弯管液固两相流冲蚀失效模拟分析-表面技术

表面技术第45卷第8期·124·SURFACETECHNOLOGY2016年08月收稿日期：2016-03-10；修订日期：2016-05-14Received：2016-03-10；Revised：2016-05-14基金项目：国家重点研发计划重点专项（2016YFC0802301）Fund：SupportedbytheSpecialResearchandDevelopmentoftheNationalKeyProgram(2016YFC0802301)作者简介：曹学文（1966—），男，教授，博导，主要研究方向为天然气处理与加工、管道完整性管理相关技术。Biography：CAOXue-wen(1966—),Male,Professor,Doctoralsupervisor,Researchfocus:naturalgasprocessingandprocessingtechnology,thepipelineintegritymanagement.弯管液固两相流冲蚀失效模拟分析曹学文，胥锟，彭文山（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266580）摘要：目的分析流体参数、砂粒参数、环境参数对液固两相流弯管冲蚀失效的影响。方法利用FLUENT模拟弯管冲刷腐蚀，分析流速、粒径、砂粒质量流量、操作压力、重力方向对弯管冲蚀的影响。结果管内流速从2m/s增加到10m/s，最大冲刷腐蚀速率从8.86×10-8kg/(m2·s)增加到2.45×10-7kg/(m2·s)；颗粒粒径从75μm增加到200μm，再增加到550μm，最大冲蚀速率先从2.04×10-7kg/(m2·s)减小至1.5×10-7kg/(m2·s)，后增加到2.66×10-7kg/(m2·s)；砂粒流量从0.05kg/s增加到0.25kg/s，最大冲蚀速率从8.56×10-8kg/(m2·s)增加到3.20×10-7kg/(m2·s)；管内操作压力从0.1MPa增加到0.9MPa，最大冲蚀速率从1.50×10-7kg/(m2·s)减少至1.25×10-7kg/(m2·s)；弯头出口由垂直向下位置变化为垂直向上，冲刷腐蚀速率从1.50×10-7kg/(m2·s)逐渐增加至1.86×10-7kg/(m2·s)。结论流速与冲刷腐蚀呈正相关关系；随着砂粒直径的增加，最大冲刷腐蚀速率先减小后增加；在一定范围内，最大冲刷腐蚀速率随着砂粒流量增加而增加；管内操作压力的变化对冲蚀减弱现象影响不明显；出口垂直向上时，冲蚀破坏最严重。关键词：液固两相流；弯管；冲蚀；粒径；砂粒流量中图分类号：TG172文献标识码：A文章编号：1001-3660(2016)08-0124-08DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.08.021SimulationandAnalysisofLiquid-SolidTwo-phaseFlowErosionFailureinPipeBendsCAOXue-wen,XUKun,PENGWen-shan(CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)ABSTRACT:ObjectiveToanalyzetheeffectsoffluidparameters,sandparametersandenvironmentparametersonerosionfailureinelbowforliquid-solidtwo-phaseflow.MethodsSoftwareFLUENTwasusedtosimulatetheelbowerosion-corrosionandanalyzetheinfluenceofflowvelocity,particlediameter,sandmassflow,operatingpressureandgravitydirectiononelbowerosion.ResultsAstheflowvelocityincreasedfrom2m/sto10m/s,themaximumerosionrateincreasedfrom8.86×10-8kg/(m2•s)to2.45×10-7kg/(m2•s).Astheparticlediameterchangedfrom75μmto200μmandthengrewupto550μm,the表面失效及防护第45卷第8期曹学文等：弯管液固两相流冲蚀失效模拟分析·125·maximumerosionratefirstdecreasedfrom2.04×10-7kg/(m2•s)to1.5×10-7kg/(m2•s)andthenincreasedupto2.66×10-7kg/(m2•s).Asthesandmassflowincreasedfrom0.05kg/sto0.25kg/s,themaximumerosionincreasedfrom8.56×10-8kg/(m2•s)to3.20×10-7kg/(m2•s).Astheoperationpressureoftubeincreasedfrom0.1MPato0.9MPa,themaximumerosionratede-creasedfrom1.50×10-7kg/(m2•s)to1.25×10-7kg/(m2•s).Asthedirectionofelbowoutletturnedfromverticaldownwardtoup-ward,theerosionrategraduallyincreasedfrom1.50×10-7kg/(m2•s)to1.86×10-7kg/(m2•s).ConclusionVelocityanderosionhaveapositivecorrelation.Astheparticlediameterincreases,themaximumerosionratefirstdecreasesandthenincreases.Inacertainrange,maximumerosioncorrosionrateincreasesasmassflowrises.Thechangeofpressureinthetubeisnotobviouslyinfluentialtotheerosionweakening.Erosiondamageisthemostseriouswhentheelbowoutletfacesverticalupward.KEYWORDS:liquid-solidflow;elbow;erosion;particlesize;sandflow冲刷腐蚀是金属表面与流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象，是一种危害性较大的局部腐蚀[1]，存在于石油、航空、机械、建材、航天、能源、冶金等很多领域中[2—3]。冲蚀己经成为材料磨蚀破坏甚至设备失效的主要缘由之一[4—5]，但目前对冲蚀的了解还不够全面，特别对多相流冲蚀的预防是难点。管道在运送介质时，暴露在运动流体中的管件都会受到不同程度冲蚀的破坏，尤其是弯管处的磨蚀速率比直管处要高出几十倍[6]，破坏形式为沟槽、减薄，甚至断裂，该现象严重危害到油气田安全生产的要求。国内外很多学者对液固两相流冲蚀进行了数值模拟研究，研究主要集中在流体参数变化对管件冲蚀的影响。Anthony等[7]用PHOENICS软件对U型管内两相流冲蚀进行数值模拟，得到湍流对固体粒子的影响规律；JPostlethwaite等人[8]提出了适用于管流液-固两相流的冲蚀模型，此模型计算得到的冲刷腐蚀率与实验结果能较好吻合；丁矿等人[9]使用CFD（计算流体力学）方法，得到了流速、颗粒浓度和颗粒直径对最大冲蚀率有明显影响的结论；王凯等人[10]研究了Stokes数对于冲蚀率的影响，分析了特定流量、一定粒径的颗粒在特定流速下的冲蚀；郑玉贵等[11]讨论了流体力学因素的重要性，论述了如何从流体力学方面控制冲刷腐蚀；郑友取等`考虑到壁面粗糙度与颗粒旋转等因素，对管内固体颗粒的冲蚀特性做了深入的研究，为管道的防磨提供了较为可靠的数值依据和理论参考。以上研究并没有考虑砂粒颗粒、不同重力方向等参数对弯管冲蚀的影响。文中建立数值模拟模型，利用CFD方法探究流速、粒径、砂粒质量流量、操作压力、重力方向等对弯管冲蚀的影响，对于进一步研究多相混输管道冲刷腐蚀机理，进而保障油气田安全生产提供参考。1计算模型1.1离散相控制方程流体中固体颗粒的受力方程式为：ppppdpD2Ppppp32d12pPd()()d1824yDyugFuuFtCReFdduuReaaCaReReρρρµρρµ−=−++=−==++(1)式中：u为液相速度，m/s；dp为砂粒直径，m；up为砂粒速度，m/s；ρ为连续相气体密度，kg/m3；gy为y方向重力加速度，m/s2；μ为气体黏度，Pa·s；ρp为砂粒密度，kg/m3；Rep为相对Reynolds数；Cd为drag系数；FD（u-up）为单位质量颗粒受到的阻力；Fy为y方向的其他作用力（包括虚拟质量力、压力梯度力和Saffman升力）；对于球形颗粒，在一定Reynolds数范围内，a1、a2和a3为常数[14]。1.2冲蚀模型管道形状、流体参数、颗粒参数、冲击角度等都是影响冲蚀的因素。文中涉及的参数主要包括流速、砂粒质量流量、砂粒粒径、操作压力、重力方向。使用Huser等[13]提出的壁面碰撞模型进行冲蚀计算：()ppperosion1face()()bvNnmCdfuRAθ==Σ(2)423()2.691.618.84+7.33fθθθθθ=+−−51.85θ(3)·126·表面技术2016年08月9p()1.810Cd−=×(4)式中：Rerosion为壁面冲蚀速率，kg/(m2·s)；C(dp)为颗粒直径的函数；N为碰撞颗粒数目；up为颗粒相对于壁面的速度；b(v)为相对速度的函数，取2.6；mp为砂粒质量流量，kg/s；θ为颗粒对壁面的碰撞角，(°)；Aface为壁面计算单元的面积，m2；f(θ)为侵入角的函数，m/s。2数值模拟CFD方法具有成本低、省时、高效、模拟真实等优点，已经成为又一种研究冲蚀问题的有效方法。该方法通过计算得出速度场、压力场等变量的具体分布，利用冲蚀方程完成冲蚀问题的预测和冲蚀量的计算。2.1管道参数弯管模型如图1所示，弯管管径D=40mm，弯径比R/D=1.5。常温条件下，以水作为连续相介质，入口速度为4m/s，从上游水平直管L1=2000mm入口流入，从下游竖直向下L2=800mm直管流出。粒径为200μm，离散相砂粒密度为2650kg/m3，假设砂粒的初始速度与水相同，质量流速为0.1kg/s。图1弯管计算区域几何模型及网格Fig.1Geometrymodelandgridofelbowcalculationarea2.2网格划分与弯管长度设定网格无关性分析即网格独立性分析，目的在于避免由于网格不同类型和大小的划分而引起模拟结果的误差。研究对象如图1所示，设置入口速度为4m/s。采用非结构化网格，管壁处为加密的边界层网格。调整第一层网格大小为0.6mm，网格渐变率为1.2，层数为5层，中心区域的网格大小为2mm。待考察的变量为弯管最大冲刷腐蚀速率，最大冲蚀速率与网格关系曲线如图2所示。可以看出，在较少网格数目下，腐蚀速率随着网格数目的增多呈现波浪形不规则变化，当网格数目达到9.8×105后，最大冲刷腐蚀速率趋于稳定。因此，在现有计算资源的前提下，为最大限度减少计算误差，在划分网格时选用网格数为9.8×105的网格划分方法。图2不同网格数与最大冲蚀速率的关系Fig.2Differentgridnumbervsmaximumrateoferosion2.3边界条件设置随着CFD技术的发展及相关软件的开发，通过数值模拟方法获得流体