含砂天然气管道弯管冲蚀磨损特性研究.pdf

18 Pipeline Technique and Equipment 2023 年 第 4 期收稿日期:2022-04-22含砂天然气管道弯管冲蚀磨损特性研究季楚凌,杨紫辰,马树锋,王 勃(长庆工程设计有限公司苏州分公司,江苏苏州 215000)摘要:当天然气管道中混有砂粒时,弯管易受冲蚀而使其壁厚减薄。为此,以国内某含砂气田输气首站内的工艺管道为例,采用 Fluent 软件对弯管的冲蚀磨损特性进行了数值模拟研究。结果表明:在正常输气工况下,弯管外拱的下部为其冲蚀磨损集中区,且最大局部减薄量为0.4 mm/a。另外,弯径比的增大会扩大弯管的冲蚀磨损集中区范围,同时使其最大冲蚀磨损速率减小;内径的增大不会改变弯管的冲蚀磨损集中区分布,但会造成其最大冲蚀磨损速率减小。研究结果可为后续进一步研究弯管的冲蚀磨损防护措施提供参考。关键词:天然气管道;弯管;冲蚀磨损特性;冲蚀磨损速率;Fluent 软件;数值模拟中图分类号:TE832 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2023)04-0018-04Study on Erosion Characteristics of Elbow in Natural Gas Pipeline Containing SandJI Chuling,YANG Zichen,MA Shufeng,WANG Bo(Suzhou Branch of Changqing Engineering Design Co.,Ltd,Suzhou 215000,China)Abstract:When sand particles are mixed in the natural gas pipeline,the elbow is easy to be eroded,which can result in wall thickness thinning of elbow.Therefore,taking the process pipeline at the initial station of a natural gas field containing sand at home as an example,the erosion characteristics of elbow was studied in the method of numerical simulation by Fluent soft-ware.The results show that under normal natural gas transmission conditions,the erosion concentration area of the elbow is loca-ted at the lower part of external arch,and the maximum local thinning of wall thickness is 0.4 mm/a.In addition,the increase of bend-diameter ratio can expand the erosion concentration area of elbow,and reduce the maximum erosion rate of elbow.The increase of elbows inner diameter can not change the distribution of erosion concentration area,but can reduce the maximum ero-sion rate.The research results provide the reference for the following study on the erosion protection measures of elbow.Keywords:natural gas pipeline;elbow;erosion characteristics;erosion rate;Fluent software;numerical simulation0 引言国内部分气田的储层泥质胶结强度较低,因此在开采过程中会出现一定程度的气井出砂现象,虽然在后续流程中会采取除砂方法,但仍会有部分砂粒随着气流输送至下游输气站场。气流中的砂粒会对站内工艺管道系统产生冲蚀磨损,尤其对于管道中的弯管,其冲蚀磨损更严重,极有可能在弯管处发生泄漏。例如,牙哈气田下游天然气管道受到严重的冲蚀磨损,尤其是弯管处,在 20002006 年间发生 50 多次穿孔1-2;雅克拉气田天然气集输管道中的弯管因为冲蚀磨损而发生 2 起穿孔爆裂事故3。因此,开展对于含砂天然气管道中弯管冲蚀磨损特性的研究很有必要。目前,已有部分学者对弯管的冲蚀磨损特性进行了研究。Deng 等搭建实验装置进行多系列碳钢材质弯管在含砂气流冲击下的冲蚀磨损实验,结果表明弯管壁厚减薄量最大的区域大致位于外拱的转角 20处4。高万夫等也对弯头的冲蚀磨损特性进行了实验研究5。Chen、Parsi 等均采用 CFD 软件对弯管在含砂气流冲击下的冲蚀磨损特性进行了数值模拟研究,并根据模拟结果提出对应的冲蚀磨损防护措施6-7。邓佳丽、沈彬也采用数值模拟的方法分别对不同介质输送管道中弯头的冲蚀磨损特性进行了研 第 4 期季楚凌等:含砂天然气管道弯管冲蚀磨损特性研究19 究8-9。目前的研究主要对特定条件下弯管的冲蚀磨损特性进行分析,本文不仅对正常输气工况下站内弯管的冲蚀磨损特性进行研究,还具体分析了弯径比、内径等弯管结构参数的变化对冲蚀磨损特性的影响。1 弯管物理模型以国内某含砂气田下游输气首站内的工艺管道为例,对站内的弯管进行冲蚀磨损特性研究。该弯管流道的物理模型如图 1 所示,其内径 D=50 mm、弯径比 r/D=1.5;此外,为使含砂气流的湍流流动在冲击弯管时得到充分发展,进行物理模型建模时,在弯管两端增加一定长度的直管段。图 1 弯管流道物理模型示意图2 含砂天然气管道的正常输气工况模拟条件依据实际生产中的正常输气工况进行设置,气质组分如表1 所示。此外,弯管的气相进口流速为 15 m/s、所含砂粒平均直径为 100 m、砂粒质量流量为 5.110-5 kg/s。表 1 国内某含砂气田气质组分%气质组分体积分数CH498.73C2H60.05C3H80.02N21.203 数学模型的建立3.1 气相流场控制方程气相为连续相,因而对其流场的计算采用欧拉法,相应的连续性方程、动量方程及能量方程为:pt+(ui)xi=0(1)(ui)t+(uiuj)xj=-pxi+uixj-uiuj()xj+Si(2)(T)t+(uiT)xi=kcpTxi()xi+ST(3)式中:为气相密度,kg/m3;t 为时间,s;xi为方向分量;ui、uj为气体时均速度,m/s;p 为压力,Pa;为气体动力黏度,Pas;Si为动量方程中的广义源项;ui、uj为气体脉动速度,m/s;k 为导热系数,W/(m2K);cp为比热容,J/(kgK);T 为温度,K;ST为能量方程中的粘性耗散项。此外,选用 RNG k-模型作为湍流模型,以使气相流场控制方程封闭,RNG k-模型方程见文献10。3.2 离散相砂粒轨迹控制方程砂粒为含砂气流中的离散相,可对其进行受力分析,并以此计算砂粒的运动轨迹。砂粒的受力平衡方程(x 方向)为:dupdt=FD(u-up)+gx(p-)p+Fx(4)FD=3CDRe4pd2p(5)Re=dp|up-u|(6)式中:up为砂粒速度,m/s;FD(u-up)为砂粒所受曳力;gx为重力加速度的 x 分量,m/s2;p为砂粒密度,kg/m3;Fx为其他作用力的 x 分量,m/s2;为气体动力黏度,Pas;CD为曳力系数;Re 为雷诺数;dp为砂粒的直径,m。4 结果讨论与分析通过在 Fluent 软件中建立上述数学模型,并进行数值模拟,结果如下。4.1 正常输气工况下站内弯管的冲蚀磨损特性在正常输气工况下,站内弯管的冲蚀磨损集中区分布如图 2 所示。可见,冲蚀磨损集中区主要位于弯管外拱的下部,且弯管内壁的最大冲蚀磨损速率达到9.9710-8 kg/(m2s),经换算,得到其内壁面的最大局部减薄量为 0.4 mm/a。20 第 4 期图 2 正常输气工况下弯管冲蚀磨损集中区分布通过查看含砂气流的气相流场及砂粒轨迹分析弯管冲蚀磨损特性的成因,如图 3、图 4 所示。当含砂气流流经弯管入口处直管段时,气相流速分布较均匀,大部分砂粒在气相曳力的作用下随气流折向出口处运动;而当含砂气流流经弯曲段时,由于外拱处的气相流速要明显小于内拱处,因而外拱处的砂粒在其自身惯性力的作用下,直接冲击弯头外拱的下部壁面,从而形成相应的冲蚀磨损集中区。图 3 正常输气工况下站内弯管界面流场分布图 4 正常输气工况下站内弯管内部砂粒运动轨迹4.2 弯径比的变化对弯管冲蚀磨损特性的影响为研究弯管弯径比的变化对其冲蚀磨损特性的影响,对弯径比(r/D)不同,但内径 D 均为 50 mm 的弯管进行冲蚀磨损特性的数值模拟。其中,不同弯径比下各弯管最大冲蚀磨损速率的变化如图 5 所示,冲蚀磨损集中区的分布如图 6 所示。图 5 不同弯径比下各弯管的最大冲蚀磨损速率(a)r/D=2(b)r/D=3图 6 r/D=2、r/D=3 时弯管冲蚀磨损集中区分布 第 4 期季楚凌等:含砂天然气管道弯管冲蚀磨损特性研究21 可见,当弯管弯径比增大,但内径不变时,弯管内壁的最大冲蚀磨损速率将会减小,另外,弯管弯径比的增大也会造成其内壁出现更均匀且广泛的冲蚀磨损集中区。这是因为当弯径比增大时,弯管弯曲段的长度会增大,因而外拱处受砂粒冲击的面积会增大,但单位面积下受到砂粒冲击的次数减少;同时,弯管的弯径比增大时,气相流场在弯曲段内的变化更加平缓,内、外拱之间的气相流速差值会减小,原本冲击外拱壁面的部分砂粒会被外拱处的气流影响,直接转向弯管出口处,而不再冲击壁面。这 2 个因素造成弯管内壁的最大冲蚀磨损速率随着弯径比的增大而减小,但冲蚀磨损集中区随着弯径比的增大而变得更加广泛。4.3 内径的变化对弯管冲蚀磨损特性的影响为研究弯管内径的变化对其冲蚀磨损特性的影响,对弯径比(r/D)不变,但内径 D 在 50150 mm 范围内的弯管进行冲蚀磨损特性的数值模拟。其中,不同内径下各弯管最大冲蚀磨损速率的变化如图 7 所示,冲蚀磨损集中区的分布如图 8 所示。图 7 不同内径下各弯管的最大冲蚀磨损速率图 8 r/D=1.5、D=150 mm 弯管冲蚀磨损集中区分布可见,当弯管内径增大,但弯径比不变时,弯管内壁的最大冲蚀磨损速率减小,但冲蚀磨损集中区的分布基本不发生变化。这是因为当砂粒质量流量不变,而弯管内径增大时,弯管入口处的砂粒体积浓度减小,同时弯管内径的增大也使得其外拱壁面的面积增大,这两方面因素均会使弯管外拱单位面积下受到砂粒冲击的次数减少,从而使得弯管的最大冲蚀磨损速率随内径的增大而减小。但弯管内径的增大不会改变弯曲段的结构形式,因而冲蚀磨损集中区的分布基本不变。5 结论(1)以国内某含砂气田下游输气首站内的工艺管道为例,对站内内径为 50 mm 的弯管进行冲蚀磨损特性的研究,在正常输气工况下,该弯管外拱的下部为其冲蚀磨损集中区,且其内壁的最大局部减薄量为0.4 mm/a;(2)弯管内壁的最大冲蚀磨损速率随着弯径比的增大而减小,但冲蚀磨损集中区随着弯径比的增大而变得更加广泛;(3)弯管内径增大时,其内壁的最大冲蚀磨损速率随之减小,但冲蚀磨损集中区的分布基本不变;(4)本次研究结果可为确定含砂天然气管道中弯管的磨损程度提供依据,并为后续进一步研究弯管的冲蚀磨损防护措施提供参考。参考文献:1 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