姜洪峰 高利平 楊 津

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

實際工程的天然氣在管道運輸中，天然氣會長期與管道內(nèi)壁接觸。由于運輸中的天然氣包含諸如水，H2S,CO2對鋼結(jié)構(gòu)的管道有腐蝕作用。同時在氣體運輸中，管道自身也會因溫度、運輸速度、壓力等實際因素，在管道內(nèi)壁發(fā)生腐蝕。管道經(jīng)過長期使用后，腐蝕性物質(zhì)在穿過腐蝕層后，會影響管道鋼結(jié)構(gòu)整體的性質(zhì)，使其自身強度降低，最終導致管道泄漏。因為管道腐蝕引起的泄漏，爆炸事故難以被發(fā)現(xiàn)也難以控制，會造成較大的人員和財產(chǎn)損失，所以對管道的安全性研究是很有必要的[1]。

一些學者[2-4]通過計算機模擬，研究了不同環(huán)境條件、多種影響因素的天然氣泄露情況的擴散規(guī)律。孫英杰等[5]研究了地下巖石環(huán)境中天然氣的擴散模型，同時研究了不同地層時，天然氣發(fā)生泄露時氣體的擴散規(guī)律。唐保金等[6,7]分析了天然氣的擴散機理，并結(jié)合泄露模型，分析了天然氣在巖土環(huán)境下的擴散規(guī)律。謝昱姝[8]研究了管道發(fā)生泄漏時，氣體的擴散性質(zhì)。晏玉婷等[9]對土壤建立了模型，使用FLUENT軟件模擬了氣體的擴散規(guī)律和土中濃度分布，也研究了泄露時的危險區(qū)域的范圍。

目前對管道泄漏的研究有很多，其中氣體的擴散研究多采用模擬方法。其模擬計算方法主要包括2種：一種是利用計算流體力學軟件[3，10，11]進行數(shù)值模擬；另一種是建立數(shù)學模型進行研究。本文選擇了第一種方法，使用FLUENT對既有腐蝕天然氣管道進行數(shù)值模擬研究。

1 天然氣管道內(nèi)壁腐蝕特征與腐蝕等級

1.1 天然氣管道內(nèi)壁腐蝕特征

天然氣管道在水蒸氣、H2S，CO2，氯離子等腐蝕性物質(zhì)的作用下，導致管道鋼材內(nèi)壁組織腐蝕脫落，內(nèi)壁變薄，鋼結(jié)構(gòu)強度降低，引起水蒸氣腐蝕、硫化氫腐蝕及應力腐蝕，使管道發(fā)生泄漏。天然氣管道內(nèi)壁腐蝕特征如圖1，圖2所示。

管道內(nèi)壁腐蝕的影響因素有腐蝕區(qū)域深度、腐蝕區(qū)域的縱向尺寸和環(huán)向尺寸。

1.2 天然氣管道內(nèi)壁腐蝕等級

對于天然氣管道腐蝕等級的評價并沒有明確的規(guī)范，本文采用SY/T 0087.1—2006鋼制管道及儲罐腐蝕評價標準+埋地鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕直接評價，確定出管道內(nèi)壁腐蝕評價表，如表1所示。

表1 管道腐蝕評價表

本次模擬，預設(shè)使用DN500鋼管，管壁厚度為3 cm，管壁平均腐蝕深度設(shè)為6 mm。建模設(shè)置中，腐蝕形式假設(shè)為環(huán)形腐蝕，深度、長度、寬度規(guī)格分別為6 mm，12 cm，12 cm。

2 數(shù)值模擬的影響因素

2.1 氣體流速

CJJ 63—2016聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)規(guī)程，允許氣體流速為5 m/s；目前我國開始大量使用天然氣，其雜質(zhì)含量減少很多，參考相應的天然氣使用較多的國外經(jīng)驗，本文將天然氣流速設(shè)為20 m/s。同時選取了14 m/s，16 m/s，18 m/s，20 m/s幾種氣體流速進行研究。

2.2 管道彎折半徑

參考GB 50028—2006城市燃氣設(shè)計規(guī)范，管內(nèi)壓力低于1.6 MPa的工程，制作管道的彎頭，曲率半徑可為1.5d，即為1.5×500 mm=750 mm。

2.3 管道直徑

本文選擇模擬了DN500～DN350之間的鋼結(jié)構(gòu)管道，這些管道的壁厚差距并不大，故模擬時設(shè)定的管壁厚度為30 mm。

4.高溫高濕是本病的一個重要誘因，因此，夏天霉雨季節(jié)(4～8月)應對10～15日齡雛雞進行藥物預防，以免暴發(fā)本病。

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

3.1 不同彎折度時的模擬研究

通過模擬，取值點設(shè)置為管壁底部的中點，管道彎折度由0°到90°，各個取值點對應壓強數(shù)值為8.68 Pa，22.10 Pa，24.63 Pa，27.41 Pa，28.82 Pa，由此得到關(guān)閉彎折度與抗壓強度值關(guān)系圖，如圖3所示。

由圖3可知：

1)隨著管道彎折度的增加，管壁中點處抗壓強度也會增加，彎折度為0°時抗壓強度最小。

2)隨著管道的彎折度增加，斜率趨于放緩，中間點壓強值增加的量在減少。

3)安全性方面，未經(jīng)彎折的管道更為安全。

3.2 不同運行速度時的模擬研究

通過模擬，得到不同運行速度下管壁腐蝕位置的壓強值，其中管道在運行速度為14 m/s，16 m/s，18 m/s，20 m/s時，其計算得到的壓強值分別是18.12 Pa，21.66 Pa，29.65 Pa，33.76 Pa，由此得到不同運行速度時的壓強值如圖4所示。

由圖4可知：

1)已發(fā)生腐蝕的管道，被腐蝕區(qū)域的壓強值最大。

3.3 不同管徑下的模擬研究

經(jīng)過模擬，分析管道的抗壓情況。管道直徑分別選擇DN350～DN500之間4種管徑，得到對應的壓強值分別為25.16 Pa，21.60 Pa，14.66 Pa，10.60 Pa，由此做出不同管道直徑下的壓強值如圖5所示。

由圖5可知：

1)氣體運行速度相同，管徑越大，管道腐蝕處的抗壓強度越小。

2)氣體運送速度相同時，管徑增加，管道整體安全性也會增加。

4 結(jié)語

本文使用FLUENT軟件數(shù)值模擬，對氣體運輸管道進行了模擬研究，得到了管道安全性方面的一些發(fā)現(xiàn)[13]。

1)對于有彎折度的管道，隨著彎折度增加，管道彎折處下部所受壓強也會逐漸增加，其安全性會降低。因此，選擇直線型管道安全性最好。

2)已發(fā)生腐蝕的管道，氣體運行速度的增加，會增大腐蝕位置所受的壓強。已腐蝕管道不適合繼續(xù)增加運行速度，因為其管道的安全性有所降低。

3)管道出現(xiàn)腐蝕情況后，當管徑增加，氣體的腐蝕性效果在減小?？梢哉f，選擇管道時，管徑越大，其使用過程中安全性就越好。