集氣站集氣管道內(nèi)沖刷特性的數(shù)值模擬

管孝瑞，蔣 秀，張玉平，劉全楨，陶 彬

（中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，青島266580）

中國作為全球最大的能源消費國，2020年天然氣使用量可達(dá)4 000億立方米，巨大的用量需求推動著天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展。但處于上游的集氣站集氣管道面臨著嚴(yán)重的穿孔風(fēng)險。集氣管道內(nèi)腐蝕受到氣速、多相流流型、冷凝率、溫度、壓力、管道坡度、腐蝕性介質(zhì)濃度等諸多因素的綜合影響［1-8］。

Fluent軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對沖刷腐蝕的預(yù)測［9-18］。杜強(qiáng)等［19］利用Fluent軟件對油氣管線彎管處的固液兩相流場特性進(jìn)行研究，并進(jìn)行了沖刷腐蝕預(yù)測。LIN等［20］借助Fluent軟件對核電廠管線進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了相關(guān)的水動力學(xué)特性，結(jié)果顯示二次流、流速、壁面剪切力等都會影響彎頭處的腐蝕行為。

某集氣站自投產(chǎn)以來，站內(nèi)從匯管撬到生產(chǎn)分離器的集氣管道不同位置處多次發(fā)生穿孔現(xiàn)象，本工作以該集氣站內(nèi)集氣管道為研究對象進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了氣液兩相流下流速、液相體積分?jǐn)?shù)、壁面剪切力及湍動能的分布規(guī)律，預(yù)測了集氣管道內(nèi)沖刷腐蝕特性，并與現(xiàn)場實際情況進(jìn)行了對比，以期指導(dǎo)實際。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

以管線與地面交接處為坐標(biāo)原點，重力沿Z負(fù)方向，將從匯管撬出口到生產(chǎn)分離器的集氣管道分為地面以上集氣管道與埋地集氣管道，具體尺寸如圖1所示，管徑d為205 mm，包含三個水平管、五個90°彎頭、三個豎直管。彎頭曲率半徑Rc為270 mm。氣液兩相由水平管1進(jìn)入，由豎直管流出。

1.2 網(wǎng)格劃分

為了準(zhǔn)確模擬管路近壁面處的流動情況，近壁面采用邊界層網(wǎng)格。第一層網(wǎng)格高度ds為90μm，層間增長因子為1.5，設(shè)置12層邊界層網(wǎng)格，總厚度為23.17 mm。管路橫截面網(wǎng)格采用pave生成網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為741 020，管路網(wǎng)格劃分和質(zhì)量檢查情況如圖2和圖3所示。

圖2 管路網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of the pipeline

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量圖Fig.3 Quality of mesh

2 計算模型

2.1 湍流模型

湍流是一種高度復(fù)雜的不規(guī)則、非線性流動狀態(tài)，數(shù)值計算采用RNG k-ε模型來模擬湍流：

式中：k為湍動能，m2／s2；u為流體流速，m／s；ak和aε為常數(shù)，1.393；μeff為有效運(yùn)動黏度，Pa·s；ε為湍流耗散率，m2·s－3；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能，m2／s2；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能，m2／s2；YM為可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的影響；Sk和Sε為自定義源項；C1ε為常數(shù)，1.42；C2ε為常數(shù)，1.68；當(dāng)主流方向平行于重力方向時，C3ε為1；當(dāng)主流方向與重力方向垂直時，C3ε為0；Cμ為常數(shù)，0.084 5。

2.2 雙流體模型

多相流模型選用Eulerian模型，該模型是Fluent中最為復(fù)雜的多相流模型，能夠?qū)庖簝上嗔鲃舆M(jìn)行精確模擬。

（1）體積分?jǐn)?shù)方程

第q相的體積Vq定義為：

式中：αq為第q相的體積分?jǐn)?shù)。

（2）連續(xù)性方程

式中：ρrq為第q相的體積平均密度，kg／m3；ρq為第q相的物理密度，kg／m3；vq為第q相的速度，m／s；˙mpq為第p相向第q相的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，kg；˙mqp為第q相向第p相的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，kg。

（3）動量守恒方程

2.3 邊界條件

（1）入口條件

采用速度入口條件，模擬中采用的參數(shù)如表1所示。速度入口設(shè)置在進(jìn)口截面，氣相為主相，液相為第二相，液相體積分?jǐn)?shù)為0.008 7。

表1 數(shù)值模擬計算參數(shù)Tab.1 Parameters used in the simulation

（2）出口條件

出口采用自由出流（outflow）邊界條件。

（3）壁面條件

采用增強(qiáng)壁面函數(shù)來處理管路近壁處流場。

2.4 計算方法

采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，應(yīng)用Phase Coupled SIMPLE格式的壓力速度耦合，并應(yīng)用QUICK格式求解體積分?jǐn)?shù)、動量方程，湍動能方程，湍流耗散率方程采用二階迎風(fēng)格式求解。

3 結(jié)果與討論

3.1 埋地集氣管道的流動特征分析

本工作中，埋地集氣管道中入口水平管長度為3 000 mm，是管徑的10倍以上，滿足充分發(fā)展的要求，如圖4所示，圖中標(biāo)出了彎頭1內(nèi)各截面以及地面截面（Z＝0）的位置。

圖4 埋地集氣管道截面圖Fig.4 Cross sections analyzed in the underground pipeline

3.1.1 速度分布

圖5（a）為管道整體流速分布云圖，從圖中可以看出，在彎頭1內(nèi)側(cè)速度較大，在彎頭1外側(cè)速度較小。彎頭1內(nèi)不同角度截面處的流線分布如圖5（b）、圖5（c）所示，在彎頭1內(nèi)，離心力指向彎頭外側(cè)，重力沿半徑方向的分量也指向彎頭外側(cè)，因此兩者的合力方向指向彎頭外側(cè)，造成管道中心流體由彎頭內(nèi)側(cè)流向彎頭外側(cè)，具體流動方向如圖中紅色箭頭所示。同時由于流體的連續(xù)性，兩側(cè)壁面處的流體由彎頭外側(cè)流向彎頭內(nèi)側(cè)。

圖5（d）為彎頭1后的豎直管地面截面內(nèi)流場，從圖中可以看出，由于上游彎頭1內(nèi)存在二次流，流體進(jìn)入豎直管后，二次流影響依然存在，豎直管橫截面內(nèi)存在兩對渦核。

3.1.2 液相分布

圖6為埋地集氣管道內(nèi)液相分布情況，從圖中可以看出，在地下水平管內(nèi)，由于重力的影響，液相主要集中在管路中下部區(qū)域，進(jìn)入彎頭1后，液相受到離心力和重力的作用，在彎頭1的外側(cè)有液相聚集，存在腐蝕風(fēng)險。

圖5 管路速度分布（單位：m／s）Fig.5 Distribution of flow velocity in the pipe（unit：m／s）

圖6 埋地集氣管道內(nèi)液相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Distribution of liquid volume fraction in underground pipeline

由于集氣站埋地集氣管道的水平管底部存在積液，容易發(fā)生腐蝕。圖7為集氣站從匯管撬到生產(chǎn)分離器的埋地管線水平管底部發(fā)生的腐蝕穿孔形貌。

圖7 管道腐蝕穿孔形貌Fig.7 Corrosion perforation morphology of pipeline

3.1.3 湍動能與壁面剪切力分布

流體強(qiáng)化傳質(zhì)對腐蝕有促進(jìn)作用，其中湍動能越大，代表紊流脈動越劇烈，對腐蝕的促進(jìn)作用越發(fā)明顯，因此有必要研究下管路內(nèi)湍動能的分布情況。圖8為埋地集氣管道內(nèi)湍動能的分布情況，從圖中可以看出，靠近彎頭1的外側(cè)區(qū)域內(nèi)湍動能較大，流體紊流脈動劇烈，流體強(qiáng)化傳質(zhì)作用明顯。

圖8 埋地集氣管道內(nèi)湍動能分布（單位：m2／s2）Fig.8 Distribution of turbulent kinetic energy in underground pipeline（unit：m2／s2）

壁面剪切力代表流體對管路壁面的剪切作用，壁面剪切力越大，對壁面的沖刷作用越大。圖9為彎頭1處液相對壁面的剪切力分布，從圖9中可以看出，在彎頭1外側(cè)液相壁面剪切力較大，沖刷作用明顯。彎頭外側(cè)高的湍動能、壁面剪切力等流體因素對于腐蝕具有促進(jìn)作用，加劇了彎頭外側(cè)的穿孔、減薄速度。圖10為集氣站內(nèi)該彎頭外側(cè)發(fā)生的穿孔現(xiàn)象。

圖9 彎頭1處液相對壁面的剪切力（單位：Pa）Fig.9 Wall shear force at the elbow 1（unit：Pa）

圖10 埋地彎頭穿孔現(xiàn)象Fig.10 Pitting at the underground elbow

3.2 地面以上集氣管道內(nèi)流動特征分析

地面以上集氣管道的尺寸如圖11所示，包括四個90°彎頭、三個豎直管、兩個水平管。

3.2.1 速度分布

圖12為地面以上集氣管道內(nèi)各處的速度分布，從圖中可以看出，彎頭3內(nèi)側(cè)的速度較大。

3.2.2 液相分布

圖11 地面以上集氣管道Fig.11 Pipeline above the ground

圖12 地面以上集氣管道內(nèi)速度分布（單位：m／s）Fig.12 Distribution of flow velocity in the aboveground pipe（unit：m／s）

圖13為地面以上集氣管道內(nèi)液相的速度分布情況，可以看出，由于重力作用，在水平管內(nèi)，氣速較低，造成氣相攜液能力較差，管路底部出現(xiàn)液相聚集現(xiàn)象。在彎頭3內(nèi)，離心力和重力共同促使液相在彎頭外側(cè)聚集；在彎頭4和彎頭5內(nèi)，離心力指向彎頭外側(cè)，重力沿半徑方向的分量指向彎頭內(nèi)側(cè)，由于液相速度較小，經(jīng)過離心力和重力分量的大小對比，可以發(fā)現(xiàn)合力方向指向彎頭內(nèi)側(cè)，因此造成液相聚集在彎頭4和彎頭5的內(nèi)側(cè)。

3.2.3 湍動能與壁面剪切力分布

圖14為地面以上集氣管道內(nèi)湍動能分布，可以看出，在靠近彎頭3的外側(cè)區(qū)域湍動能較大，流體紊流脈動劇烈，該處流體強(qiáng)化傳質(zhì)作用較大，對腐蝕的促進(jìn)作用較大。

圖15為彎頭3處液相對壁面的剪切力，可以看出，在彎頭3的外側(cè)壁面剪切力較大，對壁面的沖刷作用明顯。

圖13 地面以上集氣管道液相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.13 Distribution of liquid volume fraction in aboveground pipeline

圖14 地面以上集氣管道湍動能分布（單位：m2／s2）Fig.14 Distribution of turbulent kinetic energy in aboveground pipeline（unit：m2／s2）

圖15 彎頭3處液相對壁面的剪切力（單位：Pa）Fig.15 Wall shear force at the elbow 3（unit：Pa）

在這種管路結(jié)構(gòu)中，彎頭3處的湍動能和壁面剪切力較大，流體強(qiáng)化傳質(zhì)作用明顯，對腐蝕的促進(jìn)作用較大，面臨的腐蝕穿孔風(fēng)險較大。圖16為集氣站生產(chǎn)分離器進(jìn)氣管線中彎頭3位置發(fā)生的穿孔現(xiàn)象。

4 結(jié)論

利用Fluent流體力學(xué)計算軟件，通過建立計算模型，采用RNG k-ε模型來模擬湍流，并選用雙流體模型對集氣站集氣管道內(nèi)氣液兩相流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

圖16 彎頭3位置的穿孔現(xiàn)象Fig.16 Perforation of the elbow at position 3

（1）對于埋地集氣管道，水平段底部有液相聚集，存在腐蝕風(fēng)險。靠近彎頭的外側(cè)區(qū)域存在液相聚集，湍動能和壁面剪切力較大，加速流體傳質(zhì)作用，存在腐蝕與沖刷共同作用，容易誘發(fā)穿孔。

（2）對于地面以上集氣管道，在閘閥前水平管內(nèi)，氣相攜液能力較差，液相主要集中在管道底部；閘閥后第一個彎頭外側(cè)湍動能和壁面剪切力較大，對腐蝕促進(jìn)作用較大，存在腐蝕與沖刷共同作用，面臨穿孔風(fēng)險較大；閘閥前第一個彎頭、閘閥后第二和第三個彎頭，液相容易聚集在彎頭內(nèi)側(cè)導(dǎo)致腐蝕。