兩相流問題，其任一相的連續(xù)性方程為：

式（3）中：μq和λq分別為q相的剪切粘度和體積粘度。

1.2 湍流模型

湍流模型采用基于RANS 方法的Realizablek-ε湍流模型[21]。該模型對分離流和具有復(fù)雜二次流特征的流場具有較高的求解精度。Realizable k-ε模型的湍動(dòng)能k以及湍流耗散率ε方程如下：

式（4）（5）中：σk、σε分別為k、ε的湍流普朗特?cái)?shù)，其值分別為1.0 和1.2；Gk和Gb分別為由平均速度梯度和浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；YM為可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對整體耗散率的影響；Sk和Sε為源項(xiàng)；C1=max[0.43，C、C為模型默認(rèn)常21ε數(shù)，其值分別為1.9、1.44。

1.3 模擬參數(shù)

本文對不同流速以及丙烷體積分?jǐn)?shù)條件下水平放置π形管內(nèi)丙烷-水兩相混輸流動(dòng)進(jìn)行模擬研究，丙烷-水物性參數(shù)如表1 所示，模擬所需操作變量如表2 所示。 在模擬時(shí)邊界條件分別選擇速度入口（velocity-inlet）以及壓力出口（pressure-outlet），壓力-速度耦合方法采用SⅠMPLE 耦合方法，壓力離散格式采用PRESTO 離散格式，其余均采用QUⅠCK 格式，壁面采用固定無滑移邊界條件。

表1 丙烷及水物性參數(shù)

表2 操作參數(shù)

2 幾何模型

2.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

本研究所采用幾何模型為水平放置π形管道，管道幾何模型及尺寸如圖1 所示。其中，π形管管徑D=500 mm，彎頭曲率半徑r=1.5D，彎頭兩側(cè)直管長L=6 m。為得到高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用ⅠCEM 軟件對網(wǎng)格進(jìn)行O-block 劃分，并對邊界層部分網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。彎頭以及管道橫截面處的網(wǎng)格如圖2 所示。

圖1 π形管幾何模型及尺寸

圖2 π形管網(wǎng)格劃分

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為同時(shí)考慮計(jì)算精度以及計(jì)算效率，對模擬所需網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。不同網(wǎng)格數(shù)量下管壁的最大剪切力變化如圖3 所示。由圖3 可知，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，壁面最大剪切應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到797 122 以后，壁面最大剪切應(yīng)力基本達(dá)到穩(wěn)定，因此采用網(wǎng)格數(shù)為797 122 的網(wǎng)格開展后續(xù)模擬研究。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

3 結(jié)果與討論

3.1 流場分布

流速2.5 m/s、丙烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)π形管管壁的壓力分布如圖4 所示。由圖4 可知，管壁壓力沿π形管軸向位置的改變而變化，同時(shí)由于π形管水平放置，在重力方向上存在明顯的壓力梯度。在π形管入口直管段，氣液兩相沿管道軸向流動(dòng)，壓力軸向分布基本不變。而當(dāng)氣液兩相流經(jīng)彎頭時(shí)，由于管道曲率發(fā)生突變，氣液兩相受到離心力作用，使得彎頭處壓力分布發(fā)生變化。在管道內(nèi)部，靠近彎頭內(nèi)拱的流體受到的離心力較小，速度大，產(chǎn)生的動(dòng)能較大，因此這部分流體的比壓能小，壓力較低；相反，靠近彎頭外拱的流體所受離心力較大，速度小于內(nèi)側(cè)流體，比壓能較大，壓力較高。因此，在4 個(gè)彎頭處，壓力分布均表現(xiàn)為彎頭外拱壓力高于內(nèi)拱壓力。同時(shí)在流動(dòng)過程中，由于重力作用，液相始終位于管道底部，氣相聚集在管道頂部，使得在不同軸向位置處管道底部的壓力顯著高于管道頂部，造成了4 個(gè)彎頭處非對稱的壓力分布。

圖4 管壁壓力分布

該條件下管道中心截面水相的速度分布如圖5 所示。由圖5 可知，π形管的速度分布在直管部分比較均勻，而在彎頭處則存在一定差異。在π形管第一個(gè)彎頭前的流動(dòng)區(qū)域，液相速度基本保持均勻分布；而在彎頭處，由于管道曲率突變，流體受到離心力作用，導(dǎo)致彎頭內(nèi)側(cè)流體流速高于外側(cè)流體，形成如圖5 所示的速度梯度，這與圖4 中彎頭處的壓力分布相符；此外可以看到，由于彎頭曲率引起的流向變化，流體在流入下游直管時(shí)無法迅速充滿整個(gè)管道，在彎頭內(nèi)側(cè)與下游直管的連接處存在一定范圍的低速區(qū)，隨著流體的繼續(xù)流動(dòng)，管道內(nèi)的速度分布最終趨于均勻。

圖5 中心截面液相速度分布

不同流速以及丙烷體積分?jǐn)?shù)下π形管管壁最大壓力的變化規(guī)律如圖6 所示。由圖6 可知，隨著流體中丙烷體積分?jǐn)?shù)的增加，π形管管壁最大壓力線性降低；隨著入口流速的增大，管壁壓力顯著增加。從圖4 壓力分布云圖可知，π形管管壁最大壓力位于管道底部的液相區(qū)。當(dāng)流體中丙烷體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，其分壓作用更加明顯，使得液相（水）所占分壓減小，因此π形管管壁最大壓力線性降低。當(dāng)管道入口流速增加時(shí)，流體自身動(dòng)能增大，對管壁的沖擊作用增大，最終導(dǎo)致管壁壓力增加。

圖6 不同流速以及丙烷體積分?jǐn)?shù)下管壁最大壓力變化

3.2 丙烷分布

丙烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)不同流速下π形管壁面的丙烷分布云圖如圖7 所示。由圖7 可知，丙烷在π形管的不同位置分布不同。在π形管入口處，丙烷和水兩相分散較為均勻，而隨著流體的流動(dòng)，丙烷主要集中在管道頂部；在各彎頭處，丙烷所受離心力較小，因此主要聚集在彎頭內(nèi)側(cè)；當(dāng)氣液兩相流出彎頭時(shí)，丙烷在管道內(nèi)呈現(xiàn)出均勻分布，隨著在下游直管中的流動(dòng)，丙烷再次聚集到管道頂部。由于π形管內(nèi)流體流向與重力方向垂直，丙烷需要克服重力跟隨液相流動(dòng)。在流動(dòng)過程中，由于氣液兩相密度差較大，水相對于丙烷的攜帶能力較差，丙烷有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢，在流動(dòng)一定時(shí)間后上升到管道頂部并發(fā)生聚集。丙烷聚集在管道頂部形成連續(xù)的氣相區(qū)，使得最終得到的丙烷體積分?jǐn)?shù)減少，不利于丙烷的管道運(yùn)輸。同時(shí)，氣相聚集使得π形管橫截面上的有效流通面積發(fā)生急劇變化（當(dāng)氣相聚集嚴(yán)重時(shí)形成段塞流），極易引起管道局部位置壓力波動(dòng)甚至π形管整體壓力變化，增加管道輸送的水頭損失，不利于管道長周期運(yùn)行。此外，對比圖7（a）及圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，隨著入口流速的增加，丙烷聚集區(qū)域的面積有所減小，且管道頂部丙烷的體積分?jǐn)?shù)下降。這是由于當(dāng)流速增加時(shí)，丙烷自身動(dòng)能顯著增大，對于液相（水）的跟隨性增強(qiáng)，丙烷能夠更好地沿著主流方向流動(dòng)，其在重力方向上的二次流動(dòng)減弱，因此在管道頂部的聚集程度降低，聚集區(qū)域面積減小。

圖7 不同流速下π形管管壁丙烷分布

不同流速以及入口丙烷體積分?jǐn)?shù)下管壁丙烷最大體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律如圖8 所示。由圖8 可知，隨著入口丙烷體積分?jǐn)?shù)的增加，管壁丙烷體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出線性增大的趨勢；隨著流速的增大，管壁丙烷體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)小幅度下降，且入口丙烷體積分?jǐn)?shù)越大，管壁丙烷體積分?jǐn)?shù)下降越明顯。當(dāng)管道入口丙烷體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，管道內(nèi)的整體丙烷體積分?jǐn)?shù)增加，在流動(dòng)過程中更多的丙烷受重力影響聚集到管道頂部，使得管壁丙烷體積分?jǐn)?shù)增加；而隨著流速的增大，管道內(nèi)丙烷動(dòng)能增大，對液相的流動(dòng)跟隨性增強(qiáng)，對重力的抵抗效果更顯著，最終導(dǎo)致丙烷在管道頂部的聚集程度減弱。研究結(jié)果表明，管道流速的增加使得丙烷在管道內(nèi)的流動(dòng)性增強(qiáng)，減小了丙烷在管道頂部的聚集，有效減輕了管道內(nèi)的壓力波動(dòng)，有利于丙烷的長期運(yùn)輸。

圖8 不同流速以及入口丙烷體積分?jǐn)?shù)下π形管管壁最大丙烷體積分?jǐn)?shù)變化

3.3 剪切力分布

管壁剪切力表示了流體對于管壁的剪切作用，管壁剪切力越大，流體對于管壁的剪切和沖刷作用越大[9]。不同流速下丙烷體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)π形管管壁的水相剪切應(yīng)力分布如圖9 所示。由圖9 可知，π形管管壁受到了不同程度的液相剪切作用。在各直管段，管壁剪切力分布均勻且變化較小；而在彎頭處，管壁剪切力則有明顯不同。由于彎頭處管道曲率的變化，流體被迫改變流動(dòng)方向，對管壁產(chǎn)生剪切作用。同時(shí)，由于彎頭內(nèi)側(cè)流體流速較大，對彎頭內(nèi)拱的剪切作用明顯高于外拱，極易導(dǎo)致壁面厚度減薄，甚至穿孔。此外，在彎頭與下游直管的連接處也出現(xiàn)了一定范圍的高剪切力區(qū)域。這是由于靠近彎頭內(nèi)拱的流體在流過彎頭時(shí)沿內(nèi)拱切線方向運(yùn)動(dòng)，使得彎頭與下游直管連接處出現(xiàn)高剪切應(yīng)力區(qū)域；同時(shí)，由于彎頭引起的管道曲率變化，流體在流過彎頭后在短時(shí)間內(nèi)無法迅速充滿整個(gè)管道，因此連接處的剪切應(yīng)力徑向分布并不均勻。

圖9 不同流速下π形管壁面剪切力分布

不同流速以及入口丙烷體積分?jǐn)?shù)下管壁最大剪切力的變化規(guī)律如圖10 所示。由圖10 可知，隨著入口丙烷體積分?jǐn)?shù)的增加，管壁最大剪切力線性下降；隨著流速的增大，管壁剪切應(yīng)力顯著增大。當(dāng)管道入口丙烷體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，管道內(nèi)的丙烷體積分?jǐn)?shù)增大，液相體積分?jǐn)?shù)減小。當(dāng)單個(gè)水分子對管壁的剪切作用不變時(shí)，由于水的體積分?jǐn)?shù)的減小，液相整體對于管壁的剪切作用減小，使得管壁剪切力減小。而隨著流速的增加，液相自身動(dòng)能增大，在流動(dòng)過程中對于管壁的沖刷和剪切作用增強(qiáng)，最終導(dǎo)致剪切力的增大。模擬結(jié)果表明，流速的增加會使得管壁剪切力增加，不利于管道的長期使用，因此在實(shí)際運(yùn)輸過程中，要合理選擇流速大小。

圖10 不同流速以及入口丙烷體積分?jǐn)?shù)下π形管管壁最大剪切力變化

4 結(jié)論

本文通過歐拉（Eulerian）多相流模型以及Realizablek-ε湍流模型對水平放置π形管進(jìn)行丙烷-水兩相混輸流動(dòng)模擬研究。對不同入口流速以及丙烷含率下π形管內(nèi)流場分布、管壁丙烷分布以及剪切力分布進(jìn)行具體研究，得到的主要結(jié)論如下。

在水平放置的π形管內(nèi)，液相對于丙烷的攜帶能力較差。由于流體主流方向與重力方向垂直，在流動(dòng)過程中丙烷需要在重力作用下跟隨液相流動(dòng)，逐漸在管道頂部形成丙烷聚集區(qū)，不利于丙烷的輸送。

隨著入口流速的增加，氣液兩相動(dòng)能顯著增大，管路流動(dòng)更穩(wěn)定。由于流速的增大，管壁丙烷的最大體積分?jǐn)?shù)有所降低，丙烷在管道頂部的聚集程度減弱，有利于丙烷的輸送；而液相速度的增大會導(dǎo)致管壁受到的液相剪切作用增強(qiáng)，引起管壁壓力增大，不利于管道的長期使用。

隨著入口丙烷體積分?jǐn)?shù)的增加，管道內(nèi)丙烷的體積分?jǐn)?shù)增加，造成管道頂部丙烷聚集程度的增加，不利于丙烷的運(yùn)輸；由于丙烷體積分?jǐn)?shù)增加，管道內(nèi)液相的體積分?jǐn)?shù)減小，引起水相分壓減小，對于管壁的剪切作用減弱，最終導(dǎo)致管壁壓力降低。

在實(shí)際運(yùn)輸過程中，為保證丙烷管道輸送的穩(wěn)定性，應(yīng)控制管道入口丙烷含率以及流速在合理范圍內(nèi)，減小丙烷在管道頂部的聚集，減輕對輸送介質(zhì)以及管道的損害。

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