基于CFD 的彎管沖刷磨損數值模擬研究

郭悠悠 楊文 穴強

1中國石油天然氣股份有限公司北京油氣調控中心

2中國石化銷售有限公司華南分公司

3中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司

管道是當今工業最常見的五大運輸工具之一，作為一種特種設備在運送液體、氣體和漿液等方面具有特殊的優勢，尤其在石油、化工及天然氣等產業中具有不可替代的作用。隨著我國經濟的飛速發展，對油氣的需求量日益增加，油氣集輸管道的建設規模也越來越大。管道腐蝕[1-5]作為一種管道失效形式，不僅嚴重影響了油氣集輸效率，同時也造成了巨大的經濟損失。因此，研究腐蝕的形成機理及影響因素具有重要的現實意義[6-10]。

彎曲管道在油氣集輸管網中應用比較廣泛，在油氣輸運過程中，沖刷磨損是管道失效的主要形式之一。目前國內外研究學者對管道沖刷磨損破壞進行了相關研究。陳志靜等借助CFD 軟件對容易發生沖刷磨損的管道部件進行了流態模擬，研究表明，流體流經管道部件后，其流態發生變化，容易導致管道發生沖刷腐蝕[11]。杜強等對油氣管線彎管處固液兩相流場特性進行數值模擬，并對其沖刷腐蝕做出預測，得出管道彎管處流場變化復雜是引起沖刷磨損的主要原因[12]。曾莉[13]、胡躍華[14]、胡宗武[15]等先后對管道沖刷磨損機理和流體動力學特性進行了相關研究，揭示了管道彎管處的沖刷磨損機制，并提出典型管件預防沖刷磨損的有效措施。另外，也有許多學者[16-18]利用模擬軟件探究管道沖刷磨損過程，揭示了流體力學因素以及管道內部流程分布特性對沖刷磨損的影響。本文借助CFD 軟件，對油氣集輸管網中彎曲管件內部流體動力學特性進行數值模擬分析，探究不同流動條件下變化流場對管道內部沖刷磨損的影響。

1 模型建立與網格劃分

1.1 物理模型與控制方程

以某油氣集輸管網中的彎曲管道為計算實例，建立典型90°彎曲管道物理模型（圖1），其中管道直徑為100 mm，曲率半徑為200 mm。

圖1 典型90°彎曲管道物理模型Fig.1 Typical physical model of 90°bending pipe

為適應實際工程應用過程中不同曲率半徑的需求，對彎曲管道不同曲率半徑進行相關研究，分析不同彎管曲率半徑對管道沖刷磨損的影響。為消除出口回流對彎曲管內流場的影響，取直管段長度為管徑的10 倍。

模擬彎曲管道內部流體流動特性時應遵循最基本的質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律三大定律。本文所涉及的流體流動特性不考慮流體與管件之前的傳熱問題，所以求解過程中忽略能量守恒方程的求解過程。彎曲管道內部流體流動湍流模型采用標準k-ε模型。

1.2 網格劃分及邊界條件設置

采用FLUENT 前處理軟件GAMBIE 對彎曲管道物理模型進行網格劃分，圖2 所示為典型90°彎曲管道網格劃分圖。進行數值模擬計算之前對網格獨立性進行考核，綜合考慮計算結果精度、誤差和計算時間，最終選擇網格數為165 000 個。根據網格考核尺寸不同物理模型劃分網格數量如表1 所示。

圖2 網格劃分圖Fig.2 Meshing diagram

表1 網格劃分數量Tab.1 Number of meshing

本文借助CFD 軟件，采用DPM 模型，入口邊界條件采用速度進口，出口邊界條件采用壓力出口，管道兩側內壁設置法向和切向反彈系數為多項式函數，壓力和速度采用SIMPLEC 方式進行耦合，相處理方式選用COMPRESSIVE。環境溫度為25 ℃，重力加速度為9.81 m/s2。其中法向和切向反彈系數為多項式函數，采用系統默認值進行設置。

沖擊角度函數設置是根據HUSER 和KVEMVOLD 提出的模型進行相關設置，f(α)和α之間的關系如表2 所示。

在本文中，粒徑函數（Diameter Function）取值為1.89E-9，速度指數函數（Velocity Exponent Function）取值為2.6。

表2 沖擊角函數Tab.2 Impact angle function

2 結果分析

2.1 典型90°彎管沖蝕磨損

（1）管內壓力分布。圖3 所示為典型90°彎管管內壓力分布云圖。在入口處直管段其壓力分布均勻，當到達彎管段時，由于離心力的作用，彎管段外側壁面所受壓力遠遠大于內側壁面，相差約15 MPa；由于粒子在彎管處碰撞的能量損失，出口處彎管段的壓力分布趨于均勻，但是其壓力值較入口處相比下降了約1 個數量級。因此，從流動過程中的管內壓力分布來說，彎管處的外側壁面受到的作用力遠遠大于內側壁面，并且在彎管處的碰撞作用消耗了大量的能量。

圖3 彎管整體壓力分布云圖Fig.3 Distribution cloud map of overall pressure for bending pipe

圖4 彎管湍動能分布云圖Fig.4 Distribution cloud map of turbulent kinetic energy for bending pipe

（2）湍動能分布。圖4 為入口處直管段—彎管段的湍動能分布云圖。直管段（a1、a2、a3）湍動能在管內不同位置的分布差別不大，并且湍動能數值較小；當流體開始進入到彎管段時（圖2 中2 位置），湍動能最大值出現在管體中心位置處，與入口處最大湍動能相比增大了約2 倍；隨著流體向彎管方向流動，在中心位置處的湍動能最大值繼續增大，在圖2 中的3 位置處達到了最大值，同時在外側壁面處，出現了湍動能的最小值，說明在該位置處能量損耗達到了最大值。

（3）沖蝕磨損速率分布。圖5 為典型90°彎曲管道沖刷磨損速率云圖。通過管道流體入口段和流體出口段比較發現，流體在流經彎管位置后，流體對彎管后半段的沖刷磨損影響程度比彎管前半部分要相對較強。

為了更加直觀地了解典型90°彎管在流體輸運過程中不同位置處沖刷磨損程度，圖6 給出了彎管不同位置處的沖刷磨損速率曲線。在彎管前半部分管道受到的沖刷磨損很小，當流體進入彎管時，流體對外側管壁的沖擊力增大，管道受到的沖刷磨損迅速上升并達到最高值。當流體進入彎管后半部分（圖2 中3～4 位置）時，管道內壁受到的流體沖刷磨損強度逐漸減弱。從圖4 中a7 位置開始，管道內壁受到的沖刷磨損逐漸升高，并且到達a9 點位置（圖2 中3 位置）時達到第二次最高點，隨后沖刷磨損影響逐漸較弱。這是因為流體進入彎管段時由于彎管對流體的阻礙作用而形成擾動，并且該擾動推動流體向彎管后半部分擴散，進而引起沖刷磨損出現第二次升高的現象。

圖5 彎管沖蝕磨損速率分布云圖Fig.5 Distribution cloud map of erosive wear rate for bending pipe

圖6 彎管不同位置的沖蝕磨損速度變化曲線Fig.6 Change curve of erosive wear rate at different positions of bending pipe

圖7 不同入口流速彎曲管道沖蝕磨損速率分布云圖Fig.7 Distribution cloud map of erosive wear rates in bending pipe with different inlet velocities

2.2 對90°彎管沖蝕速率的影響因素分析

（1）入口流速。圖7 為不同入口流速工況條件下彎管沖刷磨損速率的分布云圖。隨著入口流速的增加，彎管部分受到的沖刷磨損逐漸增強，彎曲管道內壁受到的沖刷磨損區域也逐漸擴大。從圖8 可以發現，當入口流速低于7 m/s 時，彎曲管道內壁受到沖刷磨損的區域相對比較分散，以類似于沖刷點的形式出現，當入口流速高于7 m/s 時，管道內壁沖刷點逐漸聚集形成更大的區域。

圖8 為不同入口流速工況條件下彎管不同位置處的沖刷磨損速率曲線分布圖。從圖中可以看出，當入口流速低于7 m/s 時，管道內壁受到流體的沖刷磨損影響相對較弱，彎曲管道整體受到的沖刷磨損影響相對比較平穩，因此如果工程應用要求相對較低的工況環境下，較低入口流速會明顯地改善管道的沖刷磨損現象。當流速為10 m/s 和12 m/s 時，可以發現在管道彎管部位受到的沖刷磨損明顯高于其他區域，并且隨著入口流速的增加，其管道內壁受到的沖刷磨損影響逐漸增大。

圖8 不同入口流速時彎曲管道不同位置的沖蝕磨損速度對比Fig.8 Comparison of erosive wear rates at different positions of bending pipe with different inlet velocities

（2）管徑。圖9 所示為不同管徑下彎管沖刷磨損速率分布云圖。當管徑為100 mm 時，管道內壁受到流體沖刷磨損影響分布相對比較均勻，管徑越大沖刷磨損速率也越大。同時，不同管徑下彎曲管道前半部分受到的沖刷磨損程度較彎曲管道后半部分相對較強。

圖9 不同管徑條件下沖蝕磨損速率分布云圖Fig.9 Distribution cloud map of erosive wear rate with different pipe diameters

圖10 不同曲率半徑下沖蝕磨損率分布云圖Fig.10 Distribution cloud map of erosive wear rate with different curvature radius

（3）曲率半徑。圖10 為曲率半徑分別為100～250 mm 時的彎管沖刷磨損速率分布云圖。當曲率半徑由100 mm 增大到250 mm 時，管內最大沖刷磨損速率由7.76×10-3kg/(m2·s) 降低至2.24×10-3kg/(m2·s)，即曲率半徑增大2.5 倍，最大沖刷磨損速率減小為原來的1/3。說明隨著彎管曲率半徑的增大，流體在彎管處發生的碰撞程度減小，流體擾動逐漸減小，流體對彎管內壁的破壞程度也越來越弱。

3 結論

通過FLUENT 軟件并基于DPM 模型，對彎管輸送含有固體顆粒狀介質時管道內壁受到沖刷磨損情況進行了綜合特性分析。首先通過對典型90°彎管進行流體沖刷磨損特性分析，得出彎管沖刷磨損影響規律；并分別對彎管在不同入口流速、不同管徑和不同管道曲率半徑工況條件進行數值模擬分析，得出流體對彎曲管道沖刷磨損影響最大區域集中在彎管外側，并且管道內壁受到流體的沖刷磨損速率與入口流速和管徑成正比，而隨著曲率半徑的增大，管道受到的沖刷磨損影響逐漸減弱。因此，在設計彎曲管道及相似管道時應綜合考慮各種因素，確保油氣輸送管網高效并且安全運行。