含砂氣流沖蝕下盲三通的減磨特性數值分析

李金寶 馬 川 劉立君 李曉慶

1. 東北石油大學土木建筑工程學院, 黑龍江 大慶 163318;2. 常熟理工學院電子信息工程學院, 江蘇 蘇州 215500

0 前言

天然氣在開采和集輸過程中,氣井的出砂量不斷增加,雖在天然氣運輸前已經過排砂、過濾等凈化處理,但仍存在微小砂粒等固體雜質隨著高速流動的氣流進入輸氣管道的現象,導致管道壁面不斷受到砂粒的沖蝕磨損。經過長時間的沖蝕磨損累積,管道承壓能力減弱,嚴重時集輸管道會發生破裂穿孔,導致油氣泄漏和環境污染,造成難以估量的經濟損失,對人民的生命安全構成巨大威脅[1-4]。國內外學者在探索傳統90°彎管的抗沖蝕減磨方法時,發現盲三通管道的內部特殊結構可改變流動介質的流態,在盲端處形成“緩沖帶”來減緩砂粒對管壁的沖擊[5-7]。

國內外學者對管內兩相流的沖蝕磨損進行了大量實驗和數值研究。Sedrez T A等人[8]通過實驗和計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)數值模擬給出多相液砂和分散氣泡兩種不同流型在90°彎管的沖蝕行為，結果表明：隨著混合氣流速度增大,沖蝕量增大;不同流型在90°彎管得到的最大沖蝕速率位置有所偏差。Vieira R E等人[9]研究了氣流中砂粒對彎管沖蝕實驗和數值模擬,得到彎管表面最大沖蝕速率位置;增大顆粒直徑不能改變最大沖蝕速率位置,隨著氣流速度增大,彎頭表面沖蝕速率呈增大趨勢。楊德成等人[10]通過Fluent數值仿真軟件計算90°彎管沖蝕規律,得出不同固體顆粒參數及90°彎管結構參數對沖蝕規律和最大沖蝕速率位置的影響。林楠等人[11]運用機理分析和CFD數值模擬方法研究氣—固兩相流在不同形狀的管線彎頭內壁沖蝕磨損規律,得出直角彎頭耐沖蝕性優于常規圓弧形彎頭。何興建等人[12]通過Fluent數值仿真軟件,研究不同顆粒濃度、顆粒速度對T型彎頭內液—固兩相流的沖蝕速率以及沖蝕區域分布的影響,結果表明沖蝕速率隨流速的變化呈非線性增大,隨顆粒濃度的增加幾乎呈線性增大,集中沖蝕區域位置幾乎不變。

以現有研究來看,國內外學者對管道沖蝕研究主要集中在傳統90°彎管的沖蝕情況分析,在盲三通的沖蝕研究中,主要研究液—固兩相流的沖蝕,鮮有對盲三通內氣—固兩相流的沖蝕磨損行為進行研究。由此,本文基于Fluent數值仿真軟件,采用計算流體力學—顆粒離散(Computational Fluid Dynamics-Discrete Phase Model,CFD-DPM)方法,研究在含砂氣流沖蝕下90°彎管和盲三通的流場分布,揭示其沖蝕磨損機理,計算不同流速、砂粒粒徑和砂粒質量流量條件下90°彎管和盲三通壁面的沖蝕速率,對比分析盲三通的抗沖蝕減磨能力,所得模擬結果可為集輸站輸氣管道的安全運行提供一定的理論參考。

1 幾何模型

1.1 幾何結構

盲三通和90°彎管的幾何結構見圖1,盲三通和90°彎管的管徑均為120 mm,盲三通的盲段長度取120 mm,90°彎管的曲率半徑為120 mm,彎徑比取1,為使氣—固兩相流能夠在管道內充分流動,盲三通和90°彎管的前管道長度均設置為管徑的10倍(1 200 mm)。

a)盲三通a)Blind tee

1.2 初始參數設置

本研究以實際工程中的輸氣工況為背景,常溫常壓下,管內連續相氣體為密度0.667 9 kg/m3的甲烷(天然氣的主要成分),離散相砂粒為密度2 719 kg/m3的均勻光滑球體顆粒,粒徑為100 μm,砂粒質量流量為0.002 kg/s,氣流與砂粒的初始速度均為15 m/s,為了方便與后續數值計算做對比,盲三通與90°彎管的其余各操作參數完全相同。

2 數值計算模型

數值計算模型采用重整化群(Re-Normalization Group,RNG)k-ε湍流模型,該模型能夠有效提高流體在管道內發生旋渦流和大曲率流動現象時模型的計算精度[13-14]。固體顆粒離散模型遵循歐拉—拉格朗日方程,為了求解基于拉格朗日參考坐標系下的固體顆粒運動軌跡,需要依據牛頓第二定律對粒子受力微分方程進行積分來確定[15-16]。管內計算域入口端邊界設置為速度入口,出口端設置為自由流出,管壁為無滑移邊界,近壁邊界區域應用標準壁面函數處理[17],湍流動能和動量采用二階迎風離散差分格式,模型在求解器中選用SIMPLE算法進行求解。

2.1 沖蝕模型

由挪威船級社依據大量實驗數據和數值仿真結果提出的DNV沖蝕模型[18-19],適用于計算碳鋼材質管道壁面的沖蝕速率,其模型方程如下:

(1)

(2)

式中:E為沖蝕速率,kg/(m2·s);α為顆粒入射沖擊角，°；up為顆粒沖擊速率，m/s；F(α)為沖擊角函數;C為經驗常數,取值2.0×10-9;n為速度指數,取值2.6;Ai為試驗參數，i=1,2,3,…,8,Ai取值見表1。

表1 DNV沖蝕模型Ai參數取值表

2.2 顆?！诿媾鲎卜磸椖Ｐ?/h3>

砂粒與壁面碰撞的過程存在一定的能量轉化和損失,粒子反彈后的速度一般要小于之前對管壁的沖擊速度,經大量學者研究采用恢復系數來描述粒子碰撞前后的速度變化,基于前人總結,管道的顆?！诿媾鲎卜磸椖Ｐ头匠倘缦耓20]:

εt=0.998-0.029α+6.43×10-4α2-

3.56×10-6α3

(3)

εn=0.993-0.030 7α+4.75×10-4α2-

2.61×10-6α3

(4)

式中:εt為切向反彈恢復系數;εn為法向反彈恢復系數。

2.3 網格無關性驗證

采用ANSYS Meshing模塊對盲三通和90°彎管進行網格劃分,并對兩個模型進行了網格的無關性驗證,見圖2。

根據圖2的變化規律,網格數處于125 590～178 710 個區間時,平均沖蝕速率隨著網格數目的增加而增大。網格數處于200 475～308 864個區間時,平均沖蝕速率變化趨于穩定。因此,在保證數值計算精確的前提條件下,應盡可能減少數值計算的計算量,選擇網格數200 475作為本章數值模擬計算的基準網格數。

圖2 網格無關性驗證示意圖Fig.2 Schematic diagram of mesh independence verification

3 計算結果分析

3.1 90°彎管沖蝕流場分布情況

流速15 m/s、砂粒粒徑 100 μm、砂粒質量流量 0.002 kg/s 工況下，90°彎管截面的壓力分布、速度分布和壁面沖蝕云圖見圖3。由圖3可看出，在彎頭處管內壓力場和速度場的變化較為明顯,靠近彎頭外側管內流體壓力有最大值,流體速度分布較小,靠近彎頭內側管內速度有最大值且存在負壓。其原因是氣—固兩相流在彎頭處流動產生離心作用,彎頭內側的牽引作用改變了氣—固兩相流的流動方向,導致彎頭內側出現負壓現象,由彎頭內側到外側壓力逐漸升高;90°彎管外側的比壓能轉化為內側流體的動能,使90°彎管內側速度增大。

從圖3-c)可以看出,具有較大動能的砂粒從水平管右端進入，與彎頭壁面發生碰撞,導致砂粒動能驟降,運動軌跡突變,并在后續氣流曳力作用推動下,沿豎直管段流線流出,全程幾乎不與水平管段和豎直管壁面發生碰撞,因此,直管段壁面受氣—固兩相流的沖蝕作用很小,整個90°彎管壁面發生嚴重沖蝕磨損區域分布主要集中在沿彎頭中心線外側處壁面,且彎頭上游壁面受沖蝕程度相比彎頭下游壁面的受沖蝕程度弱一些,沖蝕區域分布比較分散,下游壁面受沖蝕強度較高,嚴重沖蝕區域分布相對集中。

a)90°彎管壓力分布a)90° elbow pressure distribution

3.2 盲三通沖蝕流場分布情況

盲三通的截面壓力分布和速度矢量分布見圖4和圖5。

圖4 盲三通壓力分布圖Fig.4 Blind tee pressure distribution

圖5 盲三通速度矢量分布圖Fig.5 Blind tee velocity vector distribution

由圖4～5可看出,水平管段保持較高的壓力分布,而在豎直管段的壓力較低;氣—固兩相流在盲三通的水平管段和豎直管段交叉處有較大的速度變化,在盲端處有流場速度最小值。這是由于砂粒受到氣流的湍動能干擾并受砂粒自身重力影響在盲端連接處產生復雜的隨機運動,使得盲端流場變化波動較大,因重力的偏流作用,其中一部分砂粒在水平管段運動到盲端處會向下偏移,與盲端底部壁面發生碰撞,導致砂粒的沖擊動能轉化為對盲三通管壁的比壓能,砂粒的運行速度驟降,后續砂粒在盲端處不斷堆積沉淀,使盲段底部壓力值較高;另一部分砂粒與盲端壁面發生碰撞反彈運動,在后續氣流的攜帶作用下進入豎直管段運動,且先行氣流在后續氣流的推動下,會在盲端區域形成氣流緩沖渦旋區,這也正是盲三通對比90°彎管具有抗沖蝕減磨能力的關鍵所在。當后續入口端的砂粒通過緩沖區域時,砂粒的動能就會在緩沖區域得到消耗從而大幅度減小,氣流對砂粒的曳力拖拽作用則越來越強,從而緩解砂粒對管壁的沖擊,達到減緩沖蝕的效果。

介質流速是影響管道沖蝕行為的關鍵因素,不同流速下盲三通的壁面沖蝕區域分布見圖6。從圖6可看出，盲三通發生嚴重沖蝕部位的地方有兩處:一是在靠近盲端的豎直管段壁面上；二是在盲端圓壁處,盲三通的水平管段和豎直管出口段受砂粒的沖蝕程度較小。當流速較低時,盲三通受沖蝕磨損位置主要集中在連接處的豎直管壁面,而盲端壁面幾乎不受沖蝕。隨著流速增大,盲三通的壁面嚴重沖蝕區域分布逐漸向盲端圓壁上端和水平豎直管連接處兩側擴大。當流速為 15 m/s 時,盲三通壁面最大沖蝕速率為6.33×10-7kg/s/m2,而同工況下明顯小于90°彎管壁面的最大沖蝕速率1.1×10-6kg/s/m2,該沖蝕速率的大小直接影響管道的使用壽命,再次證明氣—固兩相流沖蝕下盲三通的抗沖蝕能力較強。當氣流速度較大時,結合圖5盲三通速度矢量分布發現,砂粒在氣流的二次流牽引作用下,在豎直管段進行無規則紊亂運動,不可避免地對豎直管壁產生一定的沖蝕磨損。

a)5 m/s

3.3 盲三通對比90°彎管的減磨特性分析

在砂粒粒徑為100 μm、砂粒質量流量為0.002 kg/s的條件下,研究不同流速對90°彎管和盲三通壁面最大沖蝕速率的影響。最大沖蝕速率與流速關系曲線見圖7。

圖7 最大沖蝕速率與流速關系曲線圖Fig.7 Relationship between maximum erosion rate and flow velocity

由圖7可看出,90°彎管和盲三通的壁面最大沖蝕速率隨流速的增大而逐漸增大。這是因為隨著流速的增大氣流的湍動能增加,使砂粒在單位時間內保持較大的動能轉化狀態,進而增強了對壁面的沖蝕強度。對比90°彎管,當流速處于5～10 m/s階段時,盲三通的減磨效果不太明顯,這歸因于流速較小時,大部分砂粒直接與盲三通壁面發生碰撞和與90°彎管的碰撞方式幾乎無差異。而流速從10 m/s提高到25 m/s時,由于盲三通的特殊內部結構,盲端存在氣流緩沖渦旋區,高速運動的砂粒在與盲三通壁面發生碰撞前須經過該緩沖段,這樣就會很大程度地緩解砂粒對盲三通壁面的沖擊。

最大沖蝕速率與砂粒粒徑關系曲線見圖8。

圖8 最大沖蝕速率與砂粒粒徑關系曲線圖Fig.8 Relationship between maximum erosion rate andsand particle size

由圖8可看出,保持流速為15 m/s、砂粒質量流量為0.002 kg/s不變的條件下,90°彎管和盲三通的壁面最大沖蝕速率隨砂粒粒徑的增加不斷增大,當砂粒粒徑較小時,盲三通與90°彎管的壁面受沖蝕強度幾乎相同,當砂粒粒徑從100 μm增加到200 μm時,盲三通對比90°彎管的壁面受沖蝕磨損程度明顯減小,之后壁面最大沖蝕速率隨砂粒粒徑的增大趨于平穩。產生此現象的原因是增大砂粒粒徑也就意味著單個砂粒的體積和質量都在變大,單個砂粒受到的慣性力變大,導致壁面受到的沖蝕強度增高。大粒徑砂粒更容易受到氣流渦旋的曳力影響,大粒徑砂粒的沖擊動能消耗過多,使盲三通的磨損程度遠遠小于90°彎管的磨損程度。當砂粒粒徑增大到一定尺寸時,大粒徑砂粒占據空間較大體積,砂粒與管壁的有效碰撞次數逐漸減少,因此,隨著砂粒粒徑的增加,壁面最大沖蝕速率的增長幅度逐漸降低。

在氣—固兩相流流速為15 m/s、砂粒粒徑為100 μm的條件下,90°彎管和盲三通壁面最大沖蝕速率與不同砂粒質量流量的變化關系曲線見圖9。隨著砂粒質量流量的遞增,兩種管道壁面最大沖蝕速率呈線性增長,盲三通的增長幅度要略小于90°彎管的增長幅度。這是因為砂粒質量流量的變化將會影響砂粒對壁面的沖擊頻率,隨著砂粒質量流量的增大,高頻率的砂粒不斷與90°彎管彎頭處壁面發生沖擊碰撞,受沖蝕磨損程度不斷加劇;由于盲三通的結構性，高頻次的沖擊容易使砂粒在盲端沉淀堆積,減少了后續砂粒在盲端處對管壁的直接碰撞，再考慮到氣流渦旋的緩沖效果,砂粒質量流量越大,盲三通相比90°彎管的減磨效果就越明顯。

圖9 最大沖蝕速率與砂粒質量流量關系曲線圖Fig.9 Relationship between maximum erosion rateand sand mass flow rate

4 結論

1)從90°彎管的流場變化分布發現,90°彎管的外側壁有最大壓力,速度較小,內側壁存在負壓,有速度最大值;90°彎管嚴重沖蝕磨損位置主要集中在彎頭外側壁中心線附近,內側壁、水平和豎直管段幾乎不發生與砂粒的碰撞。

2)盲三通壁面嚴重沖蝕磨損區域主要分布在靠近盲端的豎直管段壁面以及盲端圓壁,較高流速下,因二次流作用,砂粒也會對豎直管外壁產生沖蝕磨損;盲三通的特殊內部結構使氣流在盲段形成緩沖渦旋區,減緩了砂粒對壁面的沖擊。

3)隨著流速、砂粒粒徑和砂粒質量流量的增大,盲三通和90°彎管的壁面最大沖蝕速率都在不斷增加,流速、砂粒粒徑、砂粒質量流量的數值變化較小時,盲三通壁面最大沖蝕速率與90°彎管相差很小,數值變化越大,盲三通的抗沖蝕減磨效果表現就越顯著,所得結果對集輸站常規尺寸輸氣管道的安全運行具有一定的理論指導意義。