輸油管道沖蝕磨損數(shù)值模擬研究

李介普，幺 成，李 翔

輸油管道沖蝕磨損數(shù)值模擬研究

李介普1，2，幺 成1，2，李 翔2，1

（1.中國石油大學(xué)（北京），北京102249；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100029）

管道沖蝕泄漏是石油化工工業(yè)中經(jīng)常發(fā)生的一種失效形態(tài)，管道的運行是否安全可靠直接影響石化企業(yè)的安全。本文采用RNG k-ε湍流模型，對某煉油廠的輸油管線進行數(shù)值模擬研究，根據(jù)計算得到的壁面剪切應(yīng)力的大小來表征管道沖蝕磨損的風(fēng)險大小，并對不同位置管件的沖蝕風(fēng)險進行排序。模擬結(jié)果表明，輸油管線的最大壁面切應(yīng)力出現(xiàn)在盲三通水平出口側(cè)的下底面處，該部位最容易發(fā)生沖蝕破壞。本文的研究結(jié)果可為工程實際中定點沖蝕監(jiān)檢提供直觀、準確的布點指導(dǎo)。

輸油管道；沖蝕；壁面剪切應(yīng)力；數(shù)值模擬

管道是現(xiàn)行的五大運輸工具之一，在石油、化工及天然氣等行業(yè)中具有不可替代的作用。隨著石油需求量的增加和原油質(zhì)量的劣化，石化企業(yè)輸油管道的負荷也越來越大，企業(yè)生產(chǎn)有很高的安全風(fēng)險，因此輸油管道的運行是否可靠直接影響石化企業(yè)的安全。近年來石油管道事故頻發(fā)，管道安全事故中約1/3是由于管道沖蝕磨損失效引起的，極大地影響了企業(yè)的安全生產(chǎn)和效益，需要引起各大石油煉化企業(yè)的重視。

Y.M.Ferng［1］采用 CFD模型預(yù)測了管道沖蝕現(xiàn)象，并在管道內(nèi)壁進行監(jiān)測，找出了管道沖蝕最嚴重的點。Deng Peng［2］通過數(shù)值模擬的方法研究了流體對管道的沖刷作用，考慮了入射角度、流體的速度等因素對沖蝕的影響。徐鳴泉［3］對國產(chǎn)REAC管束進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于帶有直角過渡的管道，分析了流體對管道沖蝕磨損最嚴重的位置。陳佳［4］采用標準k-ε湍流模型，研究了三通管中壁面切應(yīng)力的分布，討論了流體力學(xué)因素對沖蝕的影響。黃勇［5］運用數(shù)值模擬的方法研究了流體對三通管的沖蝕磨損情況。季楚凌［6］以輸送稠油的90°彎管為研究對象，分析了彎管壁面應(yīng)力的分布，預(yù)測了彎管的易沖蝕部位。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對局部管件流體沖蝕進行了大量研究，但是針對工程中的輸油管道沖蝕磨損進行數(shù)值分析的研究還比較少。本文通過模擬輸油管道流動，分析管道壁面處切應(yīng)力的分布，尋找最大切應(yīng)力出現(xiàn)的位置，來預(yù)測輸油管道中的易沖蝕部位。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 理論模型

管道流體流動屬于復(fù)雜的三維非定常不可壓縮湍流流動，其連續(xù)方程為：

采用的湍流模型是RNG k-ε模型。在眾多湍流模型中，RNG k-ε雙方程湍流模型具有較好的穩(wěn)定性和準確度，而且計算速度相對較快，對計算機資源要求適中，管道流動數(shù)值計算可以采用該模型。RNG k-ε模型的方程如下：

式中，GK是由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb是由于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍動能膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，F(xiàn)LUENT中默認C1ε=1.44、C3ε=0.09；σk、σε分別為湍動能和湍動能耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)，F(xiàn)LUENT中默認值為σk=1.0、σε=1.3。

1.2 計算模型

根據(jù)實際的管道單線圖和結(jié)構(gòu)尺寸，建立管道的幾何模型，異徑管入口前管道直徑為100mm，變徑后管道直徑為60mm。管道幾何模型圖如圖1所示。

圖1 管線幾何模型圖Fig.1 Geometric diagram of The Pipeline

1.3 網(wǎng)格劃分

利用CFD前處理軟件Gambit2.4.6，分別對含有彎頭、三通、盲三通和變徑管等管件的輸油管道進行幾何建模，忽略閥門和測量儀表等對管線的影響。采用古銅幣畫法對整條管線劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為157900。

1.4 邊界條件

液相入口1的邊界條件為在圓形入口截面上給定法向速度v=5m·s-1；液相入口2的邊界條件為在圓形入口截面上給定法向速度v=2m·s-1。速度入口的湍流強度為3%，水力學(xué)直徑為100mm。

液相出口邊界條件采用壓力出口邊界，出口壓力為2.026MPa，湍流強度為3%，水力半徑60mm。液相流場在壁面采用無滑移邊界條件，近壁面網(wǎng)格采用標準壁面函數(shù)近似處理。

1.5 流體屬性及求解方法

本文采用的液態(tài)油品密度為738.000kg·m-3，黏度為4.576×10-4Pa·s。由于管道流動的流場為不可壓縮流場，所以本文采用SIMPLEC算法求解。在對流項的離散過程中，采用二階迎風(fēng)差分方法。在進口和出口位置設(shè)置監(jiān)控點，分別監(jiān)控壓力和流量的變化。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果

圖2所示為整體管線壁面切應(yīng)力云圖。圖3所示為最大壁面切應(yīng)力部位的局部放大圖。管道中最大壁面切應(yīng)力出現(xiàn)的部位，流體在較大剪切力作用下會破壞壁面腐蝕產(chǎn)物膜，加快沖蝕破壞的速度。所以需要在該部位增加測厚點，預(yù)防沖蝕減薄的發(fā)生。該輸油管線中最大壁面切應(yīng)力出現(xiàn)在圖2所示的盲三通管水平出口側(cè)的下底面處，最大切應(yīng)力值為1.07×103Pa。其切應(yīng)力最大的原因是：介質(zhì)流動方向發(fā)生突然轉(zhuǎn)變和流體流速增加，使得在三通水平出口下底面的壁面切應(yīng)力加大。

圖2 切應(yīng)力范圍在0～1.07×10-3Pa時管線的壁面切應(yīng)力云圖Fig.2 Wall Shear Stress contours of the pipeline among 0～1.07×103Pa

圖3 最大部壁面切應(yīng)力部位局部放大圖Fig.3 Enlarged diagram of the most serious area

2.2 輸油管線易沖蝕部位排序

由于整體管線較長，不同位置的切應(yīng)力分布相差較大。下面將不斷減小壁面切應(yīng)力的范圍，得到不同范圍內(nèi)壁面切應(yīng)力最大區(qū)域的應(yīng)力云圖，獲得整體管線的壁面切應(yīng)力分布情況，并對不同部位沖蝕風(fēng)險的大小進行排序。壁面切應(yīng)力的范圍分別為：0～0.54×102Pa、0～1.61×102Pa、0～3.76×102Pa和0～9.67×102Pa。為了便于說明，對管道內(nèi)的管件進行編號排序，排序示意圖如圖4所示。根據(jù)不同范圍內(nèi)的壁面切應(yīng)力云圖，該輸油管線沖蝕部位排序結(jié)果為：最危險：8水平出口底面＞7內(nèi)側(cè)＞6變徑區(qū)域和5水平出口底面＞4和2內(nèi)側(cè)＞3內(nèi)側(cè)＞1內(nèi)側(cè)：最安全。

圖4 管件沖蝕風(fēng)險大小排序示意圖Fig.4 Erosion risk diagram in a descending order

3 結(jié)論

1）壁面剪切力的大小可以用來表征管道的沖蝕磨損的風(fēng)險大小，壁面剪切力越大的部位，更易于發(fā)生沖刷磨損。在相同工況條件下，彎頭、三通、盲三通和異徑管比直管更容易發(fā)生沖蝕磨損。

2）該輸油管線的最大壁面切應(yīng)力出現(xiàn)在盲三通管水平出口側(cè)的下底面處，該部位最容易發(fā)生沖蝕破壞，分析得出的原因是：介質(zhì)流動方向發(fā)生突然轉(zhuǎn)變和流體流速的增加，使得在三通水平出口下底面的壁面切應(yīng)力加大。

3）對該輸油管線的沖蝕情況排序，結(jié)果為：8水平出口底面＞7內(nèi)側(cè)＞6變徑區(qū)域和5水平出口底面＞4和2內(nèi)側(cè)＞3內(nèi)側(cè)＞1內(nèi)側(cè)。該沖蝕風(fēng)險大小排序可以為工程實際中定點沖蝕監(jiān)檢提供直觀、準確地布點指導(dǎo)。

［1]Y. M. Ferng. Predicting local distributions of erosioncorrosion wear sites for the piping in the nuclear power plant using CFD models［J］. Nuclear Science and Technology Development， 2007（2）： 101.

［2]Deng Peng， Afshin Pak， Luca， Andrew Low， et al. Advances in multiphase flow CFD erosion analysis［J］. Offshore Technology Conference， 2013（3）： 6-9.

［3]徐鳴泉，王樂勤，楊健，等.石化管道沖蝕破壞的流動仿真及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.流體機械，2005，33（7）：24-27.

［4] 陳佳，劉勇峰. 三通管沖刷腐蝕數(shù)值計算［J］. 當(dāng)代化工，2013（1）：76-78.

［5]黃勇，施哲雄，蔣曉東.CFD在三通沖蝕磨損研究中的應(yīng)用［J］.化工裝備技術(shù)，2005，26（1）：65-67.

［6]季楚凌.稠油管道90°彎管流場及應(yīng)力分析［J］.當(dāng)代化工，2015（2）：401-404.

Numerical Simulation Investigation on Erosion of Oil Pipeline

LI Jie-pu1，2， YAO Cheng1，2， LI Xiang2，1
（1. China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China；2. Special Equipment Inspection & Research Institute，Beijing 100029，China）

Erosion Leaking was a failure form frequently occurred in a petroleum refining industry. Thus， the safety of petrochemical enterprises was relied on safe and reliable operation of the pipeline. In this paper， a numerical simulation study on flow field was investigated for an oil pipeline using the RNG k-ε model. The magnitudes of wall shear stress were calculated to represent the risk of pipeline erosion. At the same time the erosion risk of the pipeline components were sorted according to wall shear stress. The maximum wall shear stress was located in the bottom of blind tee exports. The results could be used to guide the operation of the oil pipeline.

pipeline； erosion； wall shear stress； numerical simulation

TE 832.3

A

1671-9905（2016）06-0066-03

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項項目資助（201110025）

李介普（1992-），男，中國石油大學(xué)（北京）動力工程專業(yè)在讀研究生，主要從事化工過程機械研究。電話：17801010263，E-mail：731329248@qq.com

2016-03-30