基于FLUENT的輸油管道彎頭沖蝕模擬分析與防控措施研究

滕向松，孟軍政，尹仲偉，潘云龍

(1.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠第二作業(yè)區(qū)，黑龍江 大慶 163000；2.東北石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

在石油集輸生產(chǎn)過(guò)程中，沖蝕破壞是管道在流動(dòng)介質(zhì)作用下發(fā)生頻次較高的一種失效形式。在管道連接中, 彎頭常用于管道轉(zhuǎn)彎處以改變管道的方向, 由于彎頭處流體方向的改變以及本身結(jié)構(gòu)的特殊性，與管道的其他部位相比，彎頭更易受到?jīng)_蝕磨損的破壞。每年因管道彎頭沖蝕穿孔而造成的經(jīng)濟(jì)損失難以計(jì)算[1-2],因此,研究輸油管道彎頭的沖蝕規(guī)律有著重要的理論意義與實(shí)際意義。

目前對(duì)輸油管道彎頭沖蝕的研究多為單因素研究，關(guān)于多因素的研究較少[3]。基于FLUENT軟件建立物理模型對(duì)管道沖蝕問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，考察了集輸壓力、入口流速以及顆粒直徑等因素對(duì)管道彎頭沖蝕的影響，為輸油管道的工藝優(yōu)化及穩(wěn)定性提升提供了數(shù)據(jù)參考與理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流體控制方程

在固液兩相流的管道輸送過(guò)程中，基于兩者的耦合特性可分析出流體的流動(dòng)處于湍流狀態(tài)[4]。對(duì)于空間內(nèi)不可壓縮的流體，其流動(dòng)符合連續(xù)性方程、空間動(dòng)量方程和能量方程。

基于管內(nèi)流體的湍流狀態(tài)，在滿足雷諾系數(shù)的情況下，湍流模型采取k-ε模型，湍流動(dòng)能方程如下：

(1)

式中，Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張貢獻(xiàn)；ui為時(shí)均速率，m/s；ε為湍流耗散率；μ為湍流黏度，Pa·s；k為湍流動(dòng)能；ρ為流體密度，kg/m3；σk為k方程的湍流數(shù)，取值為1；Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值為0.09。

1.2 沖蝕模型

根據(jù)管道內(nèi)固液兩相流的耦合情況以及流體的湍流動(dòng)能方程，建立沖蝕模型，模型涉及到的參數(shù)主要包括顆粒直徑、顆粒數(shù)量以及顆粒質(zhì)量流量等。管道內(nèi)側(cè)的沖蝕率計(jì)算方程如下：

(2)

式中，Rero為管道內(nèi)側(cè)的沖蝕率，kg/(m2·s)；N為碰撞顆粒的數(shù)量；mp為顆粒的質(zhì)量流量，kg/s；θ為顆粒與管道壁面的沖擊角度，rad；up為顆粒沖擊管道壁面的速率，m/s；Af為管道壁面有限元的

計(jì)算面積，m2。

2 管道彎頭沖蝕模擬

2.1 幾何模型建立及有限元?jiǎng)澐?/h3>

由于管道彎頭處的應(yīng)力變化較大，為了保證數(shù)值模擬的結(jié)果更加接近真實(shí)情況，需對(duì)彎頭幾何模型進(jìn)行合理劃分[5-6]。選用三維八節(jié)點(diǎn)的六面體單元SOLID95構(gòu)建幾何模型，網(wǎng)格劃分較密，數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。所構(gòu)建的管道彎頭幾何模型如圖1所示。

圖1 管道彎頭幾何模型

2.2 邊界條件設(shè)置

由于管道內(nèi)的連續(xù)介質(zhì)為原油，具有不可壓縮性，故選用離散相模型(DPM)進(jìn)行數(shù)值模擬，將模型的進(jìn)口及壁面處邊界條件設(shè)置為速度入口型，且需保證其受反彈條件的限制，而將出口處的邊界條件設(shè)置為自由流出型，并同時(shí)滿足逃逸條件。

在模擬過(guò)程中，假設(shè)沖蝕顆粒為質(zhì)量均勻的球體，且彼此之間無(wú)耦合作用，彼此之間的撞擊效應(yīng)可以忽略，顆粒在碰撞彎頭內(nèi)壁后不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此顆粒軌跡的求解可以采用拉格朗日方程。由于流場(chǎng)中離散相濃度較小，連續(xù)相速率較大，離散相與連續(xù)相之間的密度差較大，因此固體顆粒受到的壓力梯度力以及虛擬質(zhì)量力等作用力可忽略不計(jì)。管道彎頭模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 管道彎頭模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

為使模擬結(jié)果更加接近實(shí)際情況，應(yīng)盡可能確保模型設(shè)置的參數(shù)與輸油管道在作業(yè)時(shí)的工作參數(shù)保持一致[7]。數(shù)值模擬時(shí)重點(diǎn)考察了集輸壓力、流速和顆粒直徑等變量對(duì)沖蝕的影響。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 沖蝕磨損分析

通過(guò)數(shù)值模擬得到管道彎頭的沖蝕率分布云圖，如圖2所示。從圖2可以看出，入口處沖蝕磨損輕微，出口處沖蝕磨損較重，彎頭處沖蝕磨損嚴(yán)重，尤其是其外側(cè)比內(nèi)側(cè)沖蝕磨損更為嚴(yán)重，其原因在于：入口處的流體流動(dòng)方向與管道的軸線平行，幾乎未對(duì)管壁產(chǎn)生沖擊，在靠近彎頭處，由于管道幾何結(jié)構(gòu)與流體流速及壓力的突變，固體顆粒受離心力作用撞擊管壁，流體對(duì)彎頭的沖擊作用加強(qiáng)，彎頭處的沖蝕磨損加重，其外側(cè)比內(nèi)側(cè)更為嚴(yán)重；另外，固體顆粒與彎頭內(nèi)壁碰撞后由于慣性繼續(xù)對(duì)管壁進(jìn)行撞擊，在管道出口處形成一段較為明顯的沖蝕集中區(qū)域。

圖2 輸油管道彎頭沖蝕率分布云圖

3.2 集輸壓力對(duì)彎頭沖蝕的影響

在顆粒直徑為50 μm，流速分別為2，4，6和8 m/s的條件下，對(duì)管徑為60 mm的彎頭進(jìn)行沖蝕模擬，考察集輸壓力對(duì)管道彎頭沖蝕的影響，模擬結(jié)果見圖3。由圖3可見，隨著管道集輸壓力的增大，彎頭處的沖蝕率總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。在流速為2 m/s時(shí)，彎頭內(nèi)壁的沖蝕率隨著集輸壓力的升高而下降緩慢；在流速為8 m/s時(shí)，彎頭內(nèi)壁的沖蝕率隨著集輸壓力的增大而急劇下降。分析認(rèn)為：在顆粒流速一定時(shí)，高壓條件下流體攜帶顆粒的能力較強(qiáng)，顆粒所受黏性力遠(yuǎn)大于自身的慣性力，流體攜帶的大部分顆粒在與彎頭內(nèi)壁碰撞后產(chǎn)生滑移，只有小部分的顆粒在與彎頭內(nèi)壁碰撞后反彈，會(huì)產(chǎn)生沖蝕磨損。因此，通過(guò)提高管道集輸壓力，可以減輕彎頭沖蝕磨損。

圖3 集輸壓力對(duì)管道彎頭沖蝕的影響

3.3 流速對(duì)彎頭沖蝕的影響

在顆粒直徑為50 μm，集輸壓力分別為0.3，0.6，0.9和1.2 MPa的條件下，對(duì)彎頭沖蝕進(jìn)行數(shù)值模擬，考察流速對(duì)管道彎頭沖蝕的影響，模擬結(jié)果見圖4。

圖4 流速對(duì)管道彎頭沖蝕的影響

從圖4可以看出，在同一集輸壓力的環(huán)境下，隨著流速的增大，彎頭處管壁的沖蝕率逐漸增大；當(dāng)系統(tǒng)集輸壓力為0.9和1.2 MPa時(shí)，彎頭沖蝕率的曲線斜率較小，彎頭沖蝕率隨著流速的增大而緩慢增大；當(dāng)系統(tǒng)集輸壓力為0.3和0.6 MPa時(shí)，彎頭沖蝕率的曲線斜率較大，彎頭沖蝕率隨著流速的增大而顯著增大。

當(dāng)系統(tǒng)集輸壓力較高時(shí)，流體與顆粒之間發(fā)生耦合作用，顆粒與彎頭內(nèi)壁之間的碰撞多產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，盡管流速不斷增大，但是彎頭的沖蝕率增長(zhǎng)幅度較小；當(dāng)系統(tǒng)集輸壓力較低時(shí)，隨著流速的不斷增大，由流體攜帶的固體顆粒的數(shù)量增加，顆粒與彎頭內(nèi)壁碰撞的概率增加，彎頭沖蝕率顯著增大。因此，通過(guò)降低流體流速，可以減輕彎頭沖蝕磨損。

3.4 顆粒直徑對(duì)彎頭的沖蝕影響

在彎頭進(jìn)口流速為8 m/s，集輸壓力分別為0.3，0.6，0.9和1.2 MPa的條件下，對(duì)彎頭沖蝕進(jìn)行數(shù)值模擬，考察顆粒直徑對(duì)管道彎頭沖蝕的影響，模擬結(jié)果見圖5。

圖5 顆粒直徑對(duì)管道彎頭沖蝕的影響

由圖5可知，在同一集輸壓力的環(huán)境下，隨著顆粒直徑的增大，彎頭的沖蝕率總體上均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)系統(tǒng)集輸壓力為0.9和1.2 MPa時(shí)，隨著顆粒直徑的增大，彎頭沖蝕率變化不大；當(dāng)系統(tǒng)集輸壓力為0.3和0.6 MPa時(shí)，隨著顆粒直徑的增大，彎頭沖蝕率明顯減小。分析認(rèn)為：由于直徑較小的顆粒與流體介質(zhì)之間的耦合性更好，使顆粒與壁面之間的碰撞更加充分，導(dǎo)致兩者之間碰撞次數(shù)增加，使彎頭沖蝕率增大；隨著顆粒直徑的不斷增大，顆粒受重力的影響加大，難以被流體介質(zhì)攜帶，導(dǎo)致顆粒之間碰撞的次數(shù)增加，并使得顆粒自身的能量損失加大，最終導(dǎo)致固體顆粒與壁面碰撞的次數(shù)及強(qiáng)度降低，使彎頭內(nèi)壁沖蝕率下降。

4 防控措施

通過(guò)以上分析確定，集輸壓力、流速和顆粒直徑為管道彎頭沖蝕影響的主要因素。因此，為了減輕管道彎頭沖蝕，延長(zhǎng)其使用壽命，提出以下防控措施：

(1)保持合適的集輸壓力。

(2)定期進(jìn)行清管作業(yè)，清理管道內(nèi)顆粒雜質(zhì)。

(3)對(duì)采出水水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)和細(xì)菌含量測(cè)定，降低管道腐蝕穿孔風(fēng)險(xiǎn)。

(4)采用OLGA 和FLUENT等軟件對(duì)管道沖蝕進(jìn)行模擬，對(duì)沖蝕嚴(yán)重的部位進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)輸油管道彎頭沖蝕失效的問(wèn)題，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，利用FLUENT模擬軟件建立相應(yīng)的物理模型，再將模型應(yīng)用到輸油管道彎頭的固液兩相流沖蝕規(guī)律研究中。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明：隨著集輸壓力和顆粒直徑的增大，彎頭的沖蝕率逐漸減小；隨著進(jìn)口流速的增加，彎頭的沖蝕率逐漸增大。

(3)在管道彎頭運(yùn)行過(guò)程中采取相應(yīng)的防控措施，降低了彎頭沖蝕穿孔的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了彎頭的使用壽命。