多因素影響下Y 型管內流動狀態數值模擬研究

楊文 李建良 劉剛

1中國石化銷售有限公司華南分公司

2中海石油（中國）有限公司天津分公司

3中國石油集團渤海鉆探鉆井技術服務分公司

管道是當今工業最常見的五大運輸工具之一，作為一種特種設備在運送液體、氣體和漿液等方面具有特殊的優勢，尤其在石油、化工及天然氣等產業中具有不可替代的作用。Y 型管道在油氣集輸管網中應用比較廣泛，在油氣輸運過程中，由于入口、出口流量、管徑等不同，會使管內流動狀態發生明顯變化；尤其是在三條管路的連接處，其壓力外部與直管段明顯不同，可能會存在較大的剪切力，導致腐蝕的發生。

目前國內外研究學者分析了管內流動狀態對管體腐蝕的影響。陳志靜等[1]借助CFD 軟件發現，當流體的流態發生變化時，相應位置處的腐蝕程度將增大。杜強等[2]對油氣管線彎管處固液兩相流場特性進行數值模擬，并對其腐蝕做出預測，得出管道彎管處流場變化復雜是引起腐蝕的主要原因[3]。曾莉[4]、胡躍華[5]、胡宗武[6]先后對管道沖刷磨損機理和流體動力學特性進行了相關研究，揭示了管道彎管處的沖刷磨損機制，并提出典型管件預防沖刷磨損的有效措施。本文借助CFD 軟件[7-9]，對油氣集輸管網中Y 型管件內部流體動力學特性進行數值模擬分析，以探究不同流動條件下變化流場對管道內部壓力分布和最大剪切力影響，為管道的安全運行提供借鑒。

1 模型建立及網格劃分

1.1 模型

（1）物理模型。本文以某油氣集輸管網中的Y型管為計算實例，建立圖1 所示的物理模型，該Y型管由一個入口和兩個出口組成，進口主管道與出口支管道管徑詳細信息如表1 所示。

圖1 Y 型管道物理模型Fig.1 Physical model of Y-type pipeline

表1 入口和出口管徑Tab.1 Inlet and outlet diameters of pipeline

為適應實際工程應用過程中不同出口開度的需求，本文還對Y 型管道出口不同開度進行相關研究，具體建模尺寸如表2 所示。

表2 Y 型管道出口夾角Tab.2 Included angle of Y-type pipeline outlet

（2）數學模型。模擬Y 型管道內部流體流動特性時應遵循最基本的質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律三大定律。因為本文所涉及的流體流動特性不考慮流體與管件之前的傳熱問題，所以，求解過程中可忽略能量守恒方程的求解過程；Y 型管道內部流體流動湍流模型采用標準的k-ε模型[10-11]。

1.2 網格劃分及邊界條件設置

采用FLUENT 前處理軟件GAMBIE 對Y 型管道物理模型進行網格劃分，結果如圖2 所示，網格獨立性校核結果如圖3 所示。當網格數為25 000 時，隨著網格數的繼續增大，局部切應力的變化很小，因此綜合考慮計算結果精度和計算時間[12-13]，最終選擇網格數為25 000 個。

圖2 網格劃分圖Fig.2 Meshing graph

圖3 網格獨立性考核Fig.3 Grid independence assessment

借助CFD 軟件，采用VOF 模型[14-15]，入口邊界條件采用速度進口，出口采用壓力出口，管道兩側內壁設置無滑移壁面條件，壓力和速度采用SIMPLEC 方式進行耦合，相處理方式選用COMPRESSIVE。其中環境溫度為25 ℃，重力加速度為9.81 m/s2。

1.3 模型驗證

考慮到針對Y 型管道的沖刷腐蝕研究較少，因此以Y 型管道出口夾角為180°時（即T 型管）不同入口流速下的管內最大剪切應力變化趨勢進行模型驗證。驗證管道模型：主管直徑為100 mm，長400 mm，支管直徑為50 mm，長150 mm；管內原油黏度為0.05 Pa·s，含水率為45%，含氣率為5%，流體的入口流速為2 m/s，出口處壓強為1 MPa。數值計算結果與驗證結果如表3 所示，可以看出本文計算結果與文獻結果[16]基本吻合，最大相對誤差不超過5%，說明本文模型能夠很好地描述Y 型管道沖刷腐蝕行為。

表3 計算結果對比與誤差分析Tab.3 Comparison of calculation results and error analysis

2 結果分析

2.1 流速

管道內介質流速是影響管內流動狀態和剪切力的一個重要因素，因此分析了入口流速分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s 時對Y型管道內部壓力分布云圖和最大剪切力的影響。

從不同入口流速下Y 型管道壓力分布云圖（圖4）中可以看出，管道最大壓力出現在支管交界處，在主管道和支管道交界處周圍壓力相對較低，進口處和出口處壓力相對較高。隨著入口流速的增加，Y 型管道受到的壓力也隨之增大，并且入口處壓力逐漸趨向于均勻，支管處逐漸形成局部高壓區域，這是由于管內流速過高會引起管道流體湍動所致[17]。

圖4 不同入口流速下Y 型管道壓力分布云圖Fig.4 Cloud map of pressure distribution of Y-type pipeline at different inlet velocities

由于入口流速的增大，流體的湍動能也隨之增大，因此隨著入口流速的升高，Y 型管道所受到的最大切應力也增大，呈現線性相關的關系（圖5），壁面受到的腐蝕作用（尤其是應力腐蝕）會隨之加重。因此，適當的控制流速是預防Y 型管連接處腐蝕穿孔的有效方式之一。

圖5 入口流速對Y 型管道最大切應力的影響Fig.5 Effect of inlet velocity on the maximum shear stress of Ytype pipeline

2.2 氣含率

為了研究管道流體介質氣含率對管內流動狀態和剪切力的影響，分別選取0～25%六種不同氣含率進行數值模擬。圖6 為不同氣含率下Y 型管道壓力分布云圖。隨著氣含率的增加，Y 型管道受到的壓力逐漸減小，這是由于隨著管道內氣含率的增大，降低了流體的流動阻力；而在支管交界處出現壓力最高值，在主管道與支管相連接的外側內壁面會出現局部負壓區，這是由于管道流體流動過程中，在該位置形成渦流，流體較少所致。因此，Y 型管道受到的切應力會隨著氣含率的升高而降低（圖7）。

2.3 原油黏度

不同地區油田，甚至相同地區不同油井中所開采出的原油黏度差異較大。為模擬原油黏度對管內流動狀態和剪切力的影響，選取0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 Pa·s 六種常見范圍內的原油黏度進行數值模擬。從圖8 管內壓力分布可以看出，隨著管道內原油黏度的增加，Y 型管道受到的壓力隨之增大，在本文工況條件下，當原油黏度為0.25 Pa·s 時，Y 型管道支管區域會出現局部高壓區；而圖9 顯示Y 型管道壁面最大切應力與原油黏度成正比，這是由于原油黏度增大，邊界層變厚，進而影響管內流體流動造成的[18]。

圖6 不同氣含率下Y 型管道壓力分布云圖Fig.6 Cloud map of pressure distribution of Y-type pipeline with different gas holdup

圖7 不同氣含率對Y 型管道最大切應力的影響Fig.7 Influence of different gas holdup on the maximum shear stress of Y-type pipeline

2.4 管徑比

圖8 不同原油黏度下Y 型管道壓力分布云圖Fig.8 Cloud map of pressure distribution of Y-type pipeline under different crude oil viscosities

為適應不同油氣管網輸送要求，通常支管管徑會不同于主管管徑，為模擬不同管徑對Y 型管內流動狀態和剪切力的影響，分別選取0.5、1.0、1.2、1.5、2.0 的管徑比()d/D進行模擬研究。從不同管徑比的Y 型管道壓力分布云圖（圖10）中可以看出，保證輸油管道主管道管徑不變的條件下，改變管道支管管徑，隨著支管管徑的逐漸增大，管道內部高壓區域逐漸由主管道向支管道移動，并且在不同的管徑比下，Y 型管道內部的的最高壓力都會出現在支管交界處；同時，隨著支管管徑的增大，支管管道壓力有逐漸降低的趨勢；而此時隨著管徑比逐漸增大，Y 型管道受到的最大切應力逐漸減小（圖11），其原因是由于管徑增大導致流速減小。

圖9 不同原油黏度對Y 型管道最大切應力的影響Fig.9 Influence of different crude oil viscosity on the maximum shear stress of Y-type pipeline

2.5 支管夾角

管道在實際應用過程中，并不是成簡單的直線、規則的平行或垂直布置，往往為了適應多工況要求需要將主管道中的原油進行支路引流，因此從管道支路之間的不同夾角方面進行管內流動狀態和剪切力分析。

選取支路β=30°～180°六種夾角進行相關研究，其中當支管夾角為180°時，Y 型管道即為T型管道。從圖12 中可以看出，隨著Y 型管道支管夾角的逐漸增大，管道內部受到的剪切應力逐漸減小，當夾角從30°變為60°時，管道受到的最大剪切力迅速下降，60°～90°時，剪切力有所升高；當支管夾角大于90°后，剪切力逐漸下降，當支管夾角從120°增大到180°時，管道受到的最大剪切力幾乎保持不變。

如圖13 所示，隨著Y 型管道支管夾角的增大，管道內部受到的壓力也增大，并且管道內部壓力最大點出現在支管交界處。同時，隨著支管道夾角的增大，管道內部低壓力區域由主管道逐漸向支管方向移動，并且低壓力區最終保持在主管道與支管道交界處。

圖10 不同管徑比下Y 型管道壓力分布云圖Fig.10 Cloud map of pressure distribution of Y-shaped pipeline with different diameter ratio

圖11 管徑比對Y 型管道最大切應力的影響分布Fig.11 Influence distribution of diameter ratio on maximum shear stress of Y-type pipeline

3 結論

圖12 支管夾角對Y 型管道最大切應力的影響曲線Fig.12 Influence curve of branch included angle on maximum shear stress of Y-type pipeline

借助CFD 軟件，通過對油氣集輸管網中的Y 型管道進行數值模擬得出，Y 型管道內流體性質和流體流動狀態與最大剪切力有著密切的聯系。隨著入口流速和原油黏度的升高，管內最大剪切力呈線性增大；同時，隨著管道內輸送原油氣含率的升高和輸送管網支管直徑的增大，最大剪切力呈線性減弱；隨著Y 型管道支管夾角的增大，流體對管道的沖刷腐蝕逐漸減弱，當夾角超過120°且不超過180°時，流體的沖刷腐蝕影響可忽略。因此，在設計Y 型及相似管道時應綜合考慮各種因素，確保油氣輸送管網高效安全的運行。

圖13 Y 型管道不同支管夾角條件下壓力分布云圖Fig.13 Cloud map of pressure distribution of Y-type pipeline with different branch included angle