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天然氣管道彎頭沖蝕與防護(hù)仿真研究

文檔作者：鄭云萍1，王歡歡1，易昊林2，王潔敏卉3 文檔來(lái)源： 1．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2．中石油西南油氣田分公司重慶氣礦 3．四川科宏石油天然氣工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年04月29日
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第32卷第08期計(jì)算機(jī)仿真2015年08月
文章編號(hào)：1006—9348(2015)08—0427一04
天然氣管道彎頭沖蝕與防護(hù)仿真研究
鄭云萍1，王歡歡1，易昊林2，王潔敏卉3
(1．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500；
2．中石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶400520；
3．四川科宏石油天然氣工程有限公司，四){l成都610056)
摘要：在天然氣輸送過(guò)程中，高速流動(dòng)的天然氣攜帶管道內(nèi)壁脫落金屬屑的混合流體對(duì)天然氣管道彎頭造成沖蝕，是管道彎
頭失效的重要因素之一。利用Fluent從計(jì)算流體力學(xué)角出發(fā)，對(duì)比氣固混合流體流經(jīng)不同角度彎管時(shí)的壓力變化、金屬屑
運(yùn)動(dòng)軌跡變化、沖蝕攻角變化、以及沖蝕動(dòng)能變化，直觀地反映出各項(xiàng)影響因素與彎管沖蝕位置和沖蝕程度的關(guān)系，得出了
氣體對(duì)彎管內(nèi)壁大面積沖蝕、金屬屑在此區(qū)域內(nèi)再局部沖蝕的結(jié)論，與實(shí)際情況相吻合。根據(jù)不同角度彎頭沖蝕情況不同
在保護(hù)部位與效力上提出了“定側(cè)面、大面積、有側(cè)重”的防護(hù)思路。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；彎頭；沖蝕；計(jì)算流體力學(xué)仿真
中圖分類號(hào)：TE319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
Simulation of Erosion—．Corrosion
for Different Angles of Gas Pipeline Elbows
ZHENG Yun—pin91，WANG Huan—huanl，YI Hao—lin2，WANGJIE Min—hui。
(1．Petroleum Engineering college of Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；
2．Chongqing Gas Production Plant，PetroChina Southwest Oil and Gas field Chongqing 400520，China；
3．Siehuan Kehong Petroleum Engineering．Chengdu Sichuan 610056，China)
ABSTRACT：During gas transportation，the erosion—corrosion at pipeline elbow，which is caused by high—speed
flowing gas carries with metal chips that fall off from inner wall，is one of the important factors that lead to elbow fail—
ure．Through contrasting the fluid pressure，movement of metal chips，impact angles and erosion kinetic energy while
gas—solid mixing fluid flows through the different angles of elbows by Fluent，the relationship between various factors
and the location and severity of the erosion were reported intuitively．The conclusion，which coincides with realistic，
shows that a large area of inner wall is washout by gas and where metal chips impact locally．Erosion mechanism has
been partly reveled，which Can provide a scientific basis for pipeline design and protection．
KEYWORI)s：Gas pipeline；Elbow；Erosion—corrosion；CFD simulation
1 引言
天然氣管道在常年使用過(guò)程中容易在管道彎頭處出現(xiàn)
刺漏的現(xiàn)象¨。]，導(dǎo)致彎管處存在一定的安全隱患，可能誘
發(fā)相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。分析認(rèn)為，管內(nèi)天然氣攜帶金屬屑的混
合流體對(duì)管道內(nèi)壁的沖蝕是降低彎頭強(qiáng)度的主要因素之一，
然而現(xiàn)目前對(duì)天然氣管道內(nèi)壁沖蝕的研究，多數(shù)將氣固兩相
流看做一個(gè)整體，從整體流速、流量或顆粒含量等角度著手
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目(51474183)
收稿日期：2014—12—22修回日期：2015-01—14
進(jìn)行研究，并不能很好地揭示氣固兩相流沖蝕機(jī)理，而本文
采用Fluent對(duì)不同角度彎管工況下的氣體流場(chǎng)、金屬屑軌跡
仿真模擬研究，分別對(duì)流體沖蝕與金屬屑顆粒沖擊、沖蝕進(jìn)
行分析，區(qū)別了氣體與固體的不同沖蝕機(jī)理，更深入地揭示
彎管處氣固兩相流的沖蝕機(jī)理，為管道設(shè)計(jì)與管道后期檢測(cè)
防護(hù)提供一定的理論依據(jù)。
2氣體湍流模型與沖蝕方程
2．1湍流模型
由于天然氣管內(nèi)流速較高并且氣體粘度較低，通過(guò)計(jì)
算，管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)Re通常大于2×105，因此判斷管內(nèi)流
---——427---——
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
態(tài)為湍流。常用湍流控制方程有Laminar、Inviscid、k—epsilon
以及k—omega等控制模型，由于在沖蝕中需要考慮流體
粘度，因此無(wú)粘流動(dòng)的Inviscid模型不能選用，Laminar為單
控制方程模型，計(jì)算速度較快但精度不高，而k—epsilon與k
—omega模型均為雙控制方程模型，其計(jì)算精度較高，其中k
—epsilon模型中所需要參數(shù)如湍流半徑和湍流耗散率比較
容易獲知。此采用三維笛卡爾坐標(biāo)下雙控制方程的k一8湍
流模型，其中關(guān)于k和￡的輸運(yùn)方程‘123有如下形式：
湍流動(dòng)能k方程
墊型+V．(p肼)0t r，
=V。[(肛+嘗)V。】+G。他“一‰ (1)
湍流動(dòng)能耗散率8方程
掣+墊警=毒[(p+絲or＼生1+E 礬i i L＼p。
。8
一孑忑+c-。詈s％J8xsaI
PGOx8x
JaxspC2 G (2)
K+、／y8 K
其中
C·-max(o．43，南)
'7=(2EF，E％)丁1詈
E。=兩1[O瓦lzi+警)
弘I=峨專
n l
Ⅵ2 F萬(wàn)麗
A；=,／瓦os幣
咖=了1 cos一(√石諺)
W一=—生衛(wèi)壘]魚馬
(‰t)丁1 U‘=瓜蕊E,+llq 11i
QF 5 QF一占毋面。
Q口=Q#一2占毋曰。
式中：
伉是由于平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生；
G。是由于浮力影響引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生；
‰為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；
Gig C砧、C3s、c2、A。為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，
在FLUENT中設(shè)置為C19=1．44、C2s=1．9、C強(qiáng)=0．09、
C：=1．0、A。=4．0；or。、or。分別為湍流動(dòng)能和湍流耗散率對(duì)
應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，F(xiàn)LUENT中默認(rèn)值為or。=1．0、or。=1．2。
2．2沖蝕能量模型
對(duì)用材料表面才沖蝕速率可以用單位時(shí)間內(nèi)單位面積
．--——428．--——
上因沖蝕而減少的質(zhì)量來(lái)描述。根據(jù)天然氣管道內(nèi)氣固兩
相流流動(dòng)特性，采用Grant模型進(jìn)行研究。
E=八7)(})‘cos2川一t暖r)+f(ttpN) (3)
其中：
，(y，=[?^：sin(y景)】‘
Rr：1一一'Up s1’n y (4)
"03
f(vpN)-(v，p，sin y)。(5)
式中：
E為表面沖蝕速率，||}g=／(m2·s)；
y為離子路徑與材料表面之間的撞擊角度，(。)5
u。為粒子碰撞速度，m／s；
R，為切向恢復(fù)比；y。為最大沖蝕角，(。)；
t，l"2和u3為相對(duì)速度；
k2=1；J|}12為常數(shù)。
3仿真物理模型建立
為研究分析便利，建立不同角度彎管模型如圖1所示。k≯
圖1物理模型尺寸圖
管道內(nèi)徑為600mm，彎管中性弧線半徑為914ram，進(jìn)口、
出口管道長(zhǎng)度均為5m，為方便研究觀察規(guī)律，不同角度‘p分
別取300、450、600、900、1800。
從現(xiàn)場(chǎng)沖蝕情況來(lái)看，沖蝕峰值往往出現(xiàn)在彎管彎曲部
分，因此對(duì)彎管部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理如圖2所示。
模型人口以100×104 m3／d計(jì)算質(zhì)量流量，出口為壓力
出口4MPa。
4計(jì)算結(jié)果與分析
4．1壓力云圖對(duì)比分析
不同角度彎管壓力分布如云圖3所示。
由圖3可知，當(dāng)流體流過(guò)彎頭過(guò)程中，彎管外側(cè)內(nèi)壁受
到的壓力增加，內(nèi)側(cè)內(nèi)壁壓力減小。隨著彎頭角度增加，彎
蠶目d日}十
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
_
圖2 90。彎頭網(wǎng)格局部加密圖
夕。
圖3不同角度彎管壓力分布云圖
管外側(cè)內(nèi)壁受到的壓力增加越明顯，內(nèi)側(cè)內(nèi)壁壓力減小越明
顯。分析認(rèn)為：在流體流人彎管過(guò)程中，受到彎管外側(cè)內(nèi)壁
的阻礙，又由于氣體的可壓縮性，當(dāng)流動(dòng)受阻后局部氣體被
壓縮，造成了局部高壓，因此彎管角度越大阻礙越強(qiáng)，那么壓
力就越高且當(dāng)彎管彎角為1800時(shí)，高壓區(qū)域最大。
4．2粒子軌跡對(duì)比分析
不同角度彎管粒子軌跡如圖4所示。
圖4不同角度彎管中粒子軌跡圖
由圖4可知，金屬屑作為離散相受到天然氣流動(dòng)的影
響，隨著天然氣流動(dòng)撞擊到彎管外側(cè)內(nèi)壁，對(duì)內(nèi)側(cè)造成沖擊
和沖蝕。隨著彎管角度增加，金屬屑與彎管內(nèi)壁接觸的行程
越長(zhǎng)，流動(dòng)方向變化越大，沖蝕面積就越大，當(dāng)彎管彎角為
1800時(shí)，沖蝕面積最大與沖蝕總量最大。彎管的彎角增加，
金屬屑與彎管內(nèi)壁的沖蝕攻角也增加，當(dāng)彎管彎角增加到
900時(shí)，沖蝕攻角為450。
4．3管道內(nèi)壁沖蝕速率對(duì)比分析
不同角度彎管沖蝕速率如云圖5所示。
雌l
巷2 e拈hlo
、嚼2m“1。
I i鋈
圖5不同角度彎管沖蝕速率云圖
由圖5可知，隨著彎管角度增加，沖蝕速率峰值有所增
加，且出現(xiàn)在彎管彎頭外側(cè)內(nèi)壁處。當(dāng)彎管角度達(dá)到90。時(shí)
沖蝕速率達(dá)到最大，其沖蝕峰值約為5．25×10“okegm2s。
分析認(rèn)為：沖蝕速率大小與沖蝕攻角和沖擊速度有著密切聯(lián)
系。由仿真模型觀察，當(dāng)沖擊速度一定時(shí)，沖蝕攻角較小時(shí)，
金屬屑對(duì)管壁主要是切削作用，由于此時(shí)金屬屑對(duì)管壁的正
面沖擊力較小，金屬屑不能吃人較大深度，所以此時(shí)沖蝕速
率相對(duì)較低。當(dāng)彎頭角度增大，雖然金屬屑對(duì)管壁的切削作
用減小但正面沖擊力增大。此時(shí)金屬屑撞擊更加有力，能夠
吃入內(nèi)壁一定深度，此時(shí)沖蝕速率在撞擊與切削的共同作用
下達(dá)到最大。因此當(dāng)彎頭角度為90。和180。時(shí)，金屬屑與彎
管外壁內(nèi)側(cè)的沖蝕攻角約為45。，此時(shí)出現(xiàn)了最大沖蝕峰值。
結(jié)合壓力云圖與粒子軌跡圖綜合分析沖蝕規(guī)律，氣體在
彎管外側(cè)內(nèi)壁附近形成高壓帶，沖刷內(nèi)壁，造成高壓帶附近
管道內(nèi)壁大面積減薄形成低強(qiáng)度區(qū)域?；旌狭黧w中的金屬
屑再對(duì)此區(qū)域中的更小范圍集中碰撞、沖擊、切削，使得在更
小區(qū)域內(nèi)沖蝕更加嚴(yán)重，最后沖蝕出現(xiàn)的刺漏點(diǎn)也正是與粒
子軌跡與彎管內(nèi)壁碰撞處相吻合。
4．4管道受流體沖擊力對(duì)比分析
通過(guò)Fluent軟件計(jì)算出模型管段所受合力與彎管角度
關(guān)系如圖6所示。
由圖6可知，當(dāng)彎頭彎曲角度越大，管道整體受力越大。
分析認(rèn)為：根據(jù)牛頓第三定律，管道對(duì)流體的阻礙力大小等
于流體對(duì)管道的沖擊力大小，然后當(dāng)流體流經(jīng)角度越大的彎
管時(shí)，流體流動(dòng)狀態(tài)改變?cè)酱?，受到管道?duì)流體流動(dòng)的阻礙
力越大，因此管道受到的合力也越大。當(dāng)彎管角度為90。時(shí)，
．．．．——429．．．．——
鄉(xiāng)A √√
二
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
：I BI峨喇。
圖6彎管受力與彎曲角度關(guān)系圖
管道整體受力最大約為2357kN方向斜向下。需注意的是，
1800彎頭在豎直方向受到的力在兩個(gè)900彎頭處相互抵消使
得豎直方向合力很小，而在水平方向不能抵消。所以90。與
1800彎管受到合力值相同但方向不同。
綜上所述：當(dāng)彎管角度在30?！?80。間變化時(shí)，隨著角度
增加，彎管內(nèi)壁對(duì)氣流阻礙作用增大，高壓區(qū)面積增大；在切
削作用與沖擊的共同作用下，受到的沖蝕速率增加；受到的
沖擊合力在流體與金屬屑的共同作用下增加。
5彎管防護(hù)措施設(shè)計(jì)思路
根據(jù)仿真顯示，提出以下三種防護(hù)思路：1)、根據(jù)沖蝕部
位的顯示，應(yīng)該將彎頭的外側(cè)內(nèi)壁面確定為沖蝕防護(hù)的重點(diǎn)
區(qū)域，甚至可以考慮單側(cè)增加壁厚的工藝。2)、根據(jù)流場(chǎng)中
高壓區(qū)域顯示，設(shè)計(jì)防沖蝕的區(qū)域時(shí)，區(qū)域覆蓋面應(yīng)該隨著
著彎曲程度越增加而增加，總要面積應(yīng)該覆蓋且略大于高壓
流場(chǎng)區(qū)域。3)、根據(jù)固相金屬屑軌跡顯示，針對(duì)金屬屑密集
碰撞、摩擦的區(qū)域，應(yīng)該在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮其抗沖
蝕性。
6結(jié)論與建議
1)通過(guò)Fluem仿真模擬了不同角度天然氣彎曲管道沖
蝕現(xiàn)象，揭示了彎管角度與沖蝕部位、沖蝕速率的關(guān)系規(guī)律。
2)通過(guò)彎管角度與沖蝕速率的關(guān)系規(guī)律分析，得知天然
氣管道內(nèi)的沖蝕是在氣體的沖蝕與金屬屑的沖擊作用、切削
作用共同作用下造成，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)彎管角度為900，攻角為
450時(shí)沖蝕速率最快。
3)通過(guò)計(jì)算管道受流體沖擊力，得出了彎管角度與受力
的關(guān)系，為不同角度彎管建設(shè)和維護(hù)提供了一定依據(jù)。
．．．——430---——
4)在彎管設(shè)計(jì)和選用過(guò)程中應(yīng)把握將防護(hù)面重點(diǎn)位置
考慮在彎管外側(cè)內(nèi)壁面，防護(hù)面積大于高壓流場(chǎng)區(qū)域，側(cè)重
保護(hù)金屬屑沖擊、摩擦部位，即“定側(cè)面、大面積、有側(cè)重”的
防護(hù)思路。
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[作者簡(jiǎn)介]
鄭云萍(1961一)，女(漢族)，四川成都人，教授，碩
士研究生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事油氣集輸工藝?yán)碚撆c技
術(shù)、油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施安全技術(shù)相關(guān)的教學(xué)和科研
工作。
王歡歡(1989一)，女(漢族)，重慶人，碩士研究生，
主要研究領(lǐng)域?yàn)橛蜌鈨?chǔ)運(yùn)相關(guān)研究。
易昊林(1989一)，女(漢族)，重慶梁平人，助理工程師，主要研究領(lǐng)
域?yàn)楣艿劳暾栽u(píng)價(jià)。
王潔敏卉(1990一)，女(漢族)，四川省成都市，工程師，主要研究領(lǐng)
域?yàn)橛蜌夤芫€及站場(chǎng)設(shè)計(jì)。

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