稠油管道90°彎管流場及應(yīng)力分析

季 楚 凌

（西南石油大學(xué)，四川 成都 610500）

稠油管道90°彎管流場及應(yīng)力分析

季 楚 凌

（西南石油大學(xué)，四川 成都 610500）

以輸送稠油的90°彎管為研究對象，對稠油流經(jīng)彎管進(jìn)行流場和應(yīng)力的分析。利用Anton Paar MCR 302可視化流變儀測得了稠油的粘溫曲線，并借助Fluent與Ansys軟件對彎管進(jìn)行熱流固耦合模擬計(jì)算。對稠油樣品在不同溫度及流速下流經(jīng)管道彎頭進(jìn)行了流場和應(yīng)力的研究和分析。研究結(jié)論可為進(jìn)一步研究稠油流經(jīng)彎管的沖蝕機(jī)理提供理論依據(jù)。

稠油； 90°彎管；熱流固耦合；應(yīng)力分析

稠油通常指粘度大于1×102mPa·s(50 ℃)和密度大于0.92 g/cm3(20 ℃)的原油[1]。世界上的稠油能源相當(dāng)豐富，儲(chǔ)量很高，我國稠油資源的開發(fā)也展現(xiàn)出良好的前景[2]。但是稠油較高的粘度給其運(yùn)輸造成了極大的困難，而對其進(jìn)行加熱輸送是一種有效的輸送方法之一。原油集輸管道系統(tǒng)中的彎管由于其形狀和結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性導(dǎo)致其受力情況比較復(fù)雜[3]，國內(nèi)外許多學(xué)者對彎管在流體輸送過程中的受力情況進(jìn)行了大量的研究[4-7]，而對于高粘油品在加熱輸送時(shí)彎管的受力情況分析研究較少。

本次研究中，利用奧地利Anton Paar MCR 302可視化流變儀等對國內(nèi)某油田稠油的粘溫特性進(jìn)行了測量，并借助Fluent和Ansys軟件對該稠油樣品在不同溫度及流速下流經(jīng)管道彎頭進(jìn)行了流場和應(yīng)力的研究和分析。

1 稠油粘度測量

將收集自國內(nèi)某油田的稠油樣品加熱到30℃，恒溫60 min，然后以1 ℃/min的速度連續(xù)升溫到75 ℃，在恒定剪切速率的條件下，利用奧地利Anton Paar MCR 302可視化流變儀測量其不同溫度下的粘度值，并將得到的稠油粘溫特性μ～T曲線轉(zhuǎn)化為lnμ～1/T曲線[8]。最終得到的粘溫方程為:

式中：

μ — 動(dòng)力粘度，Pa·s；

T — 溫度，K。

2 幾何模型的建立

以管道系統(tǒng)中常用的90°彎管為例(圖1)，該彎管規(guī)格為φ600×15，彎徑比為1.5，彈性模量為210 GPa，泊松比0.3，導(dǎo)熱系數(shù)56 W/(m·k)，線膨脹系數(shù)1.255×10-5/℃。

圖1 彎管的幾何模型Fig. 1 Geometric model of bend

3 數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 層流模型及RNG k-ε湍流模型

流體的流動(dòng)分為層流和湍流，層流流動(dòng)主要表現(xiàn)為流體質(zhì)點(diǎn)的摩擦和變形，層與層之間互不干擾，而湍流流動(dòng)主要表現(xiàn)為流體質(zhì)點(diǎn)的互相撞擊和摻混，層與層之間相互干擾。層流及湍流可根據(jù)雷諾數(shù)Re來表示，一般認(rèn)為Re＜2000的流動(dòng)為層流，反之為湍流[9]，Re的表達(dá)式為：

式中：

ρ為流體密度，kg/m3；

d為管子內(nèi)徑，m；

v為平均流速，m/s；

μ為流體動(dòng)力粘度，Pa·s。

對于層流模型，連續(xù)性方程為：

式中：

t為時(shí)間，s；

V為平均流速，m/s。

運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：

f為質(zhì)量力，N；

P為表面力，Pa。

廣義牛頓粘性應(yīng)力公式為：

式中：

pij為應(yīng)力張量，Pa；

p為平衡態(tài)壓力，Pa；

μ'為第二粘性系數(shù)，Pa·s；

δij為內(nèi)羅內(nèi)克算子；

εij為變形速率張量。

而對于RNG k-ε湍流模型，運(yùn)動(dòng)方程變化為：

式中：

Vi、Vj為平均速度，m/s；

V'i、V'j為脈動(dòng)速度，m/s；

p'ij為雷諾應(yīng)力，Pa。

其k方程為：

其ε方程為：

式中：

k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；

αk為k方程的Prandtl數(shù)，取0.7194；

αε為ε方程的Prandtl數(shù)，取0.7194；

Gk為由湍動(dòng)能生成項(xiàng)；

C1ε取1.42；

C2ε取1.68；

Rε為附加源項(xiàng)；

Cu取0.0845；

η為湍流時(shí)間與應(yīng)變尺度的比值；

ηo取4.38；

β取0.012。

3.2 包含熱變形的應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算模型

式中：εx、εy、εz為各方向上的正應(yīng)變；

γxy、γyz、γzx為各方向上的切應(yīng)變；

σx、σy、σz為各方向上的正應(yīng)力；

τxy、τyz、τzx為各方向上的切應(yīng)力；

G為剪切彈性模量，Pa；

μ為泊松比；

α為線膨脹系數(shù)，℃-1；

t為溫差，℃[10]。

3.3 邊界條件與計(jì)算方法

本次研究中，采用速度入口，初始速度值分別取1、2、5、7 m/s；出口采用壓力值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力出口；管內(nèi)稠油的入口處輸送溫度分別取40、50、70、90 ℃；入口處稠油的物性及根據(jù)臨界雷諾數(shù)計(jì)算的臨界流速隨溫度的變化情況如表1。

表1 入口處稠油不同溫度下的物性Table 1 Physical properties of heavy oil at the inlet under different temperature

本次研究中，首先對彎管內(nèi)的流體進(jìn)行流場的分析，采用Fluent軟件中的層流模型及RNG k-ε湍流模型，并使用Ansys中的傳熱模塊計(jì)算彎管的溫度場，最后將已得出的流場數(shù)據(jù)及溫度場數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys的線性靜力結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行熱流固耦合計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 壓力分析

當(dāng)稠油的入口流速及輸送溫度均較高時(shí)，則稠油在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)初動(dòng)能較大，而由于其粘度較低從而使稠油在輸送過程中的能量損失較小，當(dāng)稠油流動(dòng)到彎頭處時(shí)仍保持較高的動(dòng)能。當(dāng)該稠油流經(jīng)彎頭時(shí)，在彎曲曲率的影響下，離心力的作用使大量流體被甩到曲率半徑較高的管道外拱內(nèi)壁處，這使得一定量的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而導(dǎo)致在這種情況下外拱壁面處的壓力較高[11,12]，如圖2所示。

而當(dāng)稠油的入口流速較小或輸送溫度較低時(shí)，則稠油流動(dòng)到彎頭處時(shí)速度較小，即使在離心力的作用下會(huì)有一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，但彎頭處的壓力值不會(huì)很大。因而在這種情況下，管道入口處的壓力較高，如圖3所示。

稠油在開采及輸送過程中常含有的砂粒及固體雜質(zhì)，它們伴隨著油流一起流動(dòng)，具有一定的動(dòng)能，從而對管內(nèi)壁形成沖擊，造成磨損，因而要根據(jù)在不同情況下彎管內(nèi)壁所受壓力的分布情況來對重點(diǎn)區(qū)域采取有效的防磨措施。

圖2 輸送溫度為90 ℃，入口流速為7 m/s時(shí)的管內(nèi)壁壓力分布圖Fig.2 The pressure distribution in the inner wall of bend at the transportation temperature of 90 ℃ and inlet velocity of 7 m/s

圖3 輸送溫度為40 ℃，入口流速為1 m/s時(shí)的管內(nèi)壁壓力分布圖Fig.3 The pressure distribution in the inner wall of bend at the transportation temperature of 40 ℃ and inlet velocity of 1 m/s

4.2 剪切應(yīng)力分析

有一定腐蝕性的稠油介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，易于管壁處生成腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜，以阻止管件繼續(xù)腐蝕。而當(dāng)由流體的粘性產(chǎn)生的切應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)破壞腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜，造成對管件內(nèi)壁的沖蝕[13-14]，影響切應(yīng)力大小及沖蝕速率的主要因素有流體流速、粘度及與管內(nèi)壁間的沖擊角等[15,16]。

當(dāng)稠油在彎管內(nèi)的輸送溫度升高時(shí)，其粘度會(huì)降低，從而使得彎管內(nèi)壁所受到的切應(yīng)力降低；當(dāng)入口流速逐漸增大時(shí)時(shí)，其在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的速度梯度增大，管內(nèi)壁所受的切應(yīng)力也隨之增大。

另外，管內(nèi)壁所受切應(yīng)力相對較大處主要位于彎管外拱下游及內(nèi)拱壁面，這是因?yàn)樵趶澒芡夤跋掠谓诿嫣幊碛偷乃俣容^大，所以在該處速度梯度較大；而在內(nèi)拱壁面處稠油速度與其的沖擊角較大，這導(dǎo)致在內(nèi)拱壁面處的切應(yīng)力值較大。隨著流速的增加，最大切應(yīng)力處由外拱下游壁面逐漸向內(nèi)拱壁面移動(dòng)(圖4-圖5)，這是由于隨著流速的增加，外拱下游近壁面處稠油的速度及內(nèi)拱壁面處對彎管的沖擊角也增大，且后者對切應(yīng)力的影響更大。

圖4 輸送溫度為40 ℃，入口流速為5 m/s時(shí)的管內(nèi)壁切應(yīng)力分布圖Fig.4 The shear stress distribution in the inner wall of bend at the transportation temperature of 40 ℃ and inlet velocity of 5 m/s

圖5 輸送溫度為90 ℃，入口流速為7 m/s時(shí)的管內(nèi)壁切應(yīng)力分布圖Fig.5 The shear stress distribution in the inner wall of bend at the transportation temperature of 90 ℃ and inlet velocity of 7 m/s

4.3 熱流固耦合Von-Mises應(yīng)力分析

使用Fluent分析后的流場數(shù)據(jù)及使用Ansys中傳熱模塊分析后的溫度場數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys的線性靜力結(jié)構(gòu)分析模塊，將兩者作為結(jié)構(gòu)分析的載荷，并對焊接彎管的兩端截面施加固定約束，對其進(jìn)行熱流固耦合計(jì)算，最終得到彎管各處的Von-Mises應(yīng)力。

稠油在彎管中加熱輸送時(shí)，彎管主要受到稠油對其內(nèi)壁的壓力及稠油傳遞熱量至其內(nèi)壁而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在不同的入口流速及輸送溫度下，彎管內(nèi)各處的Von-Mises應(yīng)力分布情況基本相同，Von-Mises應(yīng)力較大處主要分布在彎管兩側(cè)截面附近的管壁上。而隨著流速的增加，稠油對管內(nèi)壁的壓力增大，彎管各處Von-Mises應(yīng)力也相應(yīng)增大；隨著輸送溫度的增大，彎管內(nèi)各處所受的熱應(yīng)力增大，Von-Mises應(yīng)力也隨之增大。另外，熱流固耦合下Von-Mises應(yīng)力的大小主要受輸送溫度的影響，而當(dāng)輸送溫度為90 ℃，入口流速為7 m/s時(shí)，彎管的最大Von-Mises應(yīng)力達(dá)到了402 MPa，如圖6所示。

圖6 輸送溫度為90 ℃，入口流速為7 m/s時(shí)的彎管Von-Mises應(yīng)力分布圖Fig.6 The Von-Mises stress distribution in the inner wall of bend at the transportation temperature of 90 ℃ and inlet velocity of 7 m/s

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)對稠油流經(jīng)90°彎管時(shí)流場的分析可知，彎管內(nèi)壁所受的壓力與稠油的輸送溫度及入口流速均相關(guān)，稠油輸送溫度越高，入口流速越大，則彎管內(nèi)壁所受的壓力值越大，并且隨著稠油輸送溫度及入口流速的增大，最大壓力處逐漸由入口轉(zhuǎn)移至彎管外拱內(nèi)壁。因此，當(dāng)混有固體雜質(zhì)的稠油在不同溫度及入口流速下流經(jīng)彎管時(shí)，需要根據(jù)彎管內(nèi)壁的壓力分布情況來采取相應(yīng)的防磨措施，以防止隨油流一起流動(dòng)的固體雜質(zhì)沖擊管件造成壁厚的減薄。

（2）彎管內(nèi)壁所受切應(yīng)力的具體規(guī)律為：彎管內(nèi)壁所受切應(yīng)力隨著溫度的升高而降低，入口流速的增大而增大，并且隨著入口流速的增大，最大切應(yīng)力處由外拱下游逐漸向內(nèi)拱處移動(dòng)。對于具有一定腐蝕性的稠油介質(zhì)，過大的切應(yīng)力會(huì)破壞附著在彎管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜，從而使管件的腐蝕加劇。因此，可以根據(jù)稠油在不同溫度及入口流速下流經(jīng)彎管時(shí)的切應(yīng)力分布情況來判斷管內(nèi)壁腐蝕發(fā)生的情況。

（3）根據(jù)對彎管的熱流固耦合計(jì)算結(jié)果可知，稠油流經(jīng)彎管時(shí)彎管各處所受的Von-Mises應(yīng)力與稠油的輸送溫度及入口流速均相關(guān)，且Von-Mises應(yīng)力的值主要受輸送溫度的影響，其隨輸送溫度的增加而增加，入口流速對Von-Mises應(yīng)力的影響并不大；另外，Von-Mises應(yīng)力較大處主要分布在彎管兩側(cè)截面附近的管壁上。因此，對輸送稠油的彎管進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核時(shí)必須充分考慮輸送溫度的影響，而對于輸送高溫稠油的彎管必須加強(qiáng)焊接質(zhì)量。

［1］ 李傳憲. 原油流變學(xué)[M]. 東營：中國石油大學(xué)出版社，2006.

［2］ 頓鐵軍. 中國稠油能源的開發(fā)與展望[J]. 西北地質(zhì)，1995，16(1)：32-35.

［3］ 吳玉國，周立峰，等. 埋地管道彎管應(yīng)力數(shù)值計(jì)算[J]. 當(dāng)代化工，2012，41(12)：1406-1411.

［4］ 馬愛梅，鹿曉陽，孫勝. 彎管內(nèi)的流體應(yīng)力分析與計(jì)算[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，35(4)：6-9.

［5］ 江山，張京偉，等. 基于FLUENT的90°圓形彎管內(nèi)部流場分析[J]. 中國艦船研究，2008，3(1)：37-41.

［6］ Sudo K, Sumida M, Hibara H. Experimental investigation on turbulent flow in a circular-sectioned 90-degree bend[J]. Experiments in Fluids, 1998, 25(1): 42-49.

［7］ Wood R J K, Jones T F, Ganeshalingam J, et al. Comparison of predicted and experimental erosion estimates in slurry ducts[J]. Wear, 2004, 256(9): 937-947.

［8］ 朱靜，李傳憲，辛培剛. 稠油粘溫特性及流變特性分析[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，24(2)：66-68.

［9］ 袁恩熙. 工程流體力學(xué)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2010.

［10］ 李維特，黃保海，畢仲波. 熱應(yīng)力理論分析及應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社，2004.

［11］ 杜明俊，張振庭，等. 多相混輸管道90度彎管沖蝕破壞應(yīng)力分析[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(6)：427-430.

［12］ 王力興，王卓飛，高毅. 稠油計(jì)量站單螺桿泵定子磨損規(guī)律與基本參數(shù)匹配[J]. 油氣田地面工程，2001，20(5)：69-70.

［13］ 林玉珍，劉景軍，等. 數(shù)值計(jì)算法在流體腐蝕研究中的應(yīng)用—(I)層流條件下金屬的腐蝕[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，1999，19(1)：1-7.

［14］ 偶國富，許根富，等. 彎管沖蝕失效流固耦合機(jī)理及數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(11)：119-124.

［15］ 劉新鋒，張海龍，等. 海上稠油熱采篩管沖蝕影響因素[J]. 石油鉆采工藝，2012，34：73-75.

［16］ 高萬夫，鄭雁軍，等. 管道彎頭磨損特性的研究[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2003，16(4)：56-60.

Analysis on Flow Field and Stress of 90-degree Bend in Heavy Oil Transmission Pipeline

JI Chu-ling
(Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500, China)

The flow field and stress of heavy oil flowing throughout the 90-degree bend were analyzed. The viscosity of heavy oil at different temperature was measured by using Anton Paar MCR 302 rotary viscometer, and the viscosity-temperature curve was also analyzed with the regression analysis method. In addition, the fluid-solid-heat coupling of the bend was simulated by using Fluent software and Ansys software. The flow field and stress of heavy oil flowing throughout the bend at different temperature and velocity were analyzed. The research result can provide a theoretical foundation for further study on erosion mechanisms of heavy oil flowing throughout the bend.

Heavy oil; 90-degree bend; The fluid-solid-heat coupling; Stress analysis

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）02-0401-04

2014-09-01

季楚凌（1991-），男，江蘇啟東人，西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向：油氣管道多相流技術(shù)。E-mail：1057209526@qq.com，