基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀_鞠朋朋.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：鞠朋朋，柳英明，王长涛，等 基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀 科学技术与工程，（）：.，（）：.基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀鞠朋朋，柳英明，王长涛，张欢，王雪媛，何鑫（.海洋石油工程股份有限公司设计院，天津；.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京）摘 要 水下发球系统具有作业成本低、无需长时间停井的优势，应用前景广泛。发球管汇系统管道结构复杂，管道内流场变化规律不清，出砂现象严重，在发球过程中会出现高流速，易发生冲蚀。基于某水下发球管汇系统，应用计算流体力学（，）的方法进行流场计算及冲蚀分析。结果表明，管内流速分布不均，弯管与 形管区域存在偏流；气液两相分布较为均一，但在竖直管段存在积液。对比冲蚀模型的计算结果，发现 与 模型计算结果相对准确；颗粒冲蚀速率较大的位置主要分布在含液区域或气液界面处，且竖直管段的冲蚀速率比水平管段更大；当颗粒含量为 时，颗粒直径为 时，最大冲蚀速率为.；最大冲蚀速率随着砂颗粒含量的增大、含砂量的增大而增大；且随着砂粒直径的增大，冲蚀区域愈趋向集中。管内流速高，长时间运行时冲蚀现象严重，需加强关键冲蚀区域的防护措施，提高腐蚀裕量，以保障管汇系统的安全运行。关键词 计算流体力学；水下发球系统；多相流；流场分析；冲蚀分析中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家工信部高技术船舶科研项目（）第一作者：鞠朋朋（），男，汉族，山东东营人，高级工程师。研究方向：水下生产系统设计和管理。：。，（.，；.，），（），.，；随着油气资源需求的逐年增长，陆地石油资源储备不断被消耗，海洋是现阶段及未来油气勘探开发的主战场。海底油气集输管道系统作为连接水下生产系统与海上平台的中枢，面对海底复杂的地理环境，做好海底集输管道系统的流动安全保障至关重要。海底气田生产流体不仅含水、固体颗粒，也含有、成分，易对海底管道造成腐蚀，降低管道强度，严重威胁海底管道的输送安全。针对生产流体腐蚀性的问题，现阶段各气田主要采用内涂层、添加缓蚀剂的防护措施。但为保证防腐剂效率，需对海底管道进行定期清管，将管内水与固体杂质清出。水下发球系统具有作业成本低、可利用生产流体实现发球、无需长时间停井的优势。水下发球系统一般由驱动流体经发球管汇将清管球推动至主管，进一步由生产流体推动，完成清管作业。由投稿网址：于气田水下发球频率相对较低，为节省油气集输系统成本，水下发球系统管汇的管径相比与主管汇的管径更小。因此，在发球作业的过程中，水下发球管汇内生产流体的流速相对更高，而且发球管汇结构较为复杂，生产流体流速在管内分布不均，易出现局部湍流强度过大的现象。对于海底生产流体来说，出砂现象严重。由于生产流体含砂对管道造成的冲蚀坑，不仅对管道结构形成结构损伤，而且形成的点蚀坑破坏了缓蚀剂形成防腐层，加剧生产流体对管壁的电化学腐蚀速率，严重威胁发球管汇的安全运行。因此，针对管汇结构复杂、管内流速高的水下发球管汇系统，开展流动规律与冲蚀规律研究，对于发球管汇的安全评价体系以及流动安全保障的设计具有重要的指导意义。关于 管 道 冲 蚀 理 论 研 究，世 纪 年 代最早针对塑性材料提出并修正微切削理论，该模型认为固体颗粒撞击靶材并以切削的形式带走靶材质量，冲蚀速率与颗粒冲击速度的二次方成正比，与靶材的屈服强度成反比。等在以前学者的研究基础上考虑了颗粒直径、颗粒形状及靶材力学参数等，建立了冲蚀模型，考虑的参数较多，具有较好的适用性。塔尔萨大学的冲蚀 腐蚀研究中心在基于大量的冲蚀实验研究和流体动力学数值模拟结果，建立了 冲蚀预测模型，应用广泛。针对管道冲蚀的研究，众多学者采用管流式的、旋转式、射流式实验方法，以及计算流体力学（，）数值计算的方法开展冲蚀规律研究。冲蚀速率影响因素众多，包含管壁材质、流体物性、流体流速、砂颗粒尺寸、砂颗粒物理性质、多相流相分布等。采用管流式的实验方法与实际管道内流动具有物理相似性，冲蚀速率测量更为精确。等采用管流式实验转置，并应用了超声波检测进行冲蚀速率的评价，开展了水平管段塞流冲蚀的研究，发现最大冲蚀速率的位置出现在弯头 左右。曹学文等、彭文山等采用管流式冲蚀试验装置研究了含砂段塞流、泡状流条件下弯管的流动状态与冲蚀规律，当流型为段塞流时，冲蚀主要发生在弯管入口处，而当流型为分散泡状流时，冲蚀最严重区域出现在弯头出口靠近管底处，说明流型是影响颗粒冲蚀规律的关键因素之一。等采用数值模拟的方法，研究了纯气相弯管结构的冲蚀规律，发现在相同弯径比条件下，尺寸更小的砂颗粒造成的冲蚀比尺寸大的砂颗粒更为严重。等采用计算流体力学的方法研究了连续弯管中颗粒的冲蚀规律，发现颗粒撞击弯管并反弹，形成椭圆形冲蚀形貌。李睿等采用 方法对相同直径弯管和盲三通内的流场进行了数值计算，盲三通的最大冲蚀速率明显低于弯管，盲三通内存在的缓冲涡，可以阻止固体颗粒对壁面的直接撞击。丁矿等采用 方法，在流场计算的基础上，引入 冲蚀模型，对直角弯管的冲蚀磨损问题进行了研究，发现固体颗粒的空间分布特征依赖于流体流动特性，磨损最严重的位置发生在弯管转角处和下游管路的内侧壁面。采用计算流体力学方法研究多相流动冲蚀规律是行之有效的方法。现针对水下发球管汇系统特殊管道结构，在典型工况条件下，开展流场及冲蚀分析，研究压力、流速、相分布的特征，及不同砂颗粒尺寸、砂粒含量的影响。以期为水下发球管汇的设计及安全运行保障方案设计提供参考。数值计算方法.流动模型结合管流工况特征参数，采用应用广泛、收敛性较好的标准 双方程模型，进行流体湍流流动的模拟。多相流模型采用流体体积（，）模型，该模型是基于求解一组动量方程并跟踪整个计算域中每种流体的体积分数，可对气液界面进行稳态或瞬态跟踪。离散相模型采用粉尘释放模型（，），该模型应用欧拉法描述流体运动，采用拉格朗日法描述颗粒运动，颗粒的作用力平衡方程符合牛顿第二定律，即颗粒惯性等于作用在颗粒上的力，包含颗粒受到的曳力、重力、浮力、压力梯度力、流体剪切升力、颗粒自旋升力等。.冲蚀模型目前，针对多相冲蚀理论计算模型尚无深入研究，预测精度还有待提高。采用 种应用较为广泛的冲蚀模型进行预测，包括 冲蚀模型，冲蚀模型，通用（）冲蚀模型，（）冲蚀模型，对比不同模型的计算结果，以优选适合水下发球管汇系统在典型工况条件下的冲蚀速率预测模型。计算模型.物理模型与网格划分水下发球管汇系统包含外径为.、壁厚为.的主管汇，外径为.、壁厚为.的乙二醇（）注入管与发球筒前端管汇组成的支管汇，如图 所示。发球流程为：发球准备阶段，关停部分井口，将生产气体流量降低至 万，其中，表示标准立方米每天，是指在科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 水下发球管汇系统管道结构及网格划分结果.、个标准大气压下每天的标准气体体积，流经主汇管流向外径为.、壁厚为.的海底集输管道；发球阶段，将、阀门打开，阀门关闭，生产流体从主管汇，经支管汇，将清管球从清管球筒中推出；推球结束后，打开 阀门，关闭、阀门，向支管汇内注入，置换支管汇内残余的生产流体，防止管道腐蚀。基于管道结构，对物理模型中的阀门结构进行了简化处理，采用 对管道结构进行网格划分，网格类型为多面体核心与六面体混合网格，如图 所示，共划分 层边界层，网格数量为 ，最大偏斜度为.。.边界条件采用气、油、水、作为连续相，砂颗粒固体作为分散相，各相物性参数如表 所示。采用标准湍流模型，近壁面区域采用标准壁面函数处理，采用 模型进行相界面的捕捉。入口边界条件设置为速度入口.、出口边界条件设置为压力出口.。物性参数如表 所示。表 油气水及 物性参数 ，介质密度（）黏度（）表面张力（）流量分配 产量气.油.水.对于离散相，将砂粒的形状设置成球形，密度为 ，砂粒直径为 ，含砂量 弯管入口和出口设置为逃逸边界，壁面边界条件采用弹性反射，砂粒在撞击管壁时会损失能量、速度减小，反弹后的速度由恢复系数确定，选用砂铁的反弹系数，公式如下。法向：.（）切向：.（）式中：为冲击角，。.初始化将发球筒前端管汇，支管汇内全部填充，在水下发球管汇系统内的分布情况如图 所示，基于此，开展流场瞬态计算。图 初始化后水下发球管汇系统 分布情况.，（）鞠朋朋，等：基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀投稿网址：结果与讨论.流场分析.流速分布水下发球管汇系统管内流速分布如图 所示，由于管汇系统结构含多个弯头，且存在变径三通，管内流速分布不均匀，流速差别大，局部区域存在偏流。主管汇内流速相对较低，最大流速在 左右，出现在弯头、变径三通处，且主管汇盲端处存在二次流，流速基本为。支管汇内流速较高，且局部流速分布梯度较大，管内流速分布不均匀现象主要出现在、弯管处，以及 形管处，最大流速可达.。管内流速过高、流速分布不均对管道的运行安全将构成威胁，一方面，管道流体对管道内壁的冲刷会加速缓蚀涂层的剥离，另一方面，固体颗粒由于流速分布不均而改变固体颗粒运动轨迹，撞击管道内壁的几率显著增大，极易对管道内壁造成冲蚀，致使管道结构出现物理损伤，并加快电化学腐蚀。流速是影响颗粒冲蚀速率的关键参数之一，流速的增大，会使得冲蚀速率显著提高，而针对水下发球管汇系统，最大冲蚀区域将主要出现在上述流速大、流速分布不均匀的区域，主要在弯管、三通处。.相分布生产流体由主管汇流入支管汇内，将 从水下发球管汇系统推入发球筒，实现发球，整个发球流程将持续 ，最终管内气液两相分布如图 所示，管内气相为连续相，由于重力及湍流的影响，图 发球管汇系统流速分布情况.图 发球管汇系统气液分布情况.科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 水下发球管汇系统弯管处截面流速及气液分布情况.在连续弯管管壁处，出现了液体的聚集，将对颗粒在管内的轨迹产生影响，从而影响冲蚀速率。同时，也发现在发球筒前端管汇处存在充满 的盲端，生产流体与 之间的置换达到一个相对平衡的状态。.截面分布颗粒冲蚀速率以及冲蚀区域分布的关键影响因素不仅包括速度，气液两相分布对颗粒冲蚀区域的影响程度也较大。为明确弯管处流速分布、气液两相分布情况，提取 位置处管道截面的速度分布及气液分布，如图 所示。与 位置处流速较低，但弯管弯内处流速相比弯管弯外处较大，且呈梯度分布，最大流速为.左右；由于入口液相含量较低，该截面处全区域充满气相。管内径由.转变至.，位置处流速较大，最大流速可达 左右，呈梯度分布，由于 的存在使得液相含量增大，且流体经变径三通后流线波动较大，管内气液分布呈现三角形分布，但分布较为均匀。流体流经下一个弯管时，流线改变，在管道截面右下角处存在一定积液，再经过 处时，管道积液主要分布在下部，且截面流速存在一定程度的增大，最大速度达.左右，是冲蚀的风险位点。经过 位置后，管道走向为竖直，这类结构在液相含量高时易出现“段塞流”，但该工况下的含液率相对较小，在向上流动的气相携液作用下，截面左上角存在一定的液相分布。在竖直管段上部 处，由于弯管的作用，液体被携带分布在管道截面的右中部。再经过 型管后，液体流速进一步增大，携液能力得到提高，、位置处的液相集中分布在气相内，即使存在液体的聚集，也并未沉积在管道底部。.冲蚀分析.模型的影响不同的冲蚀模型是基于不同的实验条件而建立起来的，各个模型的冲蚀机理也有差异，考虑冲蚀影响因素不一，因此计算出的冲蚀速率存在差，（）鞠朋朋，等：基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀投稿网址：异。分别采用、冲蚀模型计算含砂量为 、砂粒直径为 条件下水下发球管汇系统的最大冲蚀速率，如图 所示。从结果可以看出，模型与 模型计算的结果较大，而 与 模型计算结果相对来说比较近似。结合各个模型采用的冲蚀理论及基于的冲蚀实验条件，的微切削理论，参看文献，仅适用于冲击角度较小的情况，对大冲击角度的冲蚀速率计算不准确，而且模型中考虑了多角形颗粒的冲蚀模拟，冲蚀速率计算结果大；冲蚀模型考虑因素较多，模型综合性较好，但其对冲蚀速率的计算存在过度预测，参看文献；该工况体系下气相为主相，而 模型是基于于空气驱动砂粒侵蚀碳钢实验，较为相符。模型属于通用模型，适用性广，结果亦可作为参考。尽管各个模型冲蚀速率计算结果存在差异，但冲蚀区域的分布以及冲蚀规律基本一致，对于分析水下发球管汇系统的冲蚀情况都具有参考性。图 不同冲蚀模型的最大冲蚀速率.冲蚀发生的位置及最大冲蚀速率该工况（含砂量 ，砂粒直径）下，基于 模型计算得到的最大冲蚀速率 为.（），年 冲 蚀 量 为.。冲蚀区域主要分布在、位置，最大冲蚀速率发生在 位置，如图 所示。结合管汇内相分布结果，发现冲蚀速率较大的位置均为含液区域或气液界面处，与曹学文等对垂直朝向弯管中含固体颗粒的段塞流、泡状流冲蚀进行的研究发现类似，固体颗粒主要位于段塞体（分布系数约为.）及液膜中，不仅是因为液相密度高，对颗粒的载流能力更强，而且在弯管截面处，由于流速分布不均，固体颗粒在速度梯度的作用下迁移至管壁处分布的液相。另一方面，竖直管段的冲蚀速率比水平管段的冲蚀速率更大，与图 水下发球管汇系统局部冲蚀区域.赵睿杰等研究结果类似，重力在弯管磨损预测中起重要作用，若重力与颗粒的运动方向相同，则这些颗粒会被重力加速并且以更高的速度与弯头碰撞，造成较大的磨损。.砂颗粒尺寸的影响含砂量一定时，基于 模型计算不同砂粒直径时的最大冲蚀速率如图 所示。在含砂量一定的条件下，水下管汇系统最大冲蚀速率随着砂颗粒直径的增大而增大，含砂量越大，最大冲蚀速率增幅越明显。当颗粒质量流量为 时，颗 粒 直 径 为 时，最 大 冲 蚀 速 率 为.，说明砂颗粒对管道的冲蚀比较严重，若发球管汇系统长时间运行，存在管道失效的风险。同时，颗粒冲蚀形成的点蚀坑对电化学腐蚀的加速作用会降低管道的结构安全，因此需加强关键冲蚀科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 含砂量一定时，不同砂粒直径时的最大冲蚀速率.区域的防护措施，提高腐蚀裕量。.砂颗粒含量影响颗粒直径一定时，基于 模型计最大冲蚀速率随含砂量的变化趋势如图 所示。在颗粒直径一定的条件下，水下管汇系统最大冲蚀速率随着砂颗粒含量的增大而增大，颗粒直径越大，最大冲蚀速率增幅越明显。颗粒直径为 条件下，当含砂量从 增大至 ，最大冲蚀速率由.增大至.。图 颗粒直径一定时，最大冲蚀速率随含砂量的变化趋势.冲蚀区域影响对比不同砂粒直径、含砂量条件下的冲蚀结果，发现颗粒直径对冲蚀区域的影响非常显著。在同一含砂量条件下，随着砂粒直径的增大，最大冲蚀速率逐步增大，而冲蚀区域愈趋向集中，如图 所示。砂粒尺寸越小，其质量就越小，自身所受重力更小，流体携带小粒径砂粒相对更为容易，使得图 不同砂粒直径下的冲蚀区域分布情况.砂粒冲蚀影响范围更为分散，反之亦然。结论（）由于水下发球管汇系统管道结构复杂，存在变径、弯头、竖直管段，管内流速分布不均匀，在弯管与 形管局部区域存在偏流；支管汇流速可达 ，生产流体对管道的冲刷作用明显，携带颗粒能力强。（）气田产液量相对较小，大部分管段管内气液两相分布较为均一，但在竖直弯管处由于重力的作用形成类似“段塞流”的流型，存在部分积液。（）对比 个冲蚀模型的计算结果，发现 与 模型冲蚀速率计算结果相对偏大，与 模型计算结果相对合理。由于液相携带颗粒能力较强，颗粒冲蚀速率较大的位置主要分布在含，（）鞠朋朋，等：基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀投稿网址：液区域或气液界面处。且由于重力的加速作用，竖直管段的冲蚀速率比水平管段的冲蚀速率更大。（）当颗粒含量为 ，颗粒直径为 时，最大冲蚀速率为.；最大冲蚀速率随着砂颗粒含量的增大、含砂量的增大而增大；且随着砂粒直径的增大，冲蚀区域愈趋向集中。（）由于管内流速较高，砂颗粒对管道的冲蚀比较严重，若发球管汇系统长时间运行，存在管道失效的风险。同时，颗粒冲蚀形成的点蚀坑对电化学腐蚀的加速作用会降低管道的结构安全，需加强关键冲蚀区域（弯管、竖直管段）的防护措施，提高腐蚀裕量，以保障管汇系统的安全运行。参考文献 朱梦影，程涛，孔冰，等 海底油气管道流动保障技术研究进展 当代化工，（）：，（）：，陈荣旗，雷震名 中国海底管道工程技术发展与展望 油气储运，（）：，（）：李晨泓，仲华，魏然，等 缓蚀剂 在模拟丽水 海底管道内部工况下的缓蚀性能 腐蚀与防护，（）：，（）：余晓毅，常炜，胡丽华，等 海底管道腐蚀产物对缓蚀剂效率的影响 表面技术，（）：，（）：王文龙，周声结，李大全，等 崖城 气田水下管汇设计创新技术 中国海上油气，（）：，（）：贾旭，常炜，黄俊，等 南海某海底管道腐蚀原因分析 全面腐蚀控制，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：曹学文，樊茵，李星標，等 段塞流下携砂水平弯管的冲蚀试验 腐蚀与防护，（）：，（）：彭文山，邢少华，曹学文，等 水平弯管含砂分散泡状流冲蚀机理分析 表面技术，（）：，（）：，：，：崔璐，康文泉，吴鹏，等 多相高速流动环境中 不锈钢冲刷腐蚀特性 西安石油大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，陶文杰，李美求，邢丽丽，等 固液冲蚀作用下的四通流道设计及分析 科学技术与工程，（）：，（）：刘洪亮，李美求，潘力，等 压裂工况下 形三通冲蚀影响数值模拟 科学技术与工程，（）：，（）：，：，（）：李睿，孙治谦，刘志博，等 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