多相混輸管道彎管流動(dòng)腐蝕數(shù)值計(jì)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(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)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(fā)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(yán)重。雅克拉凝析氣田也發(fā)生過集輸管道彎頭處腐蝕穿孔的事故，最大腐蝕速率高達(dá)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(duì)于流動(dòng)腐蝕進(jìn)行了深入的研究，雍興躍[2]和偶國富[3]率先采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究腐蝕和流動(dòng)之間的耦合作用。吳信榮[4]針對(duì)油田集輸管線建立了多相流腐蝕評(píng)價(jià)裝置，在實(shí)驗(yàn)室建立了介質(zhì)多相流腐蝕數(shù)學(xué)模型。代真[5]、雍興躍[6]分析了流體力學(xué)因素對(duì)流動(dòng)腐蝕的影響。對(duì)于氣田集輸管道，張智[7]利用數(shù)值計(jì)算的方法研究了井下油管的流動(dòng)誘導(dǎo)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(jī)理，得出管道的沖刷腐蝕與金屬管道中介質(zhì)的流動(dòng)流態(tài)、組成、濃度、溫度，金屬的材料等因素有關(guān)，并提出了抗腐蝕的方法。葉帆針對(duì)介質(zhì)流態(tài)對(duì)凝析氣集輸管道的腐蝕影響進(jìn)行了研究[10]，王德國對(duì)長距離混輸管道內(nèi)壁流動(dòng)腐蝕的研究進(jìn)展進(jìn)行了論述[11]。

但是沒有針對(duì)凝析氣田彎管沖刷腐蝕的機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)該工況，利用前人研究的成果，建立了彎管沖刷腐蝕的數(shù)學(xué)模型，研究彎管的沖刷腐蝕和彎管內(nèi)流體力學(xué)因素分布規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算流體力學(xué)就是用數(shù)值計(jì)算的方法直接求解描述流體運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的非線性數(shù)值方程組，研究流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。它的優(yōu)勢(shì)在于可以給出比較完整的定量研究結(jié)果，節(jié)省研究成本和工作量，擴(kuò)大研究的范圍，減少實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)工作的盲目性，增加實(shí)驗(yàn)的可靠度。

凝析氣田集輸管道中的輸送介質(zhì)含有氣，水，H2S 等雜質(zhì)，介質(zhì)的流態(tài)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(xù)方程為：

其中：

ρm—混合密度；

αk—第k 相的體積分?jǐn)?shù)；

（2）動(dòng)量方程為：

其中：

式中： n—相數(shù)；

μm—混合粘性；

（3）能量方程為：

式中：keff—有效熱傳導(dǎo)率。

公式右邊的第一項(xiàng)是由于傳導(dǎo)造成的能量傳遞。

SE包含了所有的體積熱源。

（4）相對(duì)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(shù) fdrag公式為：

（5）第二相的體積分?jǐn)?shù)方程：

從第二相p 的連續(xù)方程，可以得到第二相p 的體積分?jǐn)?shù)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(dòng)能產(chǎn)生；

Gb—由于浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；

YM—可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。

1.2 模擬實(shí)例

根據(jù)甘振維[12]提供的凝析氣田管道實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)，我們挑選了一組腐蝕最嚴(yán)重的工況進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)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(duì)模型進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分，然后對(duì)彎管進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，對(duì)于彎管彎曲部位進(jìn)行局部網(wǎng)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(huán)境壓力。運(yùn)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(jié)果分析

在凝析氣田里，彎管特別容易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致彎管泄漏，引發(fā)事故，這主要是由于彎管的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致流體力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，引起腐蝕形成的。下面具體分析彎管內(nèi)流體力學(xué)因素的變化規(guī)律。

圖2 是彎管內(nèi)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(nèi)側(cè)和彎頭出口0.1 m 處，流速比其它區(qū)域大。形成這一形態(tài)的主要原因是由于彎頭結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致流通通道變小，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)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(dǎo)致管壁處速度梯度變大，從而引起管壁上的剪切應(yīng)力變大，所以出現(xiàn)了圖3 中最大剪切應(yīng)力區(qū)域，這些區(qū)域的剪切應(yīng)力比其它部位的剪切應(yīng)力大，容易導(dǎo)致彎管壁面不能形成金屬保護(hù)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(fā)生穿孔腐蝕的幾率大。在安全檢測(cè)的過程中，此區(qū)域要重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。

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(yīng)力分布云圖Fig.3 Nephogram of wall shear stress

圖4 是彎管內(nèi)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(cè)，主要集中在彎管出口段，液相分布率較大時(shí)，液相中電解質(zhì)和管壁接觸的機(jī)會(huì)就大，容易引起管道發(fā)生電化學(xué)腐蝕，特別是凝析氣田管道中含有H2S，CO2和一些其它的強(qiáng)電解質(zhì)，這些物質(zhì)溶解在液相介質(zhì)中，一旦聚集在管壁上，就會(huì)形成酸性的環(huán)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(nèi)z=0 截面湍動(dòng)能局部放大云圖，由圖可知，在彎管內(nèi)側(cè)出口段，湍動(dòng)能較大，由圖5 可知，此區(qū)域主要是氣體，雖然氣體流速不大，由于湍動(dòng)能大，氣體和管壁接觸頻繁，給管壁運(yùn)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(dòng)能分布云圖Fig.5 Nephogram of turbulence intensity in section z=0

圖6 是彎管內(nèi)z=0 界面彎頭處的壓強(qiáng)分布云圖局部放大圖，壓強(qiáng)較大的點(diǎn)集中在彎管外側(cè)，高壓層影響區(qū)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(dòng)能裝換成靜壓能。壓力升高后，一旦管壁上有缺陷，容易發(fā)生穿孔，導(dǎo)致油氣泄漏。在彎管內(nèi)側(cè)，出現(xiàn)了低壓區(qū)，此區(qū)域容易發(fā)生氣液分離的現(xiàn)象，發(fā)生空化腐蝕。

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

3 結(jié) 論

彎管結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致管內(nèi)流速，液相分布，湍動(dòng)能，壓力動(dòng)發(fā)生了變化，各個(gè)流體力學(xué)因素的變化，都會(huì)加速管壁內(nèi)某些部位的腐蝕速率，還會(huì)導(dǎo)致彎管發(fā)生腐蝕的幾率變大，所以彎管比直管段更容易發(fā)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(fā)生事故多也證實(shí)了這點(diǎn)。

在油氣田管網(wǎng)建設(shè)的過程中要盡量減少彎頭的數(shù)量，對(duì)于已經(jīng)建設(shè)的管道，要重點(diǎn)檢測(cè)管道彎頭的腐蝕狀況，及時(shí)更換新管道。

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