基于CFD軟件的管道彎頭沖蝕數值模擬及彎頭測厚布點優化

廖飛龍,劉　炯,周詠琳,趙　瀟,萬　夫,周兆明

(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 安全環保質量監督檢測研究院,廣漢 618300；2.中石油西南管道公司 蘭州輸油氣分公司,蘭州 730000)

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基于CFD軟件的管道彎頭沖蝕數值模擬及彎頭測厚布點優化

廖飛龍1,劉炯1,周詠琳1,趙瀟2,萬夫1,周兆明1

(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 安全環保質量監督檢測研究院,廣漢 618300；2.中石油西南管道公司 蘭州輸油氣分公司,蘭州 730000)

彎頭作為改變介質流向的管件，沖蝕是其失效的主要原因。應用計算流體動力學CFD軟件對彎頭的沖蝕過程進行了模擬仿真，通過分析仿真結果提出了彎頭測厚布點的優化方案?，F場的檢測結果表明：優化后的布點方案能夠全面掌握彎頭外弧面的沖蝕情況，避免了漏檢的發生。

CFD;彎頭;沖蝕;檢測;優化

壓力管道是具有爆炸危險的特種承壓設備，其內部承載著高壓、高溫、低溫、易燃易爆、有毒或者腐蝕性的介質。隨著服役時間的增加,因沖蝕磨損減薄導致管道失效而引發的事故越來越多[1-3]。因此如何發現管道存在的缺陷，確保管道的正常運行成為近幾年來亟待解決的問題。

在管路系統中，彎頭是改變介質方向的部件。當介質經過彎頭時，其速度、壓力會發生較大的變化，從而導致流體的流動不穩定[4]。目前針對彎頭檢測的主要手段是定點測厚，對于彎頭現場檢測的布點主要是根據標準或者經驗來確定的，缺乏一定的針對性。因此，筆者以新疆某含砂氣井井口的彎頭為例，基于ANSYS-CFD軟件對含砂氣沖蝕彎頭的過程進行數值模擬分析，根據彎頭的沖蝕情況提出彎頭測厚布點的優化方案。

1　流體理論與數學模型

1.1能量守恒方程

能量守恒定律是包含有熱交換的流動系統必須滿足的基本定律。該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體積力與表面力對微元體所做的功。該定律實際上是熱力學第一定律,即：流體的能量通常是內能、動能和勢能三項之和，內能和溫度之間存在一定關系，因此可得到以溫度為變量的能量守恒方程：

(1)

式中：cp為比熱容；ρ為液體的密度;u為液體的速度;T為溫度；k為流體的傳熱系數；ST為流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分,有時稱ST為粘性耗散能。

1.2多相流分析

多相流分析中，各相之間在宏觀尺度上混合，該混合尺度遠小于網格尺度，但是遠大于分子尺度[5]。所有的相占有同一空間體積，在控制體內假設每一相占有的體積大小用變量體積分數來表示；每一相有自己的流場參數，各相通過相間的能量傳輸、動量傳輸、質量傳輸模型耦合。每一相具有各自的質量、動量、能量傳輸方程。

(1) 質量連續方程為：

(2)

(2) 動量傳輸方程為：

(3)

式中：:Uβ為β相的速度;μα為α相的剪切粘性系數。

連續相和離散相之間的相互作用力是通過相間速度差、連續相的屬性及相間界面積進行計算的，作用在顆粒/分散相上的力包括曳力和非曳力。其中,曳力通過無量綱曳力系數與顆粒雷諾數相關。

(4)

(5)

式中：:CD為曳力系數;Re為雷諾數;dp為顆粒直徑。

在CFX(CFD中的一種)軟件中：

(6)

1.3Finnie磨損腐蝕模型

壁面的磨損腐蝕主要是由于流體介質中的顆粒碰撞侵蝕作用引起的。關于顆粒、顆粒的碰撞和壁面的屬性存在著比較復雜的函數關系[6]。對于幾乎所有金屬來說，磨損腐蝕程度隨著顆粒的入侵角和速度變化而變化，其函數關系是：

(7)

入侵角度是入侵的顆粒軌跡與壁面的夾角。指數n通常取2.3～2.5間的值。

Finnie磨損腐蝕模型[6]將磨損速率和入侵顆粒的動能聯系起來，取n的值為2，即：

(8)

(9)

(10)

2　含砂氣沖蝕彎頭的數值模擬分析及結果

2.1建立CFD模型

選用最常用的90°彎頭作為研究對象。以新疆某含砂氣井井口的彎頭為例，彎頭公稱直徑為114 mm，彎頭壁厚為8 mm。設置速度為入口邊界條件，壓力為出口邊界條件。由于湍流運動中流體質點的運動情況十分復雜，因此借助試驗數據用經驗公式進行近似表達:使用One Seventh Power Law(1/7次冪方律),其表達式為U=Wmax(1-r/Rmax)1/7(U為入口速度;Wmax為最大速度;Rmax為最大管徑;r為距離管中心的距離)，通過插入Expression函數的方法來設置。圖1為彎頭的結構模型和流體模型。

圖1　彎頭的結構模型和流體模型

2.2仿真結果與分析

(1) 壓力場

圖2為彎頭壓力的分布云圖。由圖可見:壓力在彎頭的外弧面處達到最大值，沿著彎頭徑向逐漸降低，至彎頭內弧面時達到最小值。從數值上看,壓力在彎頭內弧面處出現了負壓。當管道內介質通過彎頭到達外弧面的位置時，介質的流向發生改變，因此在外弧面位置會產生最大的壓力值。

圖2　彎頭壓力的分布云圖

(2) 砂粒的運動軌跡

圖3為砂粒相在管道中的運動軌跡。顆粒進入彎頭之前做直線運動，進入彎頭后，砂粒以一定的動量沖擊彎頭的內壁面，由圖可看到砂粒主要與彎頭的外弧面發生碰撞。相對于外弧面,內弧面區域基本上沒有砂粒。在這一過程中，砂粒以不同的角度與外弧內壁面發生碰撞，并且在該區域聚集了大量的砂粒，因此彎頭的外弧面區域是極易發生沖蝕的地方。

圖3　砂粒相的粒子運動軌跡

(3) 沖蝕特性

通過在CFX-Post中創建Iso-Clip面(截取斷面)來提取彎頭上受到沖蝕的區域,如圖4所示。通過彎頭的沖蝕區域云圖來看，彎頭的沖蝕區域是以外弧面為中心向彎頭的兩頰面擴散開的。

圖4　彎頭的沖蝕區域云圖

3　彎頭測厚布點方案優化及現場應用

3.1彎頭測厚布點方案優化

目前，檢測彎頭的主要手段是使用超聲波測厚儀對其進行測厚。如圖5所示，在現場彎頭檢測過程中，一般在每一測厚截面上,選擇上下左右4個測厚方位，即順介質流向在同一截面上看，測厚點順時針方向分布在0點、3點、6點、9點四個方位，即圖中A,B,C,D 4個測厚點。它的確定原則遵循右手法則:右手大拇指指向介質流向,4指彎曲的方向即是測厚點A-B-C-D的順序方向。而對于彎頭，彎頭的外弧面為A面。在同一個時鐘點(A、B、C、D方向)上，測厚點順介質流向以秩序連續編號來布置。

圖5　現用的測厚布點方案

通過分析仿真結果可知,彎頭的沖蝕區域主要在外弧面。因此，現有的測厚布點方案不能完全涵蓋彎頭的沖蝕區域,從而易導致漏檢，存在一定的隱患和風險。因此,筆者基于CFX的仿真結果對彎頭測厚布點的方案進行優化。優化方案如圖6所示，即在彎頭外弧面的中心線(圖中的A方向)和彎頭頰面(圖中B方向)之間增加一個布點方向，定義為AB向。同理，在A向和D向之間增加AD向，從而可針對彎頭外弧面的沖蝕區域進行較為全面的檢測。

圖6　測厚布點優化方案

3.2現場檢測結果

采用測厚布點優化方案,對新疆某油田部分單井的二級節流后生產管線進行超聲波測厚檢測。該生產管線的材料是316L鋼，規格是φ114 mm×11 mm，其中彎頭的初始壁厚為14 mm。在現場檢測工作中發現有6個彎頭的最小壁厚出現在外弧面的中心線和彎頭頰面之間的區域，如圖7所示，圖中圓點標示處為該彎頭最小壁厚的位置。其中有一個彎頭的厚值減薄為8.55 mm，不能通過強度校核而需立即更換。因此現場的檢測結果表明，使用該方案對彎頭進行布點測厚能較為全面地掌握彎頭的沖蝕情況，有效地避免彎頭的漏檢情況。

圖7　彎頭最小壁厚標示圖

4　結論

(1) 彎頭的外弧面處存在著最大壓力值，含砂氣攜帶著砂粒在該區域大量聚集，并且在彎頭外弧面區域沖蝕磨損最嚴重。

(2) 通過在彎頭外弧面的中心線和彎頭頰面之間增加布點方向的方法,對測厚布點方案進行優化?，F場的檢測結果表明,使用優化后的方案能夠全面掌握彎頭外弧面的沖蝕情況，從而有效避免彎頭的漏檢。

[1]魏秀芝. 氣力輸送顆粒在輸送管彎頭中的運動及磨損[J].黑龍江石油化工,1996(2):36-39.

[2]高福慶. 管道檢測的必要性[J].管道技術與設備，1998(1):40-42.

[3]郎需慶，趙志勇，宮宏，等.油氣管道事故統計分析與安全運行對策[J].安全、健康和環境，2006,6(10)：15-17.

[4]曾涌捷.天然氣管道彎頭沖蝕失效機理研究[J].石油與化工設備,2011,14(2):44-46.

[5]李明高，李明.ANSYS 13.0流場分析技術及應用實例[M]. 北京: 機械工業出版社，2012:349.

[6]謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京：電子工業出版社，2012:152-157.

Numerical Simulation of Erosion in Elbow Based on CFD and Optimization of Thickness Measurement

LIAO Fei-long1,LIU Jiong1,ZHOU Yong-lin1,ZHAO Xiao2,WAN Fu1,ZHOU Zhao-ming1

(1.Safety,Environment ,Quality Supervision and Testing Research Institute, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Guanghan 618300,China;2.Lanzhou Oil and Gas Transmission Sub-company,PetroChina Southwest Pipeline Company,Lanzhou 730000,China)

The role of elbow is to change the flow of medium. The failure of elbow is mainly due to erosion. The numerical simulation of the erosion process about four direction of medium in elbow and horizontal elbow is established by using CFX. The optimization of thickness measurement is based on the simulation analysis outcomes. The on-site testing results show that the optimized method can get full grasp of the erosion status of outer surface of elbow. The undetected errors are avoided effectively.

CFD;Elbow;Erosion;Detection;Optimization

2015-12-17

廖飛龍(1988-)，男，助理工程師，主要從事特種設備及鉆機的檢驗工作。

廖飛龍,E-mail：liaofeilong311@163.com。

10.11973/wsjc201608008

TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0034-04