劉 俊,陳彰兵,李朝陽(yáng)
(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 西南分公司,四川 成都610041)
天然氣采取管道運(yùn)輸,具有受外界影響小、安全密封、穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。持續(xù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)保要求使天然氣等清潔能源的需求逐年上升,因此天然氣管道事業(yè)獲得了快速的發(fā)展[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)現(xiàn)有管道經(jīng)多年的沖刷以及內(nèi)外腐蝕后,在關(guān)鍵部位如大小頭處存在一定的安全隱患,嚴(yán)重影響了輸油管道的安全運(yùn)行[5-9]。
由腐蝕等原因引起管道泄漏,不僅造成大量能源的流失還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染,對(duì)社會(huì)安全和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在危害[10-11]。本文利用CFD軟件,得到了大小頭管內(nèi)流場(chǎng)、壓力分布云圖,為大小頭內(nèi)防腐及管道安全運(yùn)行和維修提供了一定的理論依據(jù)。
本文選取某輸氣管道大頭段長(zhǎng)3 m管徑100 mm,小頭段長(zhǎng)5 m管徑150 mm,過(guò)度段長(zhǎng)0.2 m。天然氣流速10 m/s,含水率10%。采用三維模型,重力沿X軸負(fù)方向,大小頭物理模型如圖1。利用分區(qū)劃分技術(shù)對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行四面體和六面體網(wǎng)格劃分,所得網(wǎng)格圖如圖2所示。
圖1 物理模型
圖2 網(wǎng)格劃分
由于天然氣中的水分分布范圍較窄,為了獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),選用歐拉模型。
體積分?jǐn)?shù)方程
式中 αq——第q相的體積分?jǐn)?shù);
ρq——第q相的物理密度。
質(zhì)量守恒方程
式中vq——第q相的速度;
式中 μq和λq——第q相的剪切和體積粘度;
p——所有相之間共享的壓力;
連續(xù)方程
由于采用三維管道試圖,內(nèi)部流體流動(dòng)情況不易區(qū)分,本文沿垂直于X軸截取X=0,X=±0.04,X=±0.08五個(gè)截面。分別獲得各個(gè)截面流場(chǎng)情況,然后進(jìn)行對(duì)比分析。
圖3為各截面速度分布圖。由Y=0截面可知,速度等值線在進(jìn)口段分布較稀疏,速度為20 m/s;在變徑處存在環(huán)狀速度分布線,速度由20 m/s增加到40 m/s;氣體通過(guò)變徑段進(jìn)入小管后,速度增加,靠近管壁速度由55 m/s降低至35 m/s。
圖3 各切面速度分布圖
對(duì)比Y=0.08、Y=-0.08與Y=0.04、Y=-0.04兩個(gè)截面速度幾乎沒有什么變化,由此可知對(duì)稱位置速度變化不大。
對(duì)比Y=0、Y=0.04、Y=0.08可知截面位置越靠上速度變化越大,同一速度等值線向內(nèi)收縮。
圖4為各截面水相分布云圖。對(duì)比Y=0.08、Y=-0.08與Y=0.04、Y=-0.04可知同一對(duì)稱面含水量幾乎相同。對(duì)比Y=0、Y=0.04、Y=0.08含水量在小管段靠近壁面先減小后增大。
圖4 水相分布圖
由于流體在均勻管道內(nèi)流動(dòng)剪切應(yīng)力變化不大,而在變徑處有較大變化,本文僅研究變徑處壁面剪切應(yīng)力變化。
圖5給出了變徑處壁面剪切應(yīng)力分布云圖。由圖可知大管段入口處近似不存在剪切應(yīng)力;在變徑處剪切應(yīng)力等值線變密,呈逐漸增大趨勢(shì);小管段入口處逐漸變大,而后有減小的趨勢(shì)。
圖5 變徑處壁面剪切應(yīng)力分布
由于管道內(nèi)具有流體流動(dòng)較規(guī)則,在研究速度矢量時(shí),僅給出Y=0截面的局部速度。
由圖6可知,變徑處速度逐漸增加,再與小管接口對(duì)管壁沖蝕作用較大。為降低由于沖刷腐蝕對(duì)管道安全的危害,需要在變徑處采用耐腐蝕鋼材或適當(dāng)增加壁厚。
圖6 速度矢量分布圖
(1)速度等值線在進(jìn)口段分布較稀疏,對(duì)稱位置速度變化不大,截面位置越靠上速度變化越大,同一速度等值線向內(nèi)收縮。
(2)同一對(duì)稱面含水量幾乎相同,含水量在小管段靠近壁面先減小后增大。
(3)大管段入口處近似不存在剪切應(yīng)力;變徑處剪切應(yīng)力等值線變密,呈逐漸增大趨勢(shì);小管段入口處逐漸變大,而后有減小的趨勢(shì)。
(4)變徑處流體沖刷作用較大,需采用耐腐蝕鋼材或適當(dāng)增加壁厚。
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