多相混输管道弯管流动腐蚀数值计算.pdf

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1、第 4 2卷第3期 2 0 1 3年 3月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V O 4 2 N o 3 M a r c h 2 0 i 3 多相混输管道弯管流动腐蚀数值计算 周 彬 ，刘勇峰 ( 1 中国石油天然气股份有限公司 西部管道塔里木输油气分公 司， 新疆 库尔勒 8 4 1 0 0 0 2 中国石油集团工程设计有限责任公司 西南分公司， 四川 成都 6 1 0 0 4 1 ) 摘 要：凝析气田管道中含有气液两相 ，在弯头处经常发生腐蚀穿孔现象。针对这一现象，利用计算流体 力学方法，根据流体流动

2、的规律，建立了弯管流动腐蚀的数学模型，运用有限元法来解方程。研究发现弯管的 流动腐蚀与流体的运动息息相关，多相流经过弯管后流速 、液相分布、湍动能、压力的大小和分布都发生了变 化，引起管壁处某些部位剪切应力、含液率 、湍动能 、压力发生变化，加速了弯管的腐蚀。研究结果可以为弯 管流动腐蚀的理论研究和多相t 昆 输管道安全管理提供指导。 关键词：流动腐蚀；弯管；剪切应力；数值计算； 中图分类号 ：T E 9 8 8 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 1 - 0 4 6 0( 2 0 1 3)0 3 0 3 3 2 0 4 Nu m e r i c a l Ca l c ul a t

3、 i o n o f Fl o w I nd uc e d Co r r o s i o n f o r t he Be nd o f M ul t i pha s e Pi pe l i ne s Z HOUB i n ，L I UY o n g -f e n g ( 1 P e t r o C h i n a We s t P i p e l i n e C o m p a n y T a ri m O i l g a s S u b C o mp a n y ，X i n j i a n g Ko r l a 8 4 1 0 0 0 ，C h i n a 2 Ch i n a P e t

4、 r o l e u m E n g i n e e ri n g Co ，Lt d S o u t h we s t Co mp a n y，S i c h u a n Ch e n g d u 6 1 0 0 41 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Th e r e i s g a s l i q u i d t wo p h a s e fl o w i n p i p e l i n e o f g a s c o n d e n s a t e fi e l d ， c o r r o s i o n p e r f o r a t i o n o f t e

5、 n h a p p e n s a t t h e b e n d Ai mi n g a t t h i s p h e n o me n o n ， u s i n g c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s me t h o d ， a c c o r d i n g t o t h e l a ws o f flu i d fl o w,a ma t h e ma t i c a l mo d e l o f fl o w i n d u c e d c o r r o s i o n wa s e s t a b l i s

6、 h e d Fi n i t e e l e me n t me t h o d wa s u s e d t o s o l v e e q u a t i o n s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fl o w i n d u c e d c o rro s i o n i s c l o s e l y r e l a t e d t o fl u i d mo v e me n t ；Th e c h a n g e o f fl o w r a t e ， l i q u i d d i s t rib u t i o n ，t

7、 u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y , p r e s s u r e a n d i t s d i s t r i b u t i o n o f mu l t i p h a s e flo w t h r o u g h t h e b e n d c a u s e s c h a n g e o f s h e a r s t r e s s ，l i q u i d c o n t a i n i n g r a t e ， t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y , p r e s

8、 s u r e a t i n t e r n a l wa l l o f t h e b e n d ， wh i c h c a n a c c e l e r a t e p i p e s c o r r o s i o n T h e r e s u l t s p r o v i d e a g u i d a n c e f o r t h e o r y s t u d y o f b e n d s flo w i n d u c e d c o rro s i o n a n d mu l t i p h a s e p i p e l i n e s s a f e

9、t y ma n a g e me n t K e y wa r d s ： F l o w i n d u c e d c o r r o s i o n ； Be n d ； S h e a r s t r e s s ； Nu me r i c a 1 c a l c u l a t i o n 雅哈凝析气 田白2 0 0 2年到 2 0 0 6年问共发生腐 蚀穿孔事故 5 0次，穿孔部位主要为弯头处 ，弯头 腐蚀 问题非常严重 。雅克拉凝析气 田也发生过集输 管道弯 头处腐蚀穿孑 L 的事故 ，最大腐蚀速率高达 7 4 4 m m a 。所以研究凝析气 田集输管道弯管的腐蚀 具有非常重

10、要的意义。 目前 ，我国对于流动腐蚀进行了深入的研究 ， 雍兴跃但 和偶 国富 率先采用数值计算 和实验相结 合的方法，研究腐蚀和流动之间的耦合作用。吴信 荣 0 针对油 田集输管线建立 了多相流腐蚀 评价装 置，在实验室建立了介质多相流腐蚀数学模型。代 真 、 雍兴跃 分析了流体力学因素对流动腐蚀的影 响。对于气田集输管道 ，张智 利用数值计算的方 法研究了井下油管的流动诱导腐蚀。蒋东辉 、 杨 红春 从理论上分析了凝析气田腐蚀的状况和腐蚀 的机理 ，得 出管道 的冲刷腐蚀与金属管道中介质的 流动流态 、组成 、浓度 、温度 ，金属的材料等因素 有关 ，并提出了抗腐蚀的方法。叶帆针对介质流态

11、 对凝析气集输管道的腐蚀影响进行了研究” 。 。 ，王德 国对长距离混输管道内壁流动腐蚀 的研究进展进行 了论述 。 但是没有针对凝析气 田弯管冲刷腐蚀的机理进 行实验验证 ，针对该工况 ，利用前人研究的成果 ， 建立了弯管冲刷腐蚀的数学模型 ，研究弯管的冲刷 腐蚀和弯管内流体力学因素分布规律。 1 数学模型 1 1 数学模型 计算 流体力学就是用数值计算 的方法直接求 解描述流体运动基本规律的非线性数值方程组，研 器 莩 ； 2周0 彬1 2-(111 - 0 398 7 - )， 男 ， 湖 南 衡 阳 人 ， 助 理 工 程 师 ， 2 00 9 年 毕 业 于 长 江 大 学 油 气

12、储 运 工 程 专 业 ， 研 究 方 向 ： 主 要 从 事 输 油 气 生 产 工 艺 技 作 者 简 介 ： 周 彬 ( 1 )， 男 ， 湖 南 衡 阳 人 ， 助 理 工 程 师 ， 年 毕 业 于 长 江 大 学 油 气 储 运 工 程 专 业 ， 研 冤 方 向 ： 主 要 从 事 输 油 气 生 产 工 艺 技 术管理及新建油气管道运行筹备工作。E - m a i l ：x b g d t m z h 0 p e t r 0 c h 1 n a c o m c n 。 第 4 2 卷第 3 期 周 彬，等：多相混输管道弯管流动腐蚀数值计算 3 3 3 究流体运动的规律。它的优势

13、在于可以给出t： h 较完 其中： = 整的定量研究结果，节省研究成本和工作量，扩大 研究的范围， 减少实验和设计工作的盲目 性， 增加 式 中 ： 一 第 二 相 粒 子 的 加塞 度 ， ： ( ) 一 冬 实验的可靠度。 一 粒 子 的 弛 豫 时 间， 凝析气 田集输管道 中的输送介质含有气 ，水 ， 公式为： H S等杂质，介质的流态为分层流和冲击流 ” ，采 ( 一p p) d 用多相流混合模型，流体的控制方程为： 一1 6 ( 1 )连续方程为 ： 式中 ： 一一第二相颗粒 ( 或液滴或气泡qJ)d r的a g直径 ， ( ) + V ( ) ：r h 曳力函数 g 公式为 ：

14、其中： ： ； ： 石 式中： 一 质量平均速度； p 一混合密度 ； a r 一第 k 相的体积分数； 一质量源的质量传递。 ( 2)动量方程为 ： ( p m L) +V ( p m ) =一 + 季 +F+ (V + V ) + V ( 喜 ， ， j 其 中： m： V d r ， = 一 k=1 式 中： 一相数 ； 一体积力 ； 一混合粘性 ； 第二相 的滑移速度； ( 3 )能量方程为 ： ( ) + V ( V ( p k g + p ) ) =V ( V ) + 式中： 有效热传导率。 公式右边 的第一 项是 由于传导造成 的能量传 递。 包含了所有的体积热源。 对 可 压

15、缩 相 = 一 P + 等 2 ； 对 不 可 压 缩 相 E k ： h ，这里 是第 k 相的焓灵敏性。 ( 4)相对速度和漂移速度 ： 相对速度是指第二相( P) 的速度相对于主相( ) 的速度 ： V q p 一 。 漂移速度和相对速度 ( ) 的关系表达为 ： 一 d r , p 一喜 f 1 + 0 1 5 R e R e 1 0 0 0 1 0 O 1 8 3 R e R e 1 0 0 0 ( 5 ) 第二相的体积分数方程： 从第二相 P的连续方程， 可以得到第二相 P的 体积分数方程为： 詈 ( P p ) + ( ) = 一 ( ( 6)湍流模型的微分方程 ： 根 据管 道

16、 内介 质 流动 的参 数 ，选 择标 准 的 k一占模型 ，该模型是通过实验总结出来 的，使用 范围广 ，方程如下 ： + = + I l J l + + 一pe一 +S k + = + J I J l + ( + c 3 ) 一 + 式中： 一由于平均速度梯度引起的湍动能产生； 由于浮力引起的湍动能产生 ； 一可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。 1 2 模拟实例 根据甘振维 别 提供的凝析气田管道实际的运行 数据，我们挑选了一组腐蚀最严重的工况进行三维 数值计算， 模拟的管道公称直径 D N 1 0 0 ，弯管的曲 率半径为 1 5 D N，管道水平放置 ，重力向下 ，弯管 两端有长度

17、为 0 8 m的直管段。 弯管的模型图如图 1 ，先对模型进行边界层 网 格划分，然后对弯管进行六面体网格划分，对于弯 管弯曲部位进行局部网格加密， 以提高解的收敛性。 入口采用速度人口条件：液相流速 O 1 6 7 m s ， 气相 流速 3 5 6 5 m s ，含液率 2 2 ；出口为压力 出口， 压 力为环境压力 。运用有限元法来解上述封闭的非线 性偏微分方程组 。 第 4 2卷第 3期 周 彬，等：多相混输管道弯管流动腐蚀数值计算 3 3 5 3 结 论 弯管结构的变化，导 ；内流速， 液相分布，湍动 能，压力动发生了变化 ， 各个流体力学因素的变化，都 会加速管壁内 某些部位的 腐

18、蚀速率， 还会导致弯管发生 腐蚀的几率变大，所以弯管比直管段 更容易发生腐蚀穿 孔等事故。雅哈凝析气田和雅克拉凝析气田的管道中， 弯管发生事故多也 了这 。 在 油气 田管网建设 的过程 中要尽量减少弯头 的数量 ，对于已经建设的管道 ，要重点检测管道弯 头的腐蚀状况 ，及时更换新管道。 参考文献： 1 付秀勇， 许久龙， 李军， 等 凝析气 田集输管道的冲刷腐蚀与防护【 J 】 石油化丁腐蚀与防护，2 0 0 8 ， 2 5 ( 2 ) ： 2 0 2 3 2 雍兴跃， 丁忆， 刘景军， 等 流体力学因素对电极反应作用的定量分析 【 J 1 腐蚀科学与防护技术， 2 0 0 3 ， 1 5

19、( 4 ) ：2 0 4 2 0 7 3偶国富，裘杰， 朱祖超等 异径管冲蚀失效的流固耦合数值模拟f J 1 -力 学学报 2 0 1 0 ， 4 2 ( 2 ) ： 1 9 7 2 0 3 4 吴信荣 ，姜秀萍 ，黄雪松，等 油 田集输管线介质多相流腐蚀数学 模型研究 J 1 石油天然气学报， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 3 9 1 4 2 5 代真， 段志祥 ，沈士明 流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影 响【 J 1 石油化工设备， 2 0 0 6 ， 3 5 (6 ) ： 2 0 2 3 6 雍兴跃， 张稚琴， 李栋梁，等 近壁处流体力学参数对流动腐蚀的影响 【J

20、1 腐蚀科学与防护技术，2 0 1 1 2 3 ( 3 ) ：2 4 5 2 5 0 7 张智， 施太和， 吴优井下油管的流动诱导腐蚀数值模拟研究 J J 石 油钻采工艺， 2 0 04，2 6 ( 6 ) ：5 9 6 1 8 蒋东辉， 温艳军， 赵建彬， 等 牙哈凝析气田腐蚀状况及对策 J 1 天然气 工业2 0 0 8 2 8 ( 1 0 ) ： 1 0 1 1 04 9 杨红春， 杨小平， 杨明忠， 等牙哈凝析气 田腐蚀机理及防腐措施研究 【J J 钻采工艺， 2 0 0 7 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 1 7 1 1 9 1 O叶帆 介质流态对凝析气集输管道的腐蚀影响分析f J

21、1 _ 天然气与石 油， 2 0 0 9 ，2 7 ( 6 ) ：2 2 2 5 1 1 王德国_ 何仁洋，董山英长距离油、气 、水混输管道内壁流动腐蚀 的研究进展 J 】 天然气与石油， 2 0 0 2 ， 2 0 f4 ) ： 2 4 2 9 1 2 甘振维 凝析气田集输管道内腐蚀分析 J 油气储运， 2 0 1 0 ，2 9 ( 1 ) ：4 1 45 坚果和橄榄油对心血管疾病有防护作用 橄榄油和坚果不仅是制作香喷喷的香蒜沙司不可缺少的作料，同时也是健康饮食的一个重要组成部 分。 近 日，研究人员完成了首个大型随机试验 ，调查了地中海饮食结构对于那些没有心血管疾病病史的人 所产生的防护作

22、用。 在西班牙进行的P R E D I M E D实验中，研究人员将 7 4 4 7 名存在诸如型糖尿病、吸烟以及肥胖等心血 管疾病风险因素的受访者分为 3 组： 控制组研究人员劝告其摄入低脂肪膳食，以及其他两个以含有鱼 类 、豆类蔬菜和红酒的地中海饮食为主的实验组。 同时 ，部分以地中海饮食为主的参与者也适 当摄入了橄榄油( 每周 l 升) 或者坚果( 每天 3 0克) 。 大约 4年之后 ，研究人员发现，在以地 中海饮食为主的实验组中，中风 、心脏病发作和死于心血管疾 病的人数 比低脂肪饮食对照组出现相关症状的人数低大约 3 0 。 2月 2 5日， 研究人员将相关研究成果发表 在 新英格

23、兰医学杂志( T h e N e w E n g l a n d J o u r n a l o f M e d i c i n e ) 上。 虽然，这个研究的理念是改变参与者的整个饮食模式， 但是研究人员还记录了地中海饮食组中的参与 者额外摄人橄榄油和坚果所带来的重要健康差异。研究人员表示 ：“ 饮食中的大部分防护作用来源于这些 橄榄油和坚果。 ” 陶瓷耐高温 自洁不粘涂料研发成功 根据冶金冶炼行业的高温生产实际情况 ，一些钢水 、铁水 、铝水 、铜液 、铅液以及钢渣 、 铁渣 、铝渣、 铜渣、铅渣高温下粘附设备和仪器，导致原材料的大量损耗和设备频繁维修维护，给企业人力、财力造成 很大的浪费，有时还会导致生产中断 ，给企业经济上带来的损失不可估量 。 该高温不粘覆涂料选用志盛威华特制高温硅酸盐溶液、磷酸铝溶液，木质黄酸钠溶液、共晶熔融体、 纳米石墨鳞片、 碳化硅、碳化硼等材料经过纳米超声分散、高温下合成等工序加工而成，耐温高， 长期耐 温可以达到 2 0 0 0 C ，不老化， 不变色， 涂层硬度高， 耐冲击，附着力好， 可以涂刷在各种高温冶炼设备表 面上防止各种高温溶液、 高温焦体粘附， 增加设备的使用率和减少设备的维修时间。 Z S 一 5 2 2 志盛耐高温自 洁不粘覆涂料科技含量高，水平处在世界化工研发技术前列。