水下采油樹輸油管道幾何參數敏感性分析

劉興鐸， 白蘭昌， 嚴金林， 萬春燕， 李友興， 楊超

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

水下采油樹的輸油管道是海底油氣集輸的關鍵設備。趙旭東等[1]指出在無保溫層條件下，原油必須以一定速度流經管道，這樣既可以避免溫度下降過快導致流體黏度上升、流速下降，又可以把邊緣將要成核或已經成核，但尚未成團的水合物帶走，不至于逐漸積累成塊；劉際海等[2]指出填埋質量、初始溫度、環境溫度、含水率等管道基本運行參數對海底熱油管道的溫降的影響；余建星等[3]總結在工程實際中，管道截面通常不是完美的圓環，而是具有一定橢圓度的橢圓環，利用弧長法對橢圓管道在服役中的塑性屈曲壓潰進行數值模擬，研究了壁厚、一致橢圓度、外徑等敏感性因素對其壓潰壓力的影響；楊樹人等[4]提出壓降計算模型對于多向流混輸管道壓降的影響作用，并且指出介質起始溫度、氣相液相流量、管道內徑、傾斜角度等因素對海底管道壓降的影響；馬梓然等[5]總結非圓形射流的主要機理，指出在不同長寬比實驗條件下，以中心線平均速度、中心線湍流度、概率密度函數、頻譜特性、湍流尺度等參數評價矩形射流的情況。從湍流尺度特性來看，大尺度湍流特性會對出口條件的改變更為敏感，因為出口條件對下游發展的任何影響都是由初始的渦結構通過大尺度運動傳遞的，它們與外圍流體相互作用及自身分解，在遠場形成小尺度渦結構并與環境流體相互作用。

本文在總結以上研究內容的基礎上，運用CFD軟件對水下采油樹輸油管道內的流體域進行三維數值模擬計算，探討了不同幾何參數對水下采油樹輸油管道內部流體流動性的影響, 并對水下采油樹輸油管道的選型提供參考。

1 數學及物理模型

1.1 數學模型

水下采油樹輸油管道內的油或氣的實際流動是十分復雜的三維流動。在數值模擬計算中，假設流體為不可壓縮流體，不考慮液流的重力及固體顆粒的影響，流動為定常流動將其簡化為單相湍流模型，借助RNG k-ε方程湍流模型，通過大尺度運動和修正后的黏度項，忽略小尺度運動的影響，其輸運方程[6]為:

1.2 三維物理模型

本文選取水下采油樹的內部輸油管道進行數值模擬計算，其位于節流閥下游至輸出模塊之間，是水下采油樹輸油管道中壁厚最薄的一段。輸油管道的尺寸如圖1所示。

圖1 輸油管道的尺寸

1.3 網格劃分與邊界條件

因為輸油管道是軸向對稱模型，所以只選取輸油管道的一半建立三維模型。采用結構網格對輸油管道模型進行劃分網格，如圖2所示，并采用CFD流場分析軟件進行分析。邊界條件為：進口v=5 m/s，出口P=10 MPa ，光滑無滑移的壁面。

圖2 輸油管道的模型

1.4 輸油管道截面不同腔徑比a/b

當輸油管道截面面積相等，即輸油管道的等效直徑D 相同的時候，輸油管道截面的腔徑比變化如圖3所示，當截面腔徑比a/b＜1時輸油管道的截面為橢圓，當截面腔徑比a/b=1時輸油管道的截面為圓形。

圖3 輸油管道截面的腔徑比a/b

2 數值模擬結果與分析

2.1 不同腔徑比a/b

如圖4所示，從不同腔徑比的流速云圖可以獲知，輸油管道出口的流速云圖顯示了輸油管道內流速隨截面腔徑比的變化情況。

圖4 不同腔徑比的出口速度云圖

圖5 不同腔徑比的出口速度

圖6 不同腔徑比的出口近壁面速度

從圖5、圖6的分析對比中可以發現：當輸油管道在相同運行參數的條件下，在腔徑比分別為0.25、0.50、0.75、1.00的情況下，非圓形管道的最大出口流速、速度變化范圍均大于圓形管道。非圓形管道的近壁面出口速度大于圓形管道的近壁面出口速度。當液體以一定的速度流經非圓形輸油管道時，輸油管道的幾何參數會對流體產生更好的湍流效果。這與W.R.Quinn等[7～10]的分析結果相一致。這樣有利于將成核或尚未成核的水合物帶走，不至于沉積到輸油管道。

2.2 矩形截面的輸油管道

鑒于上述非圓形截面輸油管道的流場分析情況，保證出口面積相同，即等效直徑相同的條件下，進行矩形截面的輸油管線的流場分析。

當輸油管道的截面為矩形時，得到其出口的速度云圖，如圖7所示。

從圖7來看，管道截面為矩形時，其出口的流速的最大值略高于圓形管道截面的出口流速。矩形管道的出口的速度梯度變化范圍較大，其近壁面處的速度較高，均高于截面為圓形的管道。

圖7 矩形輸油管道出口速度云圖

3 結 論

1）當輸油管道在相同運行參數的條件下，輸油管道內部壁面的幾何參數會對流體產生影響；2) 當輸油管道等效直徑相同、輸油管道運行參數相同的情況下，輸油管道的內部壁面的幾何參數會對流體的流動產生影響,矩形截面管道的作用效果要強于圓形管道；3）相比橢圓形截面的管道，矩形截面的管道包含尖角的部分，這樣有利于促進形成渦流結構，增強湍流效果，能夠卷吸更多的流體。所以建議在滿足加工工藝的條件下，輸油管道的截面可以選擇矩形。