含砂氣流沖蝕下盲三通的減磨特性數(shù)值分析

李金寶 馬 川 劉立君 李曉慶

1. 東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318;2. 常熟理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215500

0 前言

天然氣在開采和集輸過程中,氣井的出砂量不斷增加,雖在天然氣運輸前已經(jīng)過排砂、過濾等凈化處理,但仍存在微小砂粒等固體雜質(zhì)隨著高速流動的氣流進(jìn)入輸氣管道的現(xiàn)象,導(dǎo)致管道壁面不斷受到砂粒的沖蝕磨損。經(jīng)過長時間的沖蝕磨損累積,管道承壓能力減弱,嚴(yán)重時集輸管道會發(fā)生破裂穿孔,導(dǎo)致油氣泄漏和環(huán)境污染,造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失,對人民的生命安全構(gòu)成巨大威脅[1-4]。國內(nèi)外學(xué)者在探索傳統(tǒng)90°彎管的抗沖蝕減磨方法時,發(fā)現(xiàn)盲三通管道的內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)可改變流動介質(zhì)的流態(tài),在盲端處形成“緩沖帶”來減緩砂粒對管壁的沖擊[5-7]。

國內(nèi)外學(xué)者對管內(nèi)兩相流的沖蝕磨損進(jìn)行了大量實驗和數(shù)值研究。Sedrez T A等人[8]通過實驗和計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)數(shù)值模擬給出多相液砂和分散氣泡兩種不同流型在90°彎管的沖蝕行為，結(jié)果表明：隨著混合氣流速度增大,沖蝕量增大;不同流型在90°彎管得到的最大沖蝕速率位置有所偏差。Vieira R E等人[9]研究了氣流中砂粒對彎管沖蝕實驗和數(shù)值模擬,得到彎管表面最大沖蝕速率位置;增大顆粒直徑不能改變最大沖蝕速率位置,隨著氣流速度增大,彎頭表面沖蝕速率呈增大趨勢。楊德成等人[10]通過Fluent數(shù)值仿真軟件計算90°彎管沖蝕規(guī)律,得出不同固體顆粒參數(shù)及90°彎管結(jié)構(gòu)參數(shù)對沖蝕規(guī)律和最大沖蝕速率位置的影響。林楠等人[11]運用機(jī)理分析和CFD數(shù)值模擬方法研究氣—固兩相流在不同形狀的管線彎頭內(nèi)壁沖蝕磨損規(guī)律,得出直角彎頭耐沖蝕性優(yōu)于常規(guī)圓弧形彎頭。何興建等人[12]通過Fluent數(shù)值仿真軟件,研究不同顆粒濃度、顆粒速度對T型彎頭內(nèi)液—固兩相流的沖蝕速率以及沖蝕區(qū)域分布的影響,結(jié)果表明沖蝕速率隨流速的變化呈非線性增大,隨顆粒濃度的增加幾乎呈線性增大,集中沖蝕區(qū)域位置幾乎不變。

以現(xiàn)有研究來看,國內(nèi)外學(xué)者對管道沖蝕研究主要集中在傳統(tǒng)90°彎管的沖蝕情況分析,在盲三通的沖蝕研究中,主要研究液—固兩相流的沖蝕,鮮有對盲三通內(nèi)氣—固兩相流的沖蝕磨損行為進(jìn)行研究。由此,本文基于Fluent數(shù)值仿真軟件,采用計算流體力學(xué)—顆粒離散(Computational Fluid Dynamics-Discrete Phase Model,CFD-DPM)方法,研究在含砂氣流沖蝕下90°彎管和盲三通的流場分布,揭示其沖蝕磨損機(jī)理,計算不同流速、砂粒粒徑和砂粒質(zhì)量流量條件下90°彎管和盲三通壁面的沖蝕速率,對比分析盲三通的抗沖蝕減磨能力,所得模擬結(jié)果可為集輸站輸氣管道的安全運行提供一定的理論參考。

1 幾何模型

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

盲三通和90°彎管的幾何結(jié)構(gòu)見圖1,盲三通和90°彎管的管徑均為120 mm,盲三通的盲段長度取120 mm,90°彎管的曲率半徑為120 mm,彎徑比取1,為使氣—固兩相流能夠在管道內(nèi)充分流動,盲三通和90°彎管的前管道長度均設(shè)置為管徑的10倍(1 200 mm)。

a)盲三通a)Blind tee

1.2 初始參數(shù)設(shè)置

本研究以實際工程中的輸氣工況為背景,常溫常壓下,管內(nèi)連續(xù)相氣體為密度0.667 9 kg/m3的甲烷(天然氣的主要成分),離散相砂粒為密度2 719 kg/m3的均勻光滑球體顆粒,粒徑為100 μm,砂粒質(zhì)量流量為0.002 kg/s,氣流與砂粒的初始速度均為15 m/s,為了方便與后續(xù)數(shù)值計算做對比,盲三通與90°彎管的其余各操作參數(shù)完全相同。

2 數(shù)值計算模型

數(shù)值計算模型采用重整化群(Re-Normalization Group,RNG)k-ε湍流模型,該模型能夠有效提高流體在管道內(nèi)發(fā)生旋渦流和大曲率流動現(xiàn)象時模型的計算精度[13-14]。固體顆粒離散模型遵循歐拉—拉格朗日方程,為了求解基于拉格朗日參考坐標(biāo)系下的固體顆粒運動軌跡,需要依據(jù)牛頓第二定律對粒子受力微分方程進(jìn)行積分來確定[15-16]。管內(nèi)計算域入口端邊界設(shè)置為速度入口,出口端設(shè)置為自由流出,管壁為無滑移邊界,近壁邊界區(qū)域應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理[17],湍流動能和動量采用二階迎風(fēng)離散差分格式,模型在求解器中選用SIMPLE算法進(jìn)行求解。

2.1 沖蝕模型

由挪威船級社依據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真結(jié)果提出的DNV沖蝕模型[18-19],適用于計算碳鋼材質(zhì)管道壁面的沖蝕速率,其模型方程如下:

(1)

(2)

式中:E為沖蝕速率,kg/(m2·s);α為顆粒入射沖擊角，°；up為顆粒沖擊速率，m/s；F(α)為沖擊角函數(shù);C為經(jīng)驗常數(shù),取值2.0×10-9;n為速度指數(shù),取值2.6;Ai為試驗參數(shù)，i=1,2,3,…,8,Ai取值見表1。

表1 DNV沖蝕模型Ai參數(shù)取值表

2.2 顆?！诿媾鲎卜磸椖Ｐ?/h3>

砂粒與壁面碰撞的過程存在一定的能量轉(zhuǎn)化和損失,粒子反彈后的速度一般要小于之前對管壁的沖擊速度,經(jīng)大量學(xué)者研究采用恢復(fù)系數(shù)來描述粒子碰撞前后的速度變化,基于前人總結(jié),管道的顆?！诿媾鲎卜磸椖Ｐ头匠倘缦耓20]:

εt=0.998-0.029α+6.43×10-4α2-

3.56×10-6α3

(3)

εn=0.993-0.030 7α+4.75×10-4α2-

2.61×10-6α3

(4)

式中:εt為切向反彈恢復(fù)系數(shù);εn為法向反彈恢復(fù)系數(shù)。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

采用ANSYS Meshing模塊對盲三通和90°彎管進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對兩個模型進(jìn)行了網(wǎng)格的無關(guān)性驗證,見圖2。

根據(jù)圖2的變化規(guī)律,網(wǎng)格數(shù)處于125 590～178 710 個區(qū)間時,平均沖蝕速率隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加而增大。網(wǎng)格數(shù)處于200 475～308 864個區(qū)間時,平均沖蝕速率變化趨于穩(wěn)定。因此,在保證數(shù)值計算精確的前提條件下,應(yīng)盡可能減少數(shù)值計算的計算量,選擇網(wǎng)格數(shù)200 475作為本章數(shù)值模擬計算的基準(zhǔn)網(wǎng)格數(shù)。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證示意圖Fig.2 Schematic diagram of mesh independence verification

3 計算結(jié)果分析

3.1 90°彎管沖蝕流場分布情況

流速15 m/s、砂粒粒徑 100 μm、砂粒質(zhì)量流量 0.002 kg/s 工況下，90°彎管截面的壓力分布、速度分布和壁面沖蝕云圖見圖3。由圖3可看出，在彎頭處管內(nèi)壓力場和速度場的變化較為明顯,靠近彎頭外側(cè)管內(nèi)流體壓力有最大值,流體速度分布較小,靠近彎頭內(nèi)側(cè)管內(nèi)速度有最大值且存在負(fù)壓。其原因是氣—固兩相流在彎頭處流動產(chǎn)生離心作用,彎頭內(nèi)側(cè)的牽引作用改變了氣—固兩相流的流動方向,導(dǎo)致彎頭內(nèi)側(cè)出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象,由彎頭內(nèi)側(cè)到外側(cè)壓力逐漸升高;90°彎管外側(cè)的比壓能轉(zhuǎn)化為內(nèi)側(cè)流體的動能,使90°彎管內(nèi)側(cè)速度增大。

從圖3-c)可以看出,具有較大動能的砂粒從水平管右端進(jìn)入，與彎頭壁面發(fā)生碰撞,導(dǎo)致砂粒動能驟降,運動軌跡突變,并在后續(xù)氣流曳力作用推動下,沿豎直管段流線流出,全程幾乎不與水平管段和豎直管壁面發(fā)生碰撞,因此,直管段壁面受氣—固兩相流的沖蝕作用很小,整個90°彎管壁面發(fā)生嚴(yán)重沖蝕磨損區(qū)域分布主要集中在沿彎頭中心線外側(cè)處壁面,且彎頭上游壁面受沖蝕程度相比彎頭下游壁面的受沖蝕程度弱一些,沖蝕區(qū)域分布比較分散,下游壁面受沖蝕強(qiáng)度較高,嚴(yán)重沖蝕區(qū)域分布相對集中。

a)90°彎管壓力分布a)90° elbow pressure distribution

3.2 盲三通沖蝕流場分布情況

盲三通的截面壓力分布和速度矢量分布見圖4和圖5。

圖4 盲三通壓力分布圖Fig.4 Blind tee pressure distribution

圖5 盲三通速度矢量分布圖Fig.5 Blind tee velocity vector distribution

由圖4～5可看出,水平管段保持較高的壓力分布,而在豎直管段的壓力較低;氣—固兩相流在盲三通的水平管段和豎直管段交叉處有較大的速度變化,在盲端處有流場速度最小值。這是由于砂粒受到氣流的湍動能干擾并受砂粒自身重力影響在盲端連接處產(chǎn)生復(fù)雜的隨機(jī)運動,使得盲端流場變化波動較大,因重力的偏流作用,其中一部分砂粒在水平管段運動到盲端處會向下偏移,與盲端底部壁面發(fā)生碰撞,導(dǎo)致砂粒的沖擊動能轉(zhuǎn)化為對盲三通管壁的比壓能,砂粒的運行速度驟降,后續(xù)砂粒在盲端處不斷堆積沉淀,使盲段底部壓力值較高;另一部分砂粒與盲端壁面發(fā)生碰撞反彈運動,在后續(xù)氣流的攜帶作用下進(jìn)入豎直管段運動,且先行氣流在后續(xù)氣流的推動下,會在盲端區(qū)域形成氣流緩沖渦旋區(qū),這也正是盲三通對比90°彎管具有抗沖蝕減磨能力的關(guān)鍵所在。當(dāng)后續(xù)入口端的砂粒通過緩沖區(qū)域時,砂粒的動能就會在緩沖區(qū)域得到消耗從而大幅度減小,氣流對砂粒的曳力拖拽作用則越來越強(qiáng),從而緩解砂粒對管壁的沖擊,達(dá)到減緩沖蝕的效果。

介質(zhì)流速是影響管道沖蝕行為的關(guān)鍵因素,不同流速下盲三通的壁面沖蝕區(qū)域分布見圖6。從圖6可看出，盲三通發(fā)生嚴(yán)重沖蝕部位的地方有兩處:一是在靠近盲端的豎直管段壁面上；二是在盲端圓壁處,盲三通的水平管段和豎直管出口段受砂粒的沖蝕程度較小。當(dāng)流速較低時,盲三通受沖蝕磨損位置主要集中在連接處的豎直管壁面,而盲端壁面幾乎不受沖蝕。隨著流速增大,盲三通的壁面嚴(yán)重沖蝕區(qū)域分布逐漸向盲端圓壁上端和水平豎直管連接處兩側(cè)擴(kuò)大。當(dāng)流速為 15 m/s 時,盲三通壁面最大沖蝕速率為6.33×10-7kg/s/m2,而同工況下明顯小于90°彎管壁面的最大沖蝕速率1.1×10-6kg/s/m2,該沖蝕速率的大小直接影響管道的使用壽命,再次證明氣—固兩相流沖蝕下盲三通的抗沖蝕能力較強(qiáng)。當(dāng)氣流速度較大時,結(jié)合圖5盲三通速度矢量分布發(fā)現(xiàn),砂粒在氣流的二次流牽引作用下,在豎直管段進(jìn)行無規(guī)則紊亂運動,不可避免地對豎直管壁產(chǎn)生一定的沖蝕磨損。

a)5 m/s

3.3 盲三通對比90°彎管的減磨特性分析

在砂粒粒徑為100 μm、砂粒質(zhì)量流量為0.002 kg/s的條件下,研究不同流速對90°彎管和盲三通壁面最大沖蝕速率的影響。最大沖蝕速率與流速關(guān)系曲線見圖7。

圖7 最大沖蝕速率與流速關(guān)系曲線圖Fig.7 Relationship between maximum erosion rate and flow velocity

由圖7可看出,90°彎管和盲三通的壁面最大沖蝕速率隨流速的增大而逐漸增大。這是因為隨著流速的增大氣流的湍動能增加,使砂粒在單位時間內(nèi)保持較大的動能轉(zhuǎn)化狀態(tài),進(jìn)而增強(qiáng)了對壁面的沖蝕強(qiáng)度。對比90°彎管,當(dāng)流速處于5～10 m/s階段時,盲三通的減磨效果不太明顯,這歸因于流速較小時,大部分砂粒直接與盲三通壁面發(fā)生碰撞和與90°彎管的碰撞方式幾乎無差異。而流速從10 m/s提高到25 m/s時,由于盲三通的特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu),盲端存在氣流緩沖渦旋區(qū),高速運動的砂粒在與盲三通壁面發(fā)生碰撞前須經(jīng)過該緩沖段,這樣就會很大程度地緩解砂粒對盲三通壁面的沖擊。

最大沖蝕速率與砂粒粒徑關(guān)系曲線見圖8。

圖8 最大沖蝕速率與砂粒粒徑關(guān)系曲線圖Fig.8 Relationship between maximum erosion rate andsand particle size

由圖8可看出,保持流速為15 m/s、砂粒質(zhì)量流量為0.002 kg/s不變的條件下,90°彎管和盲三通的壁面最大沖蝕速率隨砂粒粒徑的增加不斷增大,當(dāng)砂粒粒徑較小時,盲三通與90°彎管的壁面受沖蝕強(qiáng)度幾乎相同,當(dāng)砂粒粒徑從100 μm增加到200 μm時,盲三通對比90°彎管的壁面受沖蝕磨損程度明顯減小,之后壁面最大沖蝕速率隨砂粒粒徑的增大趨于平穩(wěn)。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是增大砂粒粒徑也就意味著單個砂粒的體積和質(zhì)量都在變大,單個砂粒受到的慣性力變大,導(dǎo)致壁面受到的沖蝕強(qiáng)度增高。大粒徑砂粒更容易受到氣流渦旋的曳力影響,大粒徑砂粒的沖擊動能消耗過多,使盲三通的磨損程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于90°彎管的磨損程度。當(dāng)砂粒粒徑增大到一定尺寸時,大粒徑砂粒占據(jù)空間較大體積,砂粒與管壁的有效碰撞次數(shù)逐漸減少,因此,隨著砂粒粒徑的增加,壁面最大沖蝕速率的增長幅度逐漸降低。

在氣—固兩相流流速為15 m/s、砂粒粒徑為100 μm的條件下,90°彎管和盲三通壁面最大沖蝕速率與不同砂粒質(zhì)量流量的變化關(guān)系曲線見圖9。隨著砂粒質(zhì)量流量的遞增,兩種管道壁面最大沖蝕速率呈線性增長,盲三通的增長幅度要略小于90°彎管的增長幅度。這是因為砂粒質(zhì)量流量的變化將會影響砂粒對壁面的沖擊頻率,隨著砂粒質(zhì)量流量的增大,高頻率的砂粒不斷與90°彎管彎頭處壁面發(fā)生沖擊碰撞,受沖蝕磨損程度不斷加劇;由于盲三通的結(jié)構(gòu)性，高頻次的沖擊容易使砂粒在盲端沉淀堆積,減少了后續(xù)砂粒在盲端處對管壁的直接碰撞，再考慮到氣流渦旋的緩沖效果,砂粒質(zhì)量流量越大,盲三通相比90°彎管的減磨效果就越明顯。

圖9 最大沖蝕速率與砂粒質(zhì)量流量關(guān)系曲線圖Fig.9 Relationship between maximum erosion rateand sand mass flow rate

4 結(jié)論

1)從90°彎管的流場變化分布發(fā)現(xiàn),90°彎管的外側(cè)壁有最大壓力,速度較小,內(nèi)側(cè)壁存在負(fù)壓,有速度最大值;90°彎管嚴(yán)重沖蝕磨損位置主要集中在彎頭外側(cè)壁中心線附近,內(nèi)側(cè)壁、水平和豎直管段幾乎不發(fā)生與砂粒的碰撞。

2)盲三通壁面嚴(yán)重沖蝕磨損區(qū)域主要分布在靠近盲端的豎直管段壁面以及盲端圓壁,較高流速下,因二次流作用,砂粒也會對豎直管外壁產(chǎn)生沖蝕磨損;盲三通的特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)使氣流在盲段形成緩沖渦旋區(qū),減緩了砂粒對壁面的沖擊。

3)隨著流速、砂粒粒徑和砂粒質(zhì)量流量的增大,盲三通和90°彎管的壁面最大沖蝕速率都在不斷增加,流速、砂粒粒徑、砂粒質(zhì)量流量的數(shù)值變化較小時,盲三通壁面最大沖蝕速率與90°彎管相差很小,數(shù)值變化越大,盲三通的抗沖蝕減磨效果表現(xiàn)就越顯著,所得結(jié)果對集輸站常規(guī)尺寸輸氣管道的安全運行具有一定的理論指導(dǎo)意義。