徐哲軼
(上海浦東機(jī)場(chǎng)航空油料有限公司,上海 300300)
輸油管道偶爾會(huì)攜帶固體污染物顆粒,顆粒撞擊管壁使表面材料變形或剝離的過(guò)程稱為沖蝕。除了管壁材料的物理?yè)p耗外,固體顆粒的沖蝕可能會(huì)損壞管道內(nèi)防腐涂層,去除內(nèi)表面的化學(xué)緩蝕劑,使管壁金屬材料暴露失去防護(hù),可能導(dǎo)致石油管道加速退化,為此付出的代價(jià)極高。管道沖蝕仿真對(duì)于設(shè)計(jì)、優(yōu)化和診斷來(lái)說(shuō)具有重要作用。
管道沖蝕已有一定研究。宋曉琴等采用CFD 仿真軟件模擬輸氣管道中90°彎頭沖蝕磨損失效問(wèn)題,研究了壓力、流速、顆粒大小等因素對(duì)結(jié)果的影響。許留云等采用Fluent對(duì)管道沖蝕情況進(jìn)行了仿真分析,研究發(fā)現(xiàn),在彎頭處設(shè)置流片,管道的沖蝕速率會(huì)降低,且導(dǎo)流片距離彎管內(nèi)側(cè)壁面為0.36D 時(shí)效果最好。曹學(xué)文等闡述了利用管流式試驗(yàn)裝置進(jìn)行固體顆粒對(duì)油氣管道的沖蝕試驗(yàn)的新方法。崔子梓等利用數(shù)值分析的方法研究了油氣管道中氣固和液固兩種情況下的沖蝕現(xiàn)象,分析了管徑、彎徑比、彎曲角度等因素與最大腐蝕速率的關(guān)系,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了進(jìn)一步研究固體雜質(zhì)對(duì)輸油管道彎頭的沖刷腐蝕問(wèn)題,本文采用三種不同的沖蝕模型,利用COMSOL 對(duì)含砂石油對(duì)管道彎頭的沖蝕磨損情況進(jìn)行分析。
彎頭模型由2 個(gè)直圓柱形管段組成,每個(gè)管段長(zhǎng)度為500mm,直徑為200mm,通過(guò)90°管道彎頭相連。忽略石油的可壓縮性。假設(shè)管道中固體雜質(zhì)的輸送速率為0.6kg/h,顆粒直徑均為0.17mm,屬性如表1 所示。
表1 粒子屬性
管道中的流體滿足動(dòng)量守恒方程和連續(xù)性方程。選用多相流混合物模型,其所滿足的磨損速率表達(dá)式如下所示:
式中,W 為體積磨損,m3;rp為粒子半徑,m;n 為速度指數(shù),其中n=2.54;up為粒子速度,m/s;ρp粒子密度,kg/m3; Rf為形狀因子;σ 為塑性流動(dòng)應(yīng)力,Pa;α 為沖擊角,r/min。
忽略模型常數(shù),得相對(duì)磨損率E:
使用Finnie、DNV 和E/CRC 三種不同的沖蝕模型計(jì)算管道彎頭表面的沖蝕磨損率,結(jié)果如圖1 所示。結(jié)果顯示在Finnie、DNV 兩種沖蝕模型下,其最大腐蝕速率均為2.5×10-8kg/(m2·s),兩種模式下腐蝕速率基本相同。E/CRC 模型下最大腐蝕速率均為1.2×10-8kg/(m2·s),約為Finnie、DNV 兩種沖蝕模型下的50%。
圖1 沖蝕磨損率
本文模擬分析了入口流速分別為1m/s、3m/s、5m/s 時(shí)含砂石油對(duì)管道彎頭的沖蝕磨損情況。不同流速下的模型中心截面的流線分布如圖2 所示,管道內(nèi)石油速度分布云圖如圖3 所示。
圖2 不同入口流速下流線分布圖
圖3 不同入口流速下流速分布圖
由圖2、3 可見(jiàn),流體在彎管45°附近處速度達(dá)到最大值,同時(shí)隨著石油進(jìn)入彎管時(shí)速度的增大,彎管中石油的最大速度值也隨之增大,且最大值均大于入口速度,最大流速與入口速度之差也越來(lái)越大。這是由于石油在管道中流動(dòng)時(shí)遇到彎管后石油的流向會(huì)突然改變,同時(shí)流動(dòng)的石油受到慣性力的影響,流速也會(huì)因此發(fā)生變化。
當(dāng)改變石油入口速度時(shí),彎頭壁面所受的應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化,如圖4 所示。
圖4 不同入口流速下壁面應(yīng)力分布圖
由圖4 可知,入口流速為1m/s、3m/s、5m/s 時(shí)彎管均在附近壁面剪切應(yīng)力達(dá)到最大值,這時(shí)因?yàn)楣艿乐械氖驮诹飨蜷_(kāi)始發(fā)生變化,所以此時(shí)流體對(duì)壁面作用力較大。隨著石油入口速度的增加,壁面的剪切應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系增加。
(1)Finnie、DNV 和E/CRC 三種不同的沖蝕模型的仿真模擬結(jié)果表明,磨損速率最快的均是直角拐彎處;
(2)模型中石油在彎管45°附近速度達(dá)到最大值,這個(gè)結(jié)果不受隨入口速度的影響。隨著管道中石油入口速度的增加,最大流速與流體入口速度之差越來(lái)越大;30°附近壁面剪切應(yīng)力最大,隨著流體速度的增加,壁面的剪切應(yīng)力也隨之呈指數(shù)關(guān)系增加。