輸油管道低洼處水攜雜質規律研究

劉兵　江國業　陳穗豐

【摘 要】管道安全對石油輸送至關重要，尤其對于海上石油輸送，砂粒雜質堵塞管道的情況時有發生。為此，本文通過對管道低點處沉積的雜質為研究對象，通過數值模擬的方法對雜質運動規律進行分析。本文選用歐拉-歐拉模型，湍流模型為Realizable k-？著，模擬結果表明水流速對管道彎管處雜質清除具有很大的影響，當水流速v<0.3m/s時，顆粒雜質在彎管處出現沉積，影響了管道運輸安全。流速低，攜帶泥沙的能力有限。

【關鍵詞】低點；流速；雜質沉積；彎管；攜帶能力

The research about ability of water carry impurities at The Low-lying place in oil pipe

LIU Bing1 JIANG Guo-ye1 CHEN Sui-feng2

（1.Civil Aviation University of China Tianjin 300300，China；

2.Suian Cleaning and Protection Engineering Co.， Ltd，Dongguan Guangdong 523000，China）

【Abstract】The safety of Pipeline is very important for the transportion of oil， especially for seaborne oil transportation， it often occur that Pipeline was blocked by sand。Therefore， this article research the deposition of sand in low pipeline and analyse the law of the impurities motion through the method of numerical simulation。this article selects the euler-euler model，turbulence model is Realizable，the results show that the water velocity has a great influence on clearing away the impurity elbow at the bend，when the water velocity v < 0.3 m/s， the impurity particles deposits at the bend，which affects the safety of pipeline transport， The ability of low flow velocity is finite 。

【Key words】Low-point； Velocity； Impurity deposition； Bend； Carrying capacity

0 引言

據統計，截至 2004 年底，蘭成渝管道[1]因雜質堵塞干線過濾器、減壓閥等設備造成的停輸事故占總停輸事故量的 90%以上。而對于管道低點處，雜質的沉積情況更加嚴重。截至2008年6月某海底管道發生故障[2]，管道有明顯的泥沙沉積現象，砂沉積厚度最大處為彎管的低點，厚度約為7mm。文章通過沉積砂對緩蝕效率等的影響分析，沉積物的堆積不僅直接影響緩蝕劑的緩蝕效率，同時也為SRB的生長提供有利環境，會加速海底管道腐蝕，當內管發生腐蝕后，內管物質進入內外管環空，造成與環空空隙內的氧氣結合， 引起H2S及微生物和內管外壁間的縫隙腐蝕。綜上所述，管道低點處雜質沉積不僅對管道增加了管道的摩阻損失，而且成為腐蝕管道比較嚴重的地方，嚴重影響了石油運輸安全[3]以及油品質量。所以，管道低點處雜質的清理工作迫在眉睫。

為此，本文通過模擬，根據管輸油品自身具有一定的沖刷攜帶能力，利用上游來流將管道低點處雜質混合物攜帶出去，本研究既可減輕管道的內腐蝕，又能減少阻塞事故。綜上所述，研究油流排除管中雜質對保障成品油管道的安全運營具有重要的價值。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文選取DN273的鋼管為實驗管道，分為前半段、彎管段、傾斜段三部分組成，其中前半段、傾斜段為3000mm，如圖1，以上傾角為45°為例作圖。

圖1 彎角為45°管道幾何模型

1.2 數值模型建立

1.2.1 基本方程

本文采用歐拉-歐拉模型進行分析，流體中含有水和砂粒，因此，基本方程需要分別考慮兩相[4]。

顆粒相的連續方程（ρ1α1）+？犖·（α1ρ1V1）=m12-α1

水相的連續方程（ρ2α2）+？犖·（α2ρ2V2）=m21-α2

式中V1和V2為各相速度；m12和m21為兩相之間質量傳遞。

動量守恒方程

水相的動量守恒方程

（αρV）+？犖·（αρVV）=-α？犖ρ+？犖·？子+αρg+K（V2-V1）

？子=α？滋（？犖V+？犖V）

顆粒相的動量守恒方程

（αρV）+？犖·（αρVV）=-α？犖ρ-？犖ρ+？犖·？子+αρg+K（V-V）

？子=α？滋（？犖V+？犖V）+α？姿-？滋？犖·V

式中，？姿為體積粘度；？滋為剪切粘度；P為壓力（Pa）；g為重力加速度；k12為液固傳遞系數；為粘度；？子為剪切應力。

1.2.2 模型參數

本文選取的主流體為水，密度為1000kg/m3，粘度為0.00103，顆粒選取密度為2650kg/m3的砂粒。管道入口采用速度入口，管道出口采用的自由出口，壓力-速度耦合方式采用SIMPLE方式，壁面采用無滑移邊界條件，湍流模型選用Realizable k-ε，為了消除邊界處的影響，采用標準壁面函數法對模型進行處理。

通過 fluent中patch功能對顆粒相進行定義，體積分數為0.63。

2 數值計算結果

為研究顆粒雜質在不同水流速條件下的運動規律，本文對水速度為0.05m/s、0.3m/s、0.5/s、0.8m/s、1.0m/s、1.5m/s進行模擬，然后取（-1000，-133.5，0）與（300，-133.5，0）之間連線上顆粒體積分數進行作圖，如圖a、b、c、d，分析不同流速對顆粒的攜帶能力。

由圖a可以看出，當水速度v>0.8m/s時，基本所有顆粒是一直向前運動的，而當v<0.8m/s時，在邊緣的部分顆粒會因流體的旋流運動向后移動，這主要說明此水流速下流體的攜帶能力受到限制。隨時間的推移，v>0.5m/s時，顆粒運動一直向前，v=0.05m/s時，在x<-800的地方，顆粒體積分數在0.63左右，幾乎不變，說明由于此時水攜砂能力太弱，此時，顆粒出現沉積現象。如圖2，v=0.05m/s，時間分別為30s和600s時，低點處雜質的分布狀態。從圖中我們可以看出，此流體速度下，低點處顆粒雜質在彎管處停止前進了，此時水攜帶能力不足以抵消顆粒受到的阻力，在此流速下，顆粒出現沉積，對管道運行安全構成嚴重影響。

從圖a-d可以看出，對于v=0.05m/s時，顆粒層是先部分向后運動，然后當t=16s后，顆粒層又開始向前運動，此時主要是因為當流體開始運動時，顆粒之間水很少，顆粒之間的黏結力很大，此時部分顆粒層不能隨著水運動而向前運動，但受到水旋流的作用會向后運動。當水繼續運動，顆粒之間參透進去水，顆粒之間的力減弱，水的攜帶力足以抗衡顆粒受到的阻力，顆粒層隨著流體向前運動。但由于水攜帶能力有限，顆粒層運動的比較緩慢。但隨著時間的推移，彎管低點處顆粒雜質會被慢慢攜帶走，如圖4、5，v=0.5m/s，t=30s、600s時顆粒雜質變化規律。從圖中我們可以看到，顆粒比較多時，顆粒層運動的比較快，此時，主要是因為顆粒層較厚，而管道中水速度服從拋物線原則，越往中心，流速越大，因此受到的攜帶力也越大，由于顆粒之間也存在黏結力等，所以顆粒層會一起運動。當管道中顆粒較少時，受到的攜帶力有限，此時顆粒就比較難被攜帶出去。

從圖a-d我們可以看到，但顆粒群運動到x=0處時，顆粒體積分數出現先減小后變大的趨勢。此時主要是因為顆粒群受到彎管的作用，顆粒不僅受到水平管中的阻力，還要克服重力等力向下的分力，受到的阻力加大，顆粒在此處最容易沉積，與文獻[5]結果比較吻合。

從圖a-d我們可以看到，隨著速度的變大，水的攜帶能力變化是非常大的。當v<0.5m/s時，有分界點。隨著速度越小，在彎管處受到的阻力影響越嚴重，顆粒越容易沉積。當流體流速達到1.5m/s時，彎管處顆粒雜質30s時就可以被沖走。從圖中可以看出，當流速0.8 m/s

3 結論

（1）不同的水流速對管道低點彎管處顆粒雜質的影響非常大，在v<1.0m/s，流體對顆粒的攜帶能力有限。

（2）當水的流速v<0.3m/s時，顆粒層不能繼續向前運動，顆粒雜質在管道低點彎管處出現沉積現象。

（3）隨著時間的推移，即使v=1.5m/s，低點彎管處還是有少量的雜質出現沉積。

【參考文獻】

[1]高庭禹，張增強.蘭成渝成品油管道內雜質的成因及對策[J].油氣儲運，2006，25（10）52-54.

[2]賈旭，常煒.南海某海底管道腐蝕原因分析，全面腐蝕控制[J].2013，27（8）.

[3]蔣文明，等.南堡油田海底管道砂沉積預測與模型檢驗[J].油氣儲運，2012，31（8）：591-593.

[4]Fluent Inc.， Fluent 6.0 Tutorial Guide[Z].Dec.，2001.

[5]張文欣，周曉紅，陳宏舉.海底管道砂沉積模擬研究[J].石油化工高等學校學報，2016，29（1）.

[責任編輯：朱麗娜]