固體雜質(zhì)對(duì)輸油管道彎頭的沖刷腐蝕仿真研究

徐哲軼

（上海浦東機(jī)場(chǎng)航空油料有限公司，上海 300300）

輸油管道偶爾會(huì)攜帶固體污染物顆粒，顆粒撞擊管壁使表面材料變形或剝離的過程稱為沖蝕。除了管壁材料的物理損耗外，固體顆粒的沖蝕可能會(huì)損壞管道內(nèi)防腐涂層，去除內(nèi)表面的化學(xué)緩蝕劑，使管壁金屬材料暴露失去防護(hù)，可能導(dǎo)致石油管道加速退化，為此付出的代價(jià)極高。管道沖蝕仿真對(duì)于設(shè)計(jì)、優(yōu)化和診斷來說具有重要作用。

管道沖蝕已有一定研究。宋曉琴等采用CFD 仿真軟件模擬輸氣管道中90°彎頭沖蝕磨損失效問題，研究了壓力、流速、顆粒大小等因素對(duì)結(jié)果的影響。許留云等采用Fluent對(duì)管道沖蝕情況進(jìn)行了仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，在彎頭處設(shè)置流片，管道的沖蝕速率會(huì)降低，且導(dǎo)流片距離彎管內(nèi)側(cè)壁面為0.36D 時(shí)效果最好。曹學(xué)文等闡述了利用管流式試驗(yàn)裝置進(jìn)行固體顆粒對(duì)油氣管道的沖蝕試驗(yàn)的新方法。崔子梓等利用數(shù)值分析的方法研究了油氣管道中氣固和液固兩種情況下的沖蝕現(xiàn)象，分析了管徑、彎徑比、彎曲角度等因素與最大腐蝕速率的關(guān)系，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了進(jìn)一步研究固體雜質(zhì)對(duì)輸油管道彎頭的沖刷腐蝕問題，本文采用三種不同的沖蝕模型，利用COMSOL 對(duì)含砂石油對(duì)管道彎頭的沖蝕磨損情況進(jìn)行分析。

1 物理模型

彎頭模型由2 個(gè)直圓柱形管段組成，每個(gè)管段長(zhǎng)度為500mm，直徑為200mm，通過90°管道彎頭相連。忽略石油的可壓縮性。假設(shè)管道中固體雜質(zhì)的輸送速率為0.6kg/h，顆粒直徑均為0.17mm，屬性如表1 所示。

表1 粒子屬性

2 數(shù)學(xué)模型

管道中的流體滿足動(dòng)量守恒方程和連續(xù)性方程。選用多相流混合物模型，其所滿足的磨損速率表達(dá)式如下所示：

式中，W 為體積磨損，m3；rp為粒子半徑，m；n 為速度指數(shù)，其中n=2.54；up為粒子速度，m/s；ρp粒子密度，kg/m3； Rf為形狀因子；σ 為塑性流動(dòng)應(yīng)力，Pa；α 為沖擊角，r/min。

忽略模型常數(shù)，得相對(duì)磨損率E：

3 結(jié)果與討論

3.1 不同模型的腐蝕速率

使用Finnie、DNV 和E/CRC 三種不同的沖蝕模型計(jì)算管道彎頭表面的沖蝕磨損率，結(jié)果如圖1 所示。結(jié)果顯示在Finnie、DNV 兩種沖蝕模型下，其最大腐蝕速率均為2.5×10-8kg/(m2·s)，兩種模式下腐蝕速率基本相同。E/CRC 模型下最大腐蝕速率均為1.2×10-8kg/(m2·s)，約為Finnie、DNV 兩種沖蝕模型下的50%。

圖1 沖蝕磨損率

3.2 入口流速對(duì)沖蝕的影響

本文模擬分析了入口流速分別為1m/s、3m/s、5m/s 時(shí)含砂石油對(duì)管道彎頭的沖蝕磨損情況。不同流速下的模型中心截面的流線分布如圖2 所示，管道內(nèi)石油速度分布云圖如圖3 所示。

圖2 不同入口流速下流線分布圖

圖3 不同入口流速下流速分布圖

由圖2、3 可見，流體在彎管45°附近處速度達(dá)到最大值，同時(shí)隨著石油進(jìn)入彎管時(shí)速度的增大，彎管中石油的最大速度值也隨之增大，且最大值均大于入口速度，最大流速與入口速度之差也越來越大。這是由于石油在管道中流動(dòng)時(shí)遇到彎管后石油的流向會(huì)突然改變，同時(shí)流動(dòng)的石油受到慣性力的影響，流速也會(huì)因此發(fā)生變化。

當(dāng)改變石油入口速度時(shí)，彎頭壁面所受的應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化，如圖4 所示。

圖4 不同入口流速下壁面應(yīng)力分布圖

由圖4 可知，入口流速為1m/s、3m/s、5m/s 時(shí)彎管均在附近壁面剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，這時(shí)因?yàn)楣艿乐械氖驮诹飨蜷_始發(fā)生變化，所以此時(shí)流體對(duì)壁面作用力較大。隨著石油入口速度的增加，壁面的剪切應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系增加。

4 結(jié)語

（1）Finnie、DNV 和E/CRC 三種不同的沖蝕模型的仿真模擬結(jié)果表明，磨損速率最快的均是直角拐彎處；

（2）模型中石油在彎管45°附近速度達(dá)到最大值，這個(gè)結(jié)果不受隨入口速度的影響。隨著管道中石油入口速度的增加，最大流速與流體入口速度之差越來越大；30°附近壁面剪切應(yīng)力最大，隨著流體速度的增加，壁面的剪切應(yīng)力也隨之呈指數(shù)關(guān)系增加。