集輸管道多相流沖刷腐蝕數(shù)值模擬研究

姚景，郝成名，王樹立，李祉睿，徐慧

(1.泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué)能源學(xué)院，福建 晉江 362268；2.福建省清潔能源協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 晉江 362268)

0 引言

油田在開發(fā)中后期，為了保持原油儲層中壓力并提高原油的采出率，需向油層注水開采。由于管道所經(jīng)地域的地形以及地貌的差異，當(dāng)油水流經(jīng)集輸管道時極易形成油水乳狀液[1-4]。在長期的油品輸送過程中管道中會存在小顆粒的砂粒以及其他雜質(zhì)在彎頭處沉積，這給管道運(yùn)輸油品帶來很大的安全隱患，且油水兩相中水分的存在會導(dǎo)致管道發(fā)生空化腐蝕。江山等[5]對90°大曲率圓形截面彎管內(nèi)部流體三維數(shù)值模擬在fluent軟件中，RNG k-?湍流模型在彎管內(nèi)部流態(tài)可以準(zhǔn)確地反映。林楠等[6]分析了沖蝕磨損與固體顆粒的運(yùn)動的軌跡之間的關(guān)系，提出彎頭處流體的顆粒雜質(zhì)的入射角度對于管道的腐蝕速率有影響，同時發(fā)現(xiàn)管道的的曲率半徑和外形都可以減小管道彎頭處的沖蝕速率。管道流體流體力學(xué)因數(shù)對管道的沖蝕速率影響很大。彭文山等[7]研究了管道的彎徑比、管道直徑、彎曲角度對含砂兩相流管道的沖刷腐蝕規(guī)律，考慮顆粒碰撞模型的沖蝕作用情況，發(fā)現(xiàn)彎管沖蝕嚴(yán)重區(qū)域有彎頭側(cè)壁、彎頭連接處、下游直管段的外側(cè)，隨著管道物性的改變，沖蝕嚴(yán)重區(qū)域也會發(fā)生隨著發(fā)生變化。李亮[8]等研究了注汽管網(wǎng)中氣、液、固三相對彎管形成的連續(xù)沖刷，造成彎管的腐蝕泄漏現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)在彎管彎曲程度的增加時，液相和顆粒相分布、壁面磨損區(qū)域均會逐步向彎管的出口直管段移動，且在該段的沖刷腐蝕速率逐漸增大；增大管壁處油相體積分?jǐn)?shù)可有效降低固相顆粒對管道壁面的沖刷腐蝕。冉亞楠[9]等研究了彎曲半徑對不同結(jié)構(gòu)彎管液固兩相流沖蝕磨損影響，且發(fā)現(xiàn)在彎曲半徑較大時，沖蝕損傷部位集中在彎頭外壁面和出口直管段外壁面。通過對管徑的研究發(fā)現(xiàn)：最大沖蝕速率隨管徑增大而減小。

高黏度油品在長距離輸送管道中流動時，由于地質(zhì)條件的變化，在一些特殊地段，需要采用特殊管段輸送油品，但是國內(nèi)外對于管道腐蝕產(chǎn)生的影響因素研究較少，文章通過對比管道中不同的入口速度、不同粒徑、不同含水率對于管道腐蝕速率影響進(jìn)行了研究分析。

1 建立模型

1.1 幾何模型與網(wǎng)格

文章以集輸管道中120°彎管進(jìn)行數(shù)值模擬，整個管道分為三段，L1、L2、L3三段，彎管管徑為D=250 mm；彎徑比3，其幾何模型如圖1所示，網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

1.2 計算模型的建立

1.2.1 連續(xù)相控制方程

圖1 彎管二維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 彎管網(wǎng)格圖

式中：ai為第i相體積分?jǐn)?shù)；ρi為第i相的密度(kg/m3)；為第相的平均速度(m/s)[10]。

1.2.2 動量方程

式中：P為壓力(Pa)；τk分子動力(N/m2)；τk為紊動應(yīng)力(N/m2)；Mk單位體積相間動量傳遞(N/m3)；(Fint)k內(nèi)在力(N/m3)；g為重力加速度(m/s2)；SD為動量源項(N/m3)[10]。

1.2.3 湍流方程

其中：

式中：ε為湍流耗散率(W/m3)；k為湍流動能(J)；μt湍流黏度(Pa·s)；k湍流動能(J)；YM可壓湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；Gk是平均速度引起湍流動能產(chǎn)生項；Gb浮力引起的湍動能k產(chǎn)生項；Sk，Sε自定義無因次參數(shù)。C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09為經(jīng)驗常數(shù)。

1.2.4 離散相控制方程

DPM模型積分Lagrangian坐標(biāo)系下離散顆粒的運(yùn)動方程計算運(yùn)動軌跡。固體顆粒在兩相流中受到馬格努斯(Magnus)力、繞流阻力、薩夫曼(Saffect曼)力、重力、Basset力、附加質(zhì)量力、壓力梯度力等作用力，受受力平衡與顆粒的慣性作用，分散相的顆粒運(yùn)動方程如下[11]：

式中：ua砂粒速度(m/s)；ρa(bǔ)砂粒密度(kg/m3)；u連續(xù)相速度(m/s)；da砂粒直徑(μm)；gyy方向重力加速度(9.8 m/s2)；Rea相對雷諾數(shù)；CD曳力系數(shù)；Fy為y方向的其他作用力。

1.2.5 沖蝕理論模型

在Fluent數(shù)值模擬軟件中顆粒腐蝕與沉積模型適用于文章的研究[12]。

式中：Re為壁面腐蝕速率(kg/(m2·s))；N為碰撞顆粒數(shù)目；ma為顆粒質(zhì)量流量(kg/s)；C(da)為顆粒直徑函數(shù)；θ為顆粒對壁面侵入角(°)；f(θ)為侵入角函數(shù)；d(u)為相對速度函數(shù)，取2.6 m/s。

1.3 邊界條件以及數(shù)值算法

管道中流體為油水固流體三相，在常溫下進(jìn)行輸送油品，其中原油黏度2 895 Pa·s，原油密度為865 kg/m3，管道中固體的顆粒密度2 550 kg/m3，入口顆粒質(zhì)量流量為2.5 kg/s，彎管中含水率在40%～60%之間變化。入口采用VELOCITY-INLET(速度入口)壁面粗糙為10 μm，粗糙常數(shù)為0.5；出口采用PRESSUREOUTLTET(壓力出口)。

2 彎管的模擬分析

2.1 不同入口速度

管道中的顆粒粒徑為200 μm，入口速度為0.4 m/s，含水率在30%～50%之間變化。數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)40%、50%、60%含水率時管道內(nèi)外管道壁沖刷腐蝕速率(圖3)。

圖3 管道沖蝕圖

如圖3所示含水率與管道沖刷腐蝕的關(guān)系成正比，且隨著含水率增大而增大，管道的腐蝕發(fā)生在管道的彎頭處以及管道彎頭與直管的連接處，這是由于裹挾在管道乳狀液中的顆粒數(shù)目減小，而沉降率增大而導(dǎo)致管道的腐蝕速率增大。

由模擬結(jié)果可知，在含水率不同的條件下，管道管道壁面的沖刷腐蝕速率與入口速度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 入口速度與沖蝕速率關(guān)系曲線圖

由圖4可知，入口速度0.4 m/s～0.6 m/s，管道的沖刷腐蝕速率急劇增加；入口速率大于1.2 m/s時，沖刷腐蝕發(fā)生急劇變化，當(dāng)入口速率為0.6 m/s～1.2m/s時，沖刷腐蝕速率是在平穩(wěn)變化。因此，從沖蝕速率的角度來看，在集輸管道中輸送高粘油的油品時流速應(yīng)控制在0.6 m/s～1.2 m/s為最佳。

2.2 不同的含水率

管道中的顆粒粒徑為200 μm，含水率在50%，多相流入口速度在0.8 m/s～1.5 m/s之間變化時，管道的外壁面沖刷腐蝕速率如圖5所示。

如上圖4所示當(dāng)油水乳狀液入口速度增大情況下，管道外壁沖蝕速率也增大。在管道中腐蝕嚴(yán)重的部位向彎頭處移動，這是由于入口速度增大時，在管道彎頭處的發(fā)生射流現(xiàn)象而導(dǎo)致彎頭處的腐蝕速率增大，由于流體在彎管處是流動速度較大，可以減小流體中顆粒雜志與管道接觸面積，所以在彎管與直管段連接腐蝕速率較小。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著管道中流體的入口速度變化，含水率與管道壁面的沖刷腐蝕速率關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 管道沖蝕圖

圖6 沖蝕速率與含水率關(guān)系曲線

由圖6可知隨著管道的含水率的增大，管道中顆粒雜質(zhì)的沉降率也增大，且隨著速度的增大，管道壁面的腐蝕速率也增大，且在入口速度大于1.2 m/s時管道的受到的沖蝕速率瞬間增大。

2.3 不同的顆粒直徑

集輸管道中顆粒粒徑為100 μm、200 μm、300 μm，入口速度0.4 m/s，含水率為50%。管道的內(nèi)外壁腐蝕速率如圖5所示。

如圖7所示管道中顆粒雜質(zhì)直徑的增加會使管道各段的腐蝕速率會發(fā)生移動，在出口段會有明顯的增加。這是由于管道中固體顆粒雜質(zhì)的粒徑增大，在管道彎頭處沉積率逐漸增大，不隨油品流動。

圖7 管道沖蝕圖

數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)，顆粒直徑對管道管道壁面腐蝕速率關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 粒徑與沖蝕速率關(guān)系曲線

由上圖8可知，顆粒直徑在0～100 μm緩慢增加，在100 μm～300 μm時，腐蝕速率急劇增大。在300 μm～500 μm，緩慢增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在0～100 μm時，由于顆粒雜質(zhì)的不易沉降，裹挾在油品而隨著流體流動；粒徑在100 μm～300 μm顆粒沉降于管道中，而與管道內(nèi)表面的接觸面積增大；在300 μm～500 μm，由于顆粒粒徑比較大，在管道彎頭處的沉積率比較高，所以對管道的沖蝕影響反而減小。

3 模擬結(jié)果正交分析

彎管中腐蝕速率影響因素正交分析如表1所示。

3.1 結(jié)果分析與討論

對管道的A(入口速度)m/s、B(不同含水率)%、C(顆粒直徑)μm研究，假設(shè)含有顆粒密度為2 550 kg/m3，入口顆粒質(zhì)量流量為2.5 kg/s。

3.2 計算Mjm，Mjm ，確定實驗因素優(yōu)組合、優(yōu)水平

首先分析A因素；把因素A“1”水平放在1、2、3、4號試驗中；“2”水平放在5、6、7、8號試驗中；

“1”水平KA1=1.16×10-5+4.66×10-5+

“2”水平MA2=3.54×10-5+5.25×10-5+

實驗方案及結(jié)果分析如表2所示。由上面二元由極差定義公式，可得式(11)，計算各列(包括因素)極差Rj。

表1 因素-水平表

表2 基于交互作用的正交分析

試驗極差Rj計算結(jié)果見表2，通過對各因素的R值進(jìn)行比較，通過分析極差大小可知，因素主次為：C(顆粒直徑μm)→A×B→A(入口速度m/s)→B×C→B(含水率%)→A×C，通過對表2綜合分析可知：各因素對試驗指標(biāo)影響的主次順序是C＞A＞B；即顆粒直徑對試驗指標(biāo)的影響最大，為重要因素；其次是入口速度，影響最小為含水率。效應(yīng)表可知：C2A1B2(C為顆粒直徑μm、A為入口速度m/s、B為含水率%)沖蝕速率最小。

4 結(jié)語

通過該次模擬實驗研究發(fā)現(xiàn)，流體中的顆粒雜質(zhì)以及混合流體的速度都會影響管道的腐蝕速率，所以在長距離輸送管道中，通過一些機(jī)械設(shè)備的適當(dāng)?shù)臏p小管道中流體中的顆粒直徑、管道的含水率以及原油乳狀液流體的入口速度；或者適當(dāng)增厚管道彎頭與直管段連接處，而增加管道的使用年限，對管道起到防護(hù)作用。