天然气管道弯头冲蚀失效机理研究.pdf

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1、天然气管道弯头冲蚀失效机理研究 曾涌捷 ( 西南油气田分公司华油集团榆川天然气公司，重庆 合川 7 1 9 0 0 0) 摘 要】 冲蚀是天然气管道弯头失效的主要原因之一。本文利用计算流体动力学 ( C F D)对天然气管道弯头的冲蚀失效机 理进行了研究，分析了弯头的速度场和压力场，得 出了弯头大弧面处为危险面的结论。提 出了避免和减缓弯头冲蚀失效的 预防措 施。 关键词天然气弯头；冲蚀失效；C F D ；预防措施 随着西气东输等国家重 点工程项 目的开展， 我 国天然气管道发展迅速 。天然气 管道弯头作为 整体管道环节 中的薄弱环节，相对于其它部件， 弯头承受的冲蚀更 为严重 ，以新疆某天然

2、气场站 为例 ，弯头冲蚀磨损 失效 的概率为普通直管磨损 失效概率的7 O 倍左 右。与输油管线相 比，在流动 影响因素相 同的情况下 ，天然气管道弯头的冲蚀 失效远高于油管弯 头，这给天然气场站及长输管 线的安全生产 带来极大 隐患 。为此，本文利用计 算流体动力学 ( C F D)的方法进行 了天然气管道 弯头的对 比分析 ，揭示弯头冲蚀机理，以便采取 相应措施 ，降低风险。 1冲蚀描述及预测 冲蚀是粒子在一定条件下 ( 速度和角度 )对 管件表面进行冲击而造成的损伤【 l 】 。冲蚀对于弯头 的影 响主要通过机械力表现 出来 ，其次为腐蚀 。 当单个 固体粒子撞 击弯头表面时 ，其表 面

3、形成塑 性坑 ，在若干粒子的不断冲击下形成磨损 。在一 个特定 的弯头 中，管道输送天然气 的压力、气体 流量 、介质属性、弯管形状等影 响冲蚀速度 。固 体颗粒在弯头处的运动示意图如 图1 所示。 图1 颗粒在弯头处运动示意图 人 鞭粒 小 举 蜒 牝 1 1冲蚀的影响因素 夹杂在天然气 中的固体颗粒 ( 沙粒 、结晶体 和脱落的固体腐蚀产物 )在 以一定速度通过弯头 时，质量较小的颗粒跟随气体对它 的牵引力改变 方 向，顺着弯头型面通过弯头；大部分质量较大 的颗粒通过弯头时，由于其 自身动量的作用直接 撞击 到弯头 内壁大弧面处 ，根据动量守恒定理 ， 粒子产 生反弹 ，运动方 向改变 ，

4、由于气体与固体 间的摩 阻远小于液体与 固体 间的摩 阻，故在条件 都 相同的情况下，处于气体介质状态 中的固体颗 粒更容 易撞击弯头 内壁大弧面处，气体 的冲蚀率 远高于液体的冲蚀率。 以上分析 可以看 出，影响冲蚀 的因素主要受 两方面控制 ：粒子属性和弯头属性。粒子属性主 要包括粒子 的硬度、颗粒大小 、运动速度 、撞击 时的入射角以及 固体颗粒 的浓度等；弯头属性则 表现为弯头曲率半径 、材料 性能以及热性能等 。 管道弯头多为塑性材料 ，约在3 0 。入射 角时磨损 率最大口 】 ，在实际应用过程 中，需要综合考虑各因 素对冲蚀率的影 响，确定影响冲蚀失效的主要因 素及次要因素。同时

5、，对 于气体冲蚀的预测显得 十分必要。 1 2气体冲蚀预测 对于颗粒冲蚀 的预测方法很多，可 以通过经 验 公式或C F D ( 计算流体动力学 )的方法完成。 对于弯头 ，最常用 的冲蚀模型为A P I 1 4 E中所提到 的最大极 限速率模型 ，对于气体管道冲蚀 ，更多 采用S a l a ma 方程。 专 矗 作者简介：曾涌捷 ( 1 9 7 7 一)，男，2 o 0 年毕业于西南石油大学 油气储运专业 ，现从事管道设计研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第2 期 曾涌捷天然气管道弯头冲蚀失效机理研究 一 4 5一 式 中：E 。 一冲蚀率 ，mm

6、k g ； D 一管道直径 ，mm； v 一混合物的速率： P 一混合物的密度； S 常数，对于r = 1 5 D5 D，S p 取2 0 0 0 。 2弯头流场模拟及分析 2 1 建立C F D 模型 在 工程 应用 中，天 然气 弯头 的结构 形 式有 4 5 。、6 0 。、9 0 。等 多种 ，本 文研 究的是 最常 用 的9 0 。弯头 。利用 计算流 体动力 学 ( C F D) 建立 弯头 受高速 气 体携 带颗粒 的三 维模 型 。 以 某天 然气 输配 站高压 管线 为例 ，弯 头公 称直 径 2 5 0 mm，设计压力4 MP a ，弯头壁厚6 mm，输气量 为1 0 0

7、1 0 m d 。模型建立后导入到A NS YS F l u i d Dy n a mi c s环境下，采用C F X模块建立流体分析模 型 ，如 图2 所示 。加载 边界条件 ，设置入 口压 力 4 MP a ，出口速度2 4 7 m s ，壁面无滑移设置 。 0 06 0 0 ( m】 图2 弯头加载后有限元模型 2 2 数值模拟结果 2 2 1 速度场 弯头 的中心截面速度 场主要包括射流 区、大 弧面漫流区以及小弧面漫流区，如图3 所示 。高速 天然气流体流 经管道弯头时 ，在两弧面 处出现漫 流 区，速度发生 改变 ，在小弧面处速度达到最大 值3 3 0 8 m s ，且大弧面处的速

8、度也大于射流区的主 体速度 。从分析 中可 以看 出，虽然速度 的最大值 不是出现在大弧面处，但 是大弧面处 的速度依然 很高，由于固体颗粒 的存在 ，其对大弧面的冲蚀 概率远大于小弧面处 ，因此在弯 头中，最容易 因 冲刷磨损而失效的部位应是弯头大弧面区。 害 黑 一 m+ l I O - o oo t m 1 滩 耱 t 大孤 面浸流 区 ： o 翟删 o-_I= = 二 二 兰詈删 _ l 图3 中心截面速度矢量图 2 2 2压力场 弯头 中心截面 的压力场 云 图如 图4 所 示 ，压 力在整个弯头 区域 内变化不大，在弯头的大 弧面 处出现最高压力 ，压力升高0 0 1 9 MP a

9、 ，在小弧面 处 出现最低压力 ，压力降低0 0 3 7 MP a 。在实际应 用 中，对于焊制的弯头 ，由于存在截面变化 ，在 弧面处会 出现较 大的应力集 中因子 ；对于无缝弯 头 ，由于工艺限制，弯头小弧面处局部变厚 ，大 弧面处局部减 薄，此种现象进一步削弱 了大弧面 处的安全系数 。 0 0，o o f ml 015 0 图4 中心截面压力场云图 3 结论及建议 利用流体动力学 ( C F X)的计算结果表明， 天然 气 管道弯 头 的薄弱 部位 为弯 头 内壁大 弧面 处，通过对冲蚀过程 中影响 因素的分析，确定 了 二 三 H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m