多相混輸管道彎管流動腐蝕數值計算

周 彬，劉勇峰

（1. 中國石油天然氣股份有限公司 西部管道塔里木輸油氣分公司， 新疆 庫爾勒 841000；2. 中國石油集團工程設計有限責任公司 西南分公司， 四川 成都 610041）

雅哈凝析氣田自2002 年到2006 年間共發生腐蝕穿孔事故50 次[1]，穿孔部位主要為彎頭處，彎頭腐蝕問題非常嚴重。雅克拉凝析氣田也發生過集輸管道彎頭處腐蝕穿孔的事故，最大腐蝕速率高達7.44 mm/a。所以研究凝析氣田集輸管道彎管的腐蝕具有非常重要的意義。

目前，我國對于流動腐蝕進行了深入的研究，雍興躍[2]和偶國富[3]率先采用數值計算和實驗相結合的方法，研究腐蝕和流動之間的耦合作用。吳信榮[4]針對油田集輸管線建立了多相流腐蝕評價裝置，在實驗室建立了介質多相流腐蝕數學模型。代真[5]、雍興躍[6]分析了流體力學因素對流動腐蝕的影響。對于氣田集輸管道，張智[7]利用數值計算的方法研究了井下油管的流動誘導腐蝕。蔣東輝[8]、楊紅春[9]從理論上分析了凝析氣田腐蝕的狀況和腐蝕的機理，得出管道的沖刷腐蝕與金屬管道中介質的流動流態、組成、濃度、溫度，金屬的材料等因素有關，并提出了抗腐蝕的方法。葉帆針對介質流態對凝析氣集輸管道的腐蝕影響進行了研究[10]，王德國對長距離混輸管道內壁流動腐蝕的研究進展進行了論述[11]。

但是沒有針對凝析氣田彎管沖刷腐蝕的機理進行實驗驗證，針對該工況，利用前人研究的成果，建立了彎管沖刷腐蝕的數學模型，研究彎管的沖刷腐蝕和彎管內流體力學因素分布規律。

1 數學模型

1.1 數學模型

計算流體力學就是用數值計算的方法直接求解描述流體運動基本規律的非線性數值方程組，研究流體運動的規律。它的優勢在于可以給出比較完整的定量研究結果，節省研究成本和工作量，擴大研究的范圍，減少實驗和設計工作的盲目性，增加實驗的可靠度。

凝析氣田集輸管道中的輸送介質含有氣，水，H2S 等雜質，介質的流態為分層流和沖擊流[11]，采用多相流混合模型，流體的控制方程為：

（1）連續方程為：

其中：

ρm—混合密度；

αk—第k 相的體積分數；

（2）動量方程為：

其中：

式中： n—相數；

μm—混合粘性；

（3）能量方程為：

式中：keff—有效熱傳導率。

公式右邊的第一項是由于傳導造成的能量傳遞。

SE包含了所有的體積熱源。

（4）相對速度和漂移速度：

公式為：

式中： dp—第二相顆粒（或液滴或氣泡）的直徑，

曳力函數 fdrag公式為：

（5）第二相的體積分數方程：

從第二相p 的連續方程，可以得到第二相p 的體積分數方程為：

（6）湍流模型的微分方程：

式中：Gk—由于平均速度梯度引起的湍動能產生；

Gb—由于浮力引起的湍動能產生；

YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。

1.2 模擬實例

根據甘振維[12]提供的凝析氣田管道實際的運行數據，我們挑選了一組腐蝕最嚴重的工況進行三維數值計算，模擬的管道公稱直徑DN100，彎管的曲率半徑為 1.5DN，管道水平放置，重力向下，彎管兩端有長度為0.8 m 的直管段。

彎管的模型圖如圖 1，先對模型進行邊界層網格劃分，然后對彎管進行六面體網格劃分，對于彎管彎曲部位進行局部網格加密，以提高解的收斂性。入口采用速度入口條件：液相流速0.167 m/s，氣相流速3.565 m/s，含液率2.2%；出口為壓力出口，壓力為環境壓力。運用有限元法來解上述封閉的非線性偏微分方程組。

圖1 彎管模型圖Fig. 1 Diagram of bend model

2 結果分析

在凝析氣田里，彎管特別容易發生腐蝕，導致彎管泄漏，引發事故，這主要是由于彎管的結構不同，導致流體力學參數發生變化，引起腐蝕形成的。下面具體分析彎管內流體力學因素的變化規律。

圖2 是彎管內z=0 界面彎頭處的流速分布云圖局部放大圖，由圖可知，在彎頭處流速的分布非常不均勻，在彎管內側和彎頭出口0.1 m 處，流速比其它區域大。形成這一形態的主要原因是由于彎頭結構的改變，導致流通通道變小，導致內側速度加快。由于流體本身的粘性，必然要在管壁處形成流體邊界層，流速變大后，將導致管壁處速度梯度變大，從而引起管壁上的剪切應力變大，所以出現了圖3 中最大剪切應力區域，這些區域的剪切應力比其它部位的剪切應力大，容易導致彎管壁面不能形成金屬保護膜，加速管壁金屬氧化物的脫落，從而加快了管壁的減薄，管道發生穿孔腐蝕的幾率大。在安全檢測的過程中，此區域要重點的監測。

圖2 z=0 界面流速分布云圖Fig.2 Nephogram of velocity in section z=0

圖3 管壁剪切應力分布云圖Fig.3 Nephogram of wall shear stress

圖4 是彎管內z=0 截面液相分布云圖，從圖中可以看出，液相主要分布在彎管外側，主要集中在彎管出口段，液相分布率較大時，液相中電解質和管壁接觸的機會就大，容易引起管道發生電化學腐蝕，特別是凝析氣田管道中含有H2S，CO2和一些其它的強電解質，這些物質溶解在液相介質中，一旦聚集在管壁上，就會形成酸性的環境和加快管壁的腐蝕，使管壁均勻減薄。

圖4 z=0 截面含液率分布云圖Fig.4 Nephogram of liquid containing rate in section z=0

圖5 是彎管內z=0 截面湍動能局部放大云圖，由圖可知，在彎管內側出口段，湍動能較大，由圖5 可知，此區域主要是氣體，雖然氣體流速不大，由于湍動能大，氣體和管壁接觸頻繁，給管壁運送了更多的氧氣而加速金屬表面氧化腐蝕。

圖5 z=0 截面湍動能分布云圖Fig.5 Nephogram of turbulence intensity in section z=0

圖6 是彎管內z=0 界面彎頭處的壓強分布云圖局部放大圖，壓強較大的點集中在彎管外側，高壓層影響區域較大，引起高壓的主要原因是由于流體的慣性，碰到彎管后將動能裝換成靜壓能。壓力升高后，一旦管壁上有缺陷，容易發生穿孔，導致油氣泄漏。在彎管內側，出現了低壓區，此區域容易發生氣液分離的現象，發生空化腐蝕。

圖6 z=0 截面壓強分布局部放大云圖Fig.6 Nephogram of pressure in section z=0

3 結 論

彎管結構的變化，導致管內流速，液相分布，湍動能，壓力動發生了變化，各個流體力學因素的變化，都會加速管壁內某些部位的腐蝕速率，還會導致彎管發生腐蝕的幾率變大，所以彎管比直管段更容易發生腐蝕穿孔等事故。雅哈凝析氣田和雅克拉凝析氣田的管道中，彎管發生事故多也證實了這點。

在油氣田管網建設的過程中要盡量減少彎頭的數量，對于已經建設的管道，要重點檢測管道彎頭的腐蝕狀況，及時更換新管道。

［1］ 付秀勇,許久龍,李軍,等.凝析氣田集輸管道的沖刷腐蝕與防護[J].石油化工腐蝕與防護,2008, 25(2):20-23.

［2］ 雍興躍,丁憶,劉景軍,等.流體力學因素對電極反應作用的定量分析[J].腐蝕科學與防護技術, 2003,15(4):204-207.

［3］ 偶國富,裘杰,朱祖超等.異徑管沖蝕失效的流固耦合數值模擬[J].力學學報2010,42(2):197-203.

［4］ 吳信榮，姜秀萍，黃雪松,等. 油田集輸管線介質多相流腐蝕數學模型研究[J].石油天然氣學報,2006,28(2):139-142.

［5］ 代真,段志祥，沈士明.流體力學因素對液固兩相流沖刷腐蝕的影響[J].石油化工設備,2006, 35(6):20-23.

［6］ 雍興躍,張稚琴,李棟梁,等.近壁處流體力學參數對流動腐蝕的影響[J].腐蝕科學與防護技術,2011.23(3):245-250.

［7］ 張智,施太和,吳優. 井下油管的流動誘導腐蝕數值模擬研究[J].石油鉆采工藝,2004,26(6):59-61

［8］ 蔣東輝,溫艷軍,趙建彬,等.牙哈凝析氣田腐蝕狀況及對策[J].天然氣工業,2008,28(10):101-104.

［9］ 楊紅春,楊小平,楊明忠,等.牙哈凝析氣田腐蝕機理及防腐措施研究[J].鉆采工藝,2007,30(2):117-119.

［10］葉帆.介質流態對凝析氣集輸管道的腐蝕影響分析[J].天然氣與石油,2009,27(6):22-25.

［11］王德國,何仁洋,董山英.長距離油、氣、水混輸管道內壁流動腐蝕的研究進展[J].天然氣與石油,2002,20(4):24-29

［12］甘振維.凝析氣田集輸管道內腐蝕分析[J].油氣儲運,2010,29(1):41-45.