談文虎 趙朝文 文代龍 張維臣 胡 錦 孔 云

1.中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦，重慶 400021；3.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油 621700

0 前言

近年來，隨著國內(nèi)天然氣氣田的不斷開發(fā)，高壓高酸性氣田不斷增多。由于高壓高酸性天然氣介質(zhì)對管材、管件壁厚及腐蝕余量的特殊要求，標(biāo)準(zhǔn)管件［1］已經(jīng)不能滿足其開發(fā)要求。同時，采用進口管件［2］將大大增加開發(fā)成本。因此，部分設(shè)計單位提出選用適當(dāng)材料的鍛件制作非標(biāo)管件的設(shè)計思路，并將此種非標(biāo)管件成功地應(yīng)用于國內(nèi)各酸性氣田中，為氣田開發(fā)帶來良好的經(jīng)濟效益。

鍛制彎頭作為最基本的鍛制管件，與標(biāo)準(zhǔn)彎頭相比，不管外形還是內(nèi)部流道都有較大差異。鍛制彎頭的設(shè)計除需著重滿足承壓外，還要求加工方便，制造成本低。但鍛制彎頭加工出來的流道對介質(zhì)流動產(chǎn)生的影響鮮有報道。

1 鍛制彎頭的設(shè)計

鍛制彎頭采用鍛件，經(jīng)刨、車、銑三道主要工序制造而成，故基體呈現(xiàn)立方體結(jié)構(gòu)，見圖1-a）。流道轉(zhuǎn)彎處的封頭端是整個鍛制彎頭承壓相對薄弱的位置。因此鍛制彎頭設(shè)計的要點在于保證流道封頭端的承壓能力。通過此種方法設(shè)計出的鍛制彎頭流道內(nèi)側(cè)端厚度較大，具有足夠的承壓能力。

封頭厚度按一體式圓形平蓋計算，公式［3］為：

式中：δP為封頭計算厚度，mm；Dc為封頭計算直徑，mm；Pc為計算壓力，MPa；K 為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，取 0.27； ［σ］t為設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，取1.0。

封頭計算直徑Dc應(yīng)為鍛制彎頭對應(yīng)管材內(nèi)徑Di與2倍腐蝕余量C之和，即應(yīng)考慮腐蝕后封頭的承壓安全。

計算所得的封頭厚度δp，加上腐蝕余量C，再經(jīng)過取整，即可得到鍛制彎頭封頭的名義厚度δ（mm）。最后結(jié)合銑刀的錐孔高度和接管大小，得出鍛制彎頭立方體的邊長L（mm），最終設(shè)計出符合要求的鍛制彎頭。

以新疆某氣田地面建設(shè)工程中的鍛制彎頭設(shè)計為例。鍛制彎頭的接管材質(zhì)為L245NCS，規(guī)格Φ60.3×6.3，設(shè)計壓力10MPa，設(shè)計溫度Tc100℃，設(shè)計腐蝕余量為3 mm。鍛制彎頭設(shè)計結(jié)果見表1。

表1 10.0MPa DN 50鍛制彎頭設(shè)計結(jié)果

由于鍛制彎頭設(shè)計、制造的特殊性，使得內(nèi)部流道與標(biāo)準(zhǔn)彎頭有較大差異。下面通過CFD商業(yè)軟件對鍛制彎頭內(nèi)部流體流場分布情況，以及流體流動對鍛制彎頭產(chǎn)生的影響進行分析。

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

首先從鍛制彎頭模型中提取流體流道模型，見圖2-a）。再利用CFD的前處理軟件對模型進行網(wǎng)格劃分。

由于此模型兩端圓柱體結(jié)構(gòu)規(guī)則，交匯處的模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此模型的網(wǎng)格劃分可分為兩部分處理。兩端的圓柱體部分采用計算特性較好的六面體結(jié)構(gòu)，而交匯部分，為了適應(yīng)模型結(jié)構(gòu)的變化，則采用四面體結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)流態(tài)變化，在流體轉(zhuǎn)彎處采用較細的網(wǎng)格，而流態(tài)變化小的圓柱體區(qū)采用較粗的網(wǎng)格，見圖2-b）。此模型劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為17萬個。

圖2 鍛制彎頭流道網(wǎng)格劃分

以7.0MPa、40℃的天然氣以7m/s的流速流經(jīng)彎頭為例對鍛制彎頭內(nèi)部流場進行分析。根據(jù)鍛制彎頭流道結(jié)構(gòu)，可分為兩種流通方式：

流通方式Ⅰ：天然氣從圖1-b）的端口A進入，從端口B流出；

流通方式Ⅱ：天然氣從圖1-b）的端口B進入，從端口A流出。

邊界條件設(shè)置：入口端設(shè)置為速度入口，溫度40℃，流速7m/s；出口端設(shè)置為自由出流；其余設(shè)置為絕熱固壁。因此流動過程中，不考慮傳熱對流場的影響。根據(jù)工藝計算軟件HYSYS可以算出天然氣在7.0MPa、40℃工況下的所有物性參數(shù)，其中流場計算所需的主要物性參數(shù)見表2。

表2 天然氣在7.0MPa、40℃的物性參數(shù)

3 數(shù)值模型

由于本算例為單介質(zhì)流動，流動過程僅為物理過程，因此數(shù)值模型中不考慮組分守恒方程和化學(xué)守恒方程。質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程［4］分別如下：

其中

整個流動過程中不存在源項，Sm=0。

流動過程中不存在外部體積力，F(xiàn)i=0。

流體密度較小，流經(jīng)鍛制彎頭時間較短，因此不考慮重力作用，ρgi=0。

能量方程：

其中

湍流方程選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程：

本模型的解法器采用基于密度的耦合解法器，方程采用Roe-FDS矢通量分裂法求解。

4 計算結(jié)果

4.1 流動跡線

圖3為流動跡線圖，流通方式Ⅰ和流通方式Ⅱ在下游都會出現(xiàn)內(nèi)側(cè)的低壓旋渦，越靠近轉(zhuǎn)彎處，旋渦強度越大?？梢?，鍛制彎頭內(nèi)流動旋渦的存在，將造成部分壓力損失。通過計算進出口總壓的面積平均值，得出兩種流通方式的總壓損失見表3。

表3 兩種流通方式下的總壓損失

4.2 壓力波動

圖4為z=0中剖面上流場的總壓分布。圖4中，流場在流動轉(zhuǎn)彎后的內(nèi)側(cè)形成明顯的低壓區(qū)。彎頭轉(zhuǎn)彎處流場發(fā)生突變，壓力出現(xiàn)波動，產(chǎn)生一定的沖擊；同時彎頭下游處存在較明顯的渦流現(xiàn)象，見圖3。在有腐蝕性介質(zhì)存在的條件下，壓力波動與流動旋渦都將鍛制彎頭的腐蝕產(chǎn)生一定的影響［5］。

圖4 z=0中剖面上總壓分布圖

4.3 速度分布及壁面剪切

圖5為z=0中剖面上流場的速度分布。圖5中，流場在流動轉(zhuǎn)彎后的外側(cè)形成明顯的沖刷區(qū)。流通方式Ⅰ的高速流動核心區(qū)離壁面1還有一定的距離，而流通方式Ⅱ的高速流動核心區(qū)則完全附著于壁面2上。壁面1和2的壁面剪切應(yīng)力分別見圖6、7?？梢钥闯?，壁面1的剪切應(yīng)力在流道拐轉(zhuǎn)的根部最大，約14 Pa，隨著位置的遠離，應(yīng)力逐漸減??；壁面2的剪切應(yīng)力先增大再減小，最大值約16 Pa。值得注意的是，壁面2的剪切應(yīng)力在中部存在跳躍增大位置，這是由于高速氣流集中沖刷壁面造成的，而此類沖刷也是造成材料加速腐蝕的重要因素之一［6］。

5 結(jié)論

從以上模擬結(jié)果可得：

a）鍛制彎頭內(nèi)有流動旋渦產(chǎn)生，導(dǎo)致壓力能損失。流通方式Ⅰ的壓力能損失大于流通方式Ⅱ。

b）鍛制彎頭內(nèi)流場在轉(zhuǎn)彎后的內(nèi)側(cè)形成壓力波動與流動旋渦。在有腐蝕性介質(zhì)存在的條件下，壓力波動與流動旋渦都將對鍛制彎頭的腐蝕產(chǎn)生一定的影響。

c）鍛制彎頭內(nèi)流場在轉(zhuǎn)彎后的外側(cè)形成沖刷區(qū)。流通方式Ⅱ的沖刷對材料腐蝕的影響大于流通方式Ⅰ。

綜上，鍛制彎頭焊接時對流通方式的選擇應(yīng)根據(jù)工況條件決定。對于強腐蝕工況，推薦采用流通方式Ⅰ，通過錐形端靜止介質(zhì)的緩沖，減小下游壁面的沖刷腐蝕，從而增加鍛制彎頭的安全性和使用壽命。

［1］GB/T 12459-2005，鋼制對焊無縫管材［S］.GB/T 12459-2005，SteelButtW elding Seam lessPipes［S］.

［2］張有渝，成一宇.站場用管件的設(shè)計與制造［J］.天然氣與石油，2005，23（4）：44-46.Zhang Youyu，Cheng Yiyu.Design and Manufacture of Fittings Used in Stations［J］.NaturalGasand O il，2005，23（4）：44-46.

［3］GB 150-1998，鋼制壓力容器［S］.GB 150-1998，SteelPressure Vessels［S］.

［4］韓占忠，王 敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.14-15.Han Zhanzhong，W ang Jing，Lan Xiaoping.FLUENT Fluid Engineering Simulation Calculation Exampleand itsApplication［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2004.14-15.

［5］范志剛，李翠楠，王 燕，等.流速對天然氣輸氣管道腐蝕的影響規(guī)律研究［J］.鉆采工藝，2010，33（2）：33-35.Fan Zhigang，Li Cuinan，W ang Yan，et al.Study on Effects of Flow Velocity on NaturalGasPipeline Corrosion ［J］.Drilling&Production Technology，2010，33（2）：33-35.

［6］鄭玉貴，姚治銘.流體力學(xué)因素對沖刷腐蝕的影響機制［J］.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2000，12（1）：36-40.Zheng Yugui，Yao Zhim ing.Fluid Mechanics Factors on the Corrosion Mechanism of the Effect of Erosion ［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2000，12（1）：36-40.