导航：安全管理网>> 安全论文>> 化工安全论文>>正文

天然气管道弯头冲蚀与防护仿真研究

文档作者：郑云萍1，王欢欢1，易昊林2，王洁敏卉3 文档来源： 1．西南石油大学石油工程学院 2．中石油西南油气田分公司重庆气矿 3．四川科宏石油天然气工程有限公司		点击数：	更新时间： 2024年04月29日
下载地址：点击这里	文件大小： 1.48 MB 共4页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共4页]

本文件共4页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：1.48 MB 共4页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

上一篇：油气管道穿河部位防护形式的演变

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

第32卷第08期计算机仿真2015年08月
文章编号：1006—9348(2015)08—0427一04
天然气管道弯头冲蚀与防护仿真研究
郑云萍1，王欢欢1，易昊林2，王洁敏卉3
(1．西南石油大学石油工程学院，四川成都610500；
2．中石油西南油气田分公司重庆气矿，重庆400520；
3．四川科宏石油天然气工程有限公司，四){l成都610056)
摘要：在天然气输送过程中，高速流动的天然气携带管道内壁脱落金属屑的混合流体对天然气管道弯头造成冲蚀，是管道弯
头失效的重要因素之一。利用Fluent从计算流体力学角出发，对比气固混合流体流经不同角度弯管时的压力变化、金属屑
运动轨迹变化、冲蚀攻角变化、以及冲蚀动能变化，直观地反映出各项影响因素与弯管冲蚀位置和冲蚀程度的关系，得出了
气体对弯管内壁大面积冲蚀、金属屑在此区域内再局部冲蚀的结论，与实际情况相吻合。根据不同角度弯头冲蚀情况不同
在保护部位与效力上提出了“定侧面、大面积、有侧重”的防护思路。
关键词：天然气管道；弯头；冲蚀；计算流体力学仿真
中图分类号：TE319 文献标识码：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
天然气管道在常年使用过程中容易在管道弯头处出现
刺漏的现象¨。]，导致弯管处存在一定的安全隐患，可能诱
发相应的安全风险。分析认为，管内天然气携带金属屑的混
合流体对管道内壁的冲蚀是降低弯头强度的主要因素之一，
然而现目前对天然气管道内壁冲蚀的研究，多数将气固两相
流看做一个整体，从整体流速、流量或颗粒含量等角度着手
基金项目：国家自然基金面上项目(51474183)
收稿日期：2014—12—22修回日期：2015-01—14
进行研究，并不能很好地揭示气固两相流冲蚀机理，而本文
采用Fluent对不同角度弯管工况下的气体流场、金属屑轨迹
仿真模拟研究，分别对流体冲蚀与金属屑颗粒冲击、冲蚀进
行分析，区别了气体与固体的不同冲蚀机理，更深入地揭示
弯管处气固两相流的冲蚀机理，为管道设计与管道后期检测
防护提供一定的理论依据。
2气体湍流模型与冲蚀方程
2．1湍流模型
由于天然气管内流速较高并且气体粘度较低，通过计
算，管内流动的雷诺数Re通常大于2×105，因此判断管内流
---——427---——
万方数据
态为湍流。常用湍流控制方程有Laminar、Inviscid、k—epsilon
以及k—omega等控制模型，由于在冲蚀中需要考虑流体
粘度，因此无粘流动的Inviscid模型不能选用，Laminar为单
控制方程模型，计算速度较快但精度不高，而k—epsilon与k
—omega模型均为双控制方程模型，其计算精度较高，其中k
—epsilon模型中所需要参数如湍流半径和湍流耗散率比较
容易获知。此采用三维笛卡尔坐标下双控制方程的k一8湍
流模型，其中关于k和￡的输运方程‘123有如下形式：
湍流动能k方程
垫型+V．(p肼)0t r，
=V。[(肛+尝)V。】+G。他“一‰ (1)
湍流动能耗散率8方程
掣+垫警=毒[(p+丝or＼生1+E 矾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。=两1[O瓦lzi+警)
弘I=峨专
n l
Ⅵ2 F万丽
A；=,／瓦os币
咖=了1 cos一(√石谚)
W一=—生卫垒]鱼马
(‰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动能产生；
G。是由于浮力影响引起的湍流动能产生；
‰为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；
Gig C砧、C3s、c2、A。为经验常数，
在FLUENT中设置为C19=1．44、C2s=1．9、C强=0．09、
C：=1．0、A。=4．0；or。、or。分别为湍流动能和湍流耗散率对
应的普朗特数，FLUENT中默认值为or。=1．0、or。=1．2。
2．2冲蚀能量模型
对用材料表面才冲蚀速率可以用单位时间内单位面积
．--——428．--——
上因冲蚀而减少的质量来描述。根据天然气管道内气固两
相流流动特性，采用Grant模型进行研究。
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为表面冲蚀速率，||}g=／(m2·s)；
y为离子路径与材料表面之间的撞击角度，(。)5
u。为粒子碰撞速度，m／s；
R，为切向恢复比；y。为最大冲蚀角，(。)；
t，l"2和u3为相对速度；
k2=1；J|}12为常数。
3仿真物理模型建立
为研究分析便利，建立不同角度弯管模型如图1所示。k≯
图1物理模型尺寸图
管道内径为600mm，弯管中性弧线半径为914ram，进口、
出口管道长度均为5m，为方便研究观察规律，不同角度‘p分
别取300、450、600、900、1800。
从现场冲蚀情况来看，冲蚀峰值往往出现在弯管弯曲部
分，因此对弯管部分进行局部网格加密处理如图2所示。
模型人口以100×104 m3／d计算质量流量，出口为压力
出口4MPa。
4计算结果与分析
4．1压力云图对比分析
不同角度弯管压力分布如云图3所示。
由图3可知，当流体流过弯头过程中，弯管外侧内壁受
到的压力增加，内侧内壁压力减小。随着弯头角度增加，弯
蚕目d日}十
万方数据
_
图2 90。弯头网格局部加密图
夕。
图3不同角度弯管压力分布云图
管外侧内壁受到的压力增加越明显，内侧内壁压力减小越明
显。分析认为：在流体流人弯管过程中，受到弯管外侧内壁
的阻碍，又由于气体的可压缩性，当流动受阻后局部气体被
压缩，造成了局部高压，因此弯管角度越大阻碍越强，那么压
力就越高且当弯管弯角为1800时，高压区域最大。
4．2粒子轨迹对比分析
不同角度弯管粒子轨迹如图4所示。
图4不同角度弯管中粒子轨迹图
由图4可知，金属屑作为离散相受到天然气流动的影
响，随着天然气流动撞击到弯管外侧内壁，对内侧造成冲击
和冲蚀。随着弯管角度增加，金属屑与弯管内壁接触的行程
越长，流动方向变化越大，冲蚀面积就越大，当弯管弯角为
1800时，冲蚀面积最大与冲蚀总量最大。弯管的弯角增加，
金属屑与弯管内壁的冲蚀攻角也增加，当弯管弯角增加到
900时，冲蚀攻角为450。
4．3管道内壁冲蚀速率对比分析
不同角度弯管冲蚀速率如云图5所示。
雌l
巷2 e拈hlo
、嚼2m“1。
I i鋈
图5不同角度弯管冲蚀速率云图
由图5可知，随着弯管角度增加，冲蚀速率峰值有所增
加，且出现在弯管弯头外侧内壁处。当弯管角度达到90。时
冲蚀速率达到最大，其冲蚀峰值约为5．25×10“okegm2s。
分析认为：冲蚀速率大小与冲蚀攻角和冲击速度有着密切联
系。由仿真模型观察，当冲击速度一定时，冲蚀攻角较小时，
金属屑对管壁主要是切削作用，由于此时金属屑对管壁的正
面冲击力较小，金属屑不能吃人较大深度，所以此时冲蚀速
率相对较低。当弯头角度增大，虽然金属屑对管壁的切削作
用减小但正面冲击力增大。此时金属屑撞击更加有力，能够
吃入内壁一定深度，此时冲蚀速率在撞击与切削的共同作用
下达到最大。因此当弯头角度为90。和180。时，金属屑与弯
管外壁内侧的冲蚀攻角约为45。，此时出现了最大冲蚀峰值。
结合压力云图与粒子轨迹图综合分析冲蚀规律，气体在
弯管外侧内壁附近形成高压带，冲刷内壁，造成高压带附近
管道内壁大面积减薄形成低强度区域。混合流体中的金属
屑再对此区域中的更小范围集中碰撞、冲击、切削，使得在更
小区域内冲蚀更加严重，最后冲蚀出现的刺漏点也正是与粒
子轨迹与弯管内壁碰撞处相吻合。
4．4管道受流体冲击力对比分析
通过Fluent软件计算出模型管段所受合力与弯管角度
关系如图6所示。
由图6可知，当弯头弯曲角度越大，管道整体受力越大。
分析认为：根据牛顿第三定律，管道对流体的阻碍力大小等
于流体对管道的冲击力大小，然后当流体流经角度越大的弯
管时，流体流动状态改变越大，受到管道对流体流动的阻碍
力越大，因此管道受到的合力也越大。当弯管角度为90。时，
．．．．——429．．．．——
乡A √√
二
万方数据
：I BI峨喇。
图6弯管受力与弯曲角度关系图
管道整体受力最大约为2357kN方向斜向下。需注意的是，
1800弯头在竖直方向受到的力在两个900弯头处相互抵消使
得竖直方向合力很小，而在水平方向不能抵消。所以90。与
1800弯管受到合力值相同但方向不同。
综上所述：当弯管角度在30。～180。间变化时，随着角度
增加，弯管内壁对气流阻碍作用增大，高压区面积增大；在切
削作用与冲击的共同作用下，受到的冲蚀速率增加；受到的
冲击合力在流体与金属屑的共同作用下增加。
5弯管防护措施设计思路
根据仿真显示，提出以下三种防护思路：1)、根据冲蚀部
位的显示，应该将弯头的外侧内壁面确定为冲蚀防护的重点
区域，甚至可以考虑单侧增加壁厚的工艺。2)、根据流场中
高压区域显示，设计防冲蚀的区域时，区域覆盖面应该随着
着弯曲程度越增加而增加，总要面积应该覆盖且略大于高压
流场区域。3)、根据固相金属屑轨迹显示，针对金属屑密集
碰撞、摩擦的区域，应该在管道设计过程中重点考虑其抗冲
蚀性。
6结论与建议
1)通过Fluem仿真模拟了不同角度天然气弯曲管道冲
蚀现象，揭示了弯管角度与冲蚀部位、冲蚀速率的关系规律。
2)通过弯管角度与冲蚀速率的关系规律分析，得知天然
气管道内的冲蚀是在气体的冲蚀与金属屑的冲击作用、切削
作用共同作用下造成，并且发现当弯管角度为900，攻角为
450时冲蚀速率最快。
3)通过计算管道受流体冲击力，得出了弯管角度与受力
的关系，为不同角度弯管建设和维护提供了一定依据。
．．．——430---——
4)在弯管设计和选用过程中应把握将防护面重点位置
考虑在弯管外侧内壁面，防护面积大于高压流场区域，侧重
保护金属屑冲击、摩擦部位，即“定侧面、大面积、有侧重”的
防护思路。
参考文献：
[1]刘勇峰，等．凝析气田集输管道弯管冲刷腐蚀数值计算[J]．
腐蚀与防护，2012，33(2)：132—135
[2]李铁山．输气管道弯头开裂的原因探讨和预防[J]．石油工程
建设，1998，24(6)：51—54．
[3] 郑苏录，郑水法．管道弯头爆裂失效分析[J]．管道技术与设
备，2012，(2)：56—57．
[4] 尹平，朱红钧．天然气流经弯曲油管柱时的流场模拟[J]．内
蒙古石油化工，2009，(14)：3—5．
[5] 崔钺，等．基于流场计算的天然气集输管线C02腐蚀预测模
型[J]．石油学报，2013，34(2)．
[6] 丁矿，等．直角弯管内液固两相流固体颗粒冲蚀磨损分析[J]．
油气储运，2013，32(3)：241—246．
[7] 曾涌捷．天然气管道弯头冲蚀失效机理研究[J]．石油和化工
设备，2011，(2)：44—46
[8]梁光川，等．基于FLUENT的输油管道弯头冲蚀分析[J]．腐
蚀与防护，2013，34(9)：822—824．
[9] S Tandon，M Gao，R MeNealy．Erosion—Corrosion Failure Of A
Carbon Steel Pipe Elbow—A Case Study[J]．Corrosion
2009．2009．
[10]Y Zhang，et a1．The relationship between fracture toughness of
C02 eorrosion scale and corrosion rate of X65 pipeline steel under
supereritieal C02 condition[J]．International Joumal of Green·
house Gas Control，2011，5(6)：1643—1650．
[11] G Grant，w Tabakoff．Erosion prediction in turbomaehinery re—
suhing from environmental solid particles[J]．Journal ofAircraft，
1975，12(5)：471—478．
[12] 梁在潮．工程湍流[M]．武汉：华中理工大学出版社，1999．
[作者简介]
郑云萍(1961一)，女(汉族)，四川成都人，教授，硕
士研究生导师，长期从事油气集输工艺理论与技
术、油气储运设施安全技术相关的教学和科研
工作。
王欢欢(1989一)，女(汉族)，重庆人，硕士研究生，
主要研究领域为油气储运相关研究。
易昊林(1989一)，女(汉族)，重庆梁平人，助理工程师，主要研究领
域为管道完整性评价。
王洁敏卉(1990一)，女(汉族)，四川省成都市，工程师，主要研究领
域为油气管线及站场设计。

网友评论 more

化工安全论文最新内容

04-29