基于气-固双向耦合的输气管道最大冲蚀角度预测

弯管作为气田集输管道输送系统中的常用组件,极易受到固体颗粒对管壁的冲蚀破坏。为了研究输气管道的冲蚀规律、 预测弯管最大冲蚀位置,采用Eulerian-Lagrangian 方法计算了管内气、固两相的流动情况,在Eulerian 坐标系下求解气体连续相 流场,在Lagrangian 坐标系下求解颗粒离散相运动轨迹,利用Erosion/Corrosion Research Center（E/CRC）冲蚀模型以及Grant 和 Tabakoff 颗粒-壁面碰撞模型计算管壁冲蚀速率。数值计算过程中考虑了气、固两相之间的双向耦合作用,利用多种模型研究了在 不同弯径比及颗粒直径影响下的弯管冲蚀规律、颗粒运动轨迹及弯管最大冲蚀角度,并提出最大冲蚀位置预测方程。研究结果表明： ①固体颗粒对弯管的冲蚀存在着临界直径,在颗粒临界直径前后的冲蚀规律明显不同;②固体颗粒直接碰撞和滑动碰撞共同作用导 致弯管出现不同的冲蚀形貌,并影响最大冲蚀速率的出现位置;③根据临界颗粒直径以及管道中颗粒运动轨迹提出的冲蚀最严重位 置预测方程能很好地预测弯头处最大冲蚀角度,可以为输气管道冲蚀预测提供参考。     

天然气携砂在90°弯管中的冲蚀磨损数值分析

针对天然气携砂弯管冲蚀问题,利用Fluent流体仿真软件进行气-固双相耦合,选用标准k-epsilon湍流模型、E/CRC冲蚀模型对固体颗粒的流场分布、冲蚀速率及冲蚀位置进行模拟,并针对4种不同重力场的流动特性进行分析。结果表明:颗粒质量流量较小时,冲蚀速率随流速呈线性变化,颗粒质量流量较大时,冲蚀速率随流速呈指数变化;冲蚀速率随颗粒直径的增大,呈现先增大后保持平稳趋势;最大冲蚀位置随流速的增加向后移动,随颗粒直径的增大略微向前移动;与重力方向相同的入口或出口位置,冲蚀较严重,和重力方向相同且二次流经过的位置,冲蚀现象最为严重。以上研究结果可为预防管道冲蚀提供理论依据和实际参考。     

液固两相流对活动弯头的冲蚀研究

为了探究流体在输送中对活动弯头的冲蚀规律,以76. 2 mm (3 in) 10型长半径活动弯头为研究对象,建立了该型号活动弯头的物理模型。利用Fluent软件进行仿真分析,分别针对活动弯头的安装角度、流体进口速度、固体颗粒质量流量及固体颗粒直径等因素进行了数值模拟。研究结果表明:流体对活动弯头的冲蚀速率随着安装角度的增加呈现出先增大后减小的变化规律,并且在安装角度为3π/8时冲蚀速率达到最大值;随着流体进口速度的增大,其对活动弯头的冲蚀速率逐渐增大,其增长速率也逐渐增大;冲蚀速率与固体颗粒质量流量呈线性正相关关系;当固体颗粒直径增大时,冲蚀速率呈现出先减小后增大的变化规律,在颗粒直径为150μm时达到最小值,在颗粒直径大于500μm时,冲蚀速率的增长趋于平缓。研究结果可为活动弯头的进一步优化设计提供参考。     

平椭圆弯管冲蚀磨损数值模拟

为了研究天然气运输过程中含砂气体对弯管的冲蚀磨损特性并提高弯管的耐磨性,在充分分析圆管流体冲蚀特性的基础上提出了平椭圆管道。利用气固两相流冲蚀方程对平椭圆管道弯头进行冲蚀磨损分析,研究了不同长宽比的平椭圆管道的冲蚀速率和冲蚀区域形状,从中优选出合适的长宽比,并分析了不同质量流量、不同粒子直径及不同气体流速等工况下粒子对管道冲蚀的影响。分析结果表明:相比于普通圆管,平椭圆管能明显降低最大冲蚀速率,随着平椭圆管长宽比的增大,最大冲蚀速率逐渐下降;当长宽比达到1.4后,最大冲蚀速率下降的速度明显降低,因此认为平椭圆管最适宜的长宽比为1.4,此时最大冲蚀速率下降了21.9%;当粒子直径增大时,平椭圆管弯头处的最大冲蚀速率先升高、后降低、再升高,冲蚀区域基本保持不变。所得结论可为平椭圆弯管抗冲蚀措施的制定提供参考。     

基于FLUENT的输油管道弯头冲蚀模拟分析与防控措施研究

针对输油管道弯头冲蚀失效的问题,依据现场实际工况,利用FLUENT模拟软件建立相应的物理模型,再将模型应用到输油管道弯头的固液两相流冲蚀规律研究中.数值模拟结果表明:随着集输压力和颗粒直径的增大,弯头的冲蚀率逐渐减小;随着进口流速的增加,弯头的冲蚀率逐渐增大.通过对输油管道弯头冲蚀规律的研究,在管道弯头运行过程中采取相...     

S32205不锈钢弯管在气固两相流下的冲蚀模拟研究

页岩气开发时,其高压气流携带颗粒对传输管线弯头的冲蚀给页岩气的安全集输带来严重威胁。为了页岩气管道安全,使用CFD-DPM模型,选取砂配比、流速及压力等因素进行正交实验,研究了S32205双相不锈钢材质的90°弯管在气固两相流环境中的冲蚀情况,分析了弯头部分的流场变化。结果表明：S32205不锈钢的最大冲蚀率为5.30×10^-3mm/a,最小冲蚀率为3.87×10^-4mm/a;在多项参数中,流速对弯管的冲蚀影响较大,砂配比次之,压力对弯管的冲蚀影响最小;流场分析结果可知,气流在弯头外侧压力较高、流速较低,在弯头内侧流速较高、压力较低。     

天然气携砂气固两相流在弯管处冲蚀磨损分析

为了研究固体颗粒参数及弯管结构参数变化条件下弯管的冲蚀规律及最大冲蚀位置,基于CFD软件Fluent对弯管进行了网格无关性分析和入口段长度分析来确定最佳分析模型,选用Oka冲蚀模型和Forder壁面恢复模型计算弯管冲蚀,研究了颗粒直径和管径比对弯管最大冲蚀位置的影响。分析结果表明:颗粒速度对冲蚀速率的影响较大,二者呈指数关系,冲蚀速率随质量流量的增加比较均匀,当颗粒直径达到一定大小后,冲蚀速率增加较慢;管道直径和管径增大均会减小弯管的冲蚀速率,管径比对冲蚀速率的影响较大,二者呈现指数关系;颗粒直径基本不影响最大冲蚀位置,而最大冲蚀角度随着管径比的增大而减小。所得结果对管道设计及工程实际安全运营具有一定的指导作用。     

油气管道弯管肘部二次流动侵蚀数值模拟

关于管道二次流动的系统分析较少。为此,利用CFD仿真模拟弯管冲蚀,计算不同流速以及不同颗粒直径对于管道肘部二次流动冲蚀的影响,分析冲蚀和空蚀耦合时管道肘部的侵蚀情况以及耦合作用对肘部二次流动的冲蚀产生的影响。分析结果表明：管道冲蚀最严重的区域主要集中在弯管肘部靠近出口处的外壁面以及肘部出口直管段内壁面;颗粒直径增加,因二次流动产生的在肘部出口直管段内壁面冲蚀会相应减弱;当流速增大时,受到二次流动驱动的颗粒增多,在肘部出口直管段内壁面产生的冲蚀更加严重;高流速时,出口直管段受二次流动影响的冲蚀中心区域逐渐减小。所得结论可为管道的安全运行及检测提供理论参考。     

气液两相流在油气弯管处冲刷腐蚀的数值模拟

为了定量描述输油管道弯管处由于流体方向改变引起的流体速度改变和压力波动的动态行为,以及管道内部的冲蚀磨损规律,利用Fluent软件建立了90°弯管冲蚀模型。针对不同的入口流速工况,对弯头内部压力和速度场进行了数值模拟,分析了流体在弯管段的流动和冲蚀规律。分析结果表明,流体在经过弯管段时,对管壁外侧压力先增大后减小,并在该侧取得最大值;弯管处流体流速和管壁压力变化剧烈,该区域管壁冲刷腐蚀最为严重;弯头使流体流场更加复杂,增大了气泡溃灭的概率和弯管腐蚀速率;随着流体速度增大,管壁压力会增大,管壁冲刷腐蚀速率也随着流速增大而增大,实际应用中应选择合理的流速。     

90°弯管气固两相流磨损研究

天然气在管道输送过程中,夹带的微小固体颗粒会对管道产生冲蚀磨损,进而引发管道失效。利用计算流体力学(CFD)软件能够模拟管内气固两相流流动预测壁面磨损量,但过往的(模拟)研究未能区分出磨损的不同阶段,仅采用单一的冲蚀磨损量预测模型。为此利用气固两相流流场结果,通过分界角β将磨损过程分为两个阶段:颗粒对壁面的冲击与颗粒对壁面的滑动或滚动。并将上述两个阶段采用不同的磨损量预测模型(Tulsa模型与疲劳磨损模型)作为用户自定义函数(UDF)加入计算软件中。计算结果表明:磨损量随着颗粒直径、颗粒密度、气体流速、弯径比的增加而增加。磨损量随不同影响因素的变化趋势,与分界角的变化趋势相似,证明了分界角是一个能综合评价弯管冲蚀磨损特征的参数。利用拉格朗日法分析了颗粒的碰撞特征,结果表明:二次碰撞位置更加靠近弯管出口,极易位于弯管焊缝的热影响区内,磨损情况将会加剧,甚至加速焊缝热影响区内的微裂纹扩展。     

节流器内液-固两相流固体颗粒冲蚀数值模拟

建立了考虑颗粒碰撞的颗粒冲蚀计算模型,该数学模型包括:在Eulerian坐标系下求解连续相流场;在Lagrangian坐标系下运用离散颗粒硬球模型求解颗粒碰撞;应用半实验关联式求解颗粒冲蚀速率。对水力加砂压裂施工中节流器内液-固两相流的固体颗粒运动和冲蚀特性进行了数值模拟。计算结果表明,固体颗粒密集于节流器入口到出口的一段狭长区域内,冲蚀速率随流体速度呈指数性变化。颗粒直径越大,冲蚀速率也越大。节流器内冲蚀最严重的位置发生在距离节流器出口上边缘10mm以内的局部区域。     

城市燃气管道内已沉积萘颗粒的运移规律

城市燃气以往长期使用含有较多萘杂质的人工煤气,近年来被天然气置换后,已沉积的萘随着天然气的流动在管道内运移有可能导致管道堵塞或设备损害,甚至影响城市燃气输配系统的安全运行。为了研究燃气管道中已沉积萘的运移问题,以云南省昆明市的燃气管道为例,运用Fluent流体动力学软件,选用离散相模型(RSM)和雷诺应力模型(DPM),模拟分析了在燃气管网常见的水平直管、水平弯管、三通管等3种管型内已沉积萘的运移规律,研究在不同的管径、弯曲比和管径比下,粒径、气流速度、温度和压力对已沉积萘运移的影响。研究结果表明:①水平直管、水平弯管、三通管中萘的运移率与沉积萘的粒径呈负相关关系,与压力、入口速度呈正相关关系;②随着温度升高,水平直管、水平弯管、三通管中萘的运移率先减小而后增大;③萘在燃气管道中的运移率受入口速度的影响最大,受温度的影响次之,受压力的影响最小;④萘的运移率与水平直管管径、三通管管径比呈正相关关系,与水平弯管弯曲比呈负相关关系。结论认为,该研究成果对于保障城市燃气输配系统的安全运行具有重要的意义。     

天然气水合物在水力提升管道中的分解特性

为了指导海底天然气水合物(以下简称水合物)绞吸式开采水力提升管道系统参数设置,研究了水力提升管道内水合物的分解特性和流动参数变化对其的影响。基于热力学和流体力学,采用数学建模的方式建立了水合物水力提升管道温压模型、水合物分解传质模型和管道多相流模型,分析了固液两相流转变成固液气三相流过程中不同影响因素下管道流体温压、水合物颗粒物质的量、分解面位置与海水深度的关系。结果表明:(1)随着管道流量增大,水合物分解速度减慢,分解面少量上移;(2)颗粒直径对管流温压、相平衡压力、水合物分解面基本没有影响,但只有直径小于0.2 mm的水合物颗粒才能在管道中完全分解,直径大于2.0 mm后,颗粒分解量忽略不计;(3)出口回压为正压且增加时,水合物分解面上移,分解速度减慢,而出口回压为负压且增大时,水合物分解面下移,分解速度加快;(4)随着采矿深度的增加,水合物分解速度变慢,分解面上移,但在与海面距离超过1 500 m后采矿深度对水合物分解速度、分解面无影响;(5)实验验证与数值仿真规律基本一致,表明所建立的模型具有较高的可信度。结论认为:绞吸式开采水合物时,控制合理的流量和出口回压能够调节分解面高度以及分解速度,并且不用考虑颗粒直径和采矿深度对产气量的影响。     

基于LedaFlow和Fluent的冲蚀临界速率研究

利用水力压裂技术开采页岩气,生产过程中会携带泥砂等固体杂质。气体携砂在管道中流动时,速度过大会对弯头等关键部件产生冲击,从而造成冲蚀,对管道安全运行造成隐患。基于LedaFlow的API RP 14E冲蚀临界速率预测模型对页岩气管道携砂能力进行模拟计算,分析了管道直径、压力、流量对冲蚀临界速率的影响,并通过Fluent数值模拟计算出冲蚀临界速率对应的管壁最大冲蚀损失量,从而给出冲蚀临界速率和管壁最大年冲蚀损失量的关系式,既弥补了LedaFlow无法计算出管壁冲蚀损失的问题,也简化了Fluent的复杂计算过程,为实际生产提供参考。     

基于LedaFlow和Fluent的冲蚀临界速率研究

利用水力压裂技术开采页岩气,生产过程中会携带泥砂等固体杂质。气体携砂在管道中流动时,速度过大会对弯头等关键部件产生冲击,从而造成冲蚀,对管道安全运行造成隐患。基于LedaFlow的API RP 14E冲蚀临界速率预测模型对页岩气管道携砂能力进行模拟计算,分析了管道直径、压力、流量对冲蚀临界速率的影响,并通过Fluent数值模拟计算出冲蚀临界速率对应的管壁最大冲蚀损失量,从而给出冲蚀临界速率和管壁最大年冲蚀损失量的关系式,既弥补了LedaFlow无法计算出管壁冲蚀损失的问题,也简化了Fluent的复杂计算过程,为实际生产提供参考。     

地下储气库注采井临界冲蚀流量优化计算方法

临界冲蚀流量是限制注采井注采能力的关键因素,目前通常参照API RP 14E标准进行计算,其计算结果趋于保守,但还未有明确的室内实验或现场数据表明可在API RP 14E的基础上提高临界冲蚀流量。为此,基于腐蚀速率首次提出了临界冲蚀速率的概念;综合考虑影响管柱冲蚀的温度、压力、气体组分、含水率、含砂量以及管柱材质等因素,同时引入壁面剪切应力,开展真实注采工况下的室内等效模拟实验,进而求得实验工况下的临界冲蚀系数(C);在此基础上,建立了现场常用的N80、SM80S和S13Cr等3种材质管柱的C取值图版。研究结果表明:①含砂量、含水率、CO_2分压以及壁面剪切应力为冲蚀主控因素;②含砂量对上述3种材质的管柱冲蚀影响最为显著,其中N80和SM80S管柱冲蚀对壁面剪切应力和含水率较为敏感;③对于S13Cr管柱,当含砂量小于250 mg/L时,C值可取100,当流体不含砂、含液时,C值可取180,当流体为气相时,C值可取275;④对于N80、SM80S管柱,当流体不含砂、含液时,根据含水率和壁面剪切应力不同,C值介于100～180,当流体为气相时,C值可取275;⑤针对新疆呼图壁地下储气库注采井采出流体含水率为0.001 0‰、不出砂,管柱材质为S13Cr,C取值为180,通过室内冲蚀实验证实管柱样品在注采工况下均未出现冲蚀痕迹,并且冲蚀速率极低、无点蚀。结论认为,所建立的C取值图版结果可靠,可以为临界冲蚀流量的科学合理确定提供指导。     

固态流化采掘天然气水合物藏的水平管段固相颗粒运移特征

为了弄清在固态流化采掘条件下,海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)藏固相颗粒在水平管段内的运移规律,基于液固两相流模型,采用Fluent软件耦合EDEM软件模拟了在水平管段不同液相速度、不同粒径、不同丰度下的水合物固相颗粒运移特征,并采用大型固态流化采掘物理实验模拟工具对数值模拟结果进行验证。研究结果表明：①单颗粒水合物在水平管段中的运移方式以跃移和蠕移为主,水合物颗粒群在水平管段中的运移方式受水合物丰度、液相速度、管径、水合物固相颗粒粒径影响较大;②当水合物丰度较低、颗粒粒径较大、液相流速较低时,固相颗粒运移方式主要以跃移、蠕移为主;③当水合物丰度较高、颗粒粒径较小、液相流速较大时,固相颗粒运移方式主要以悬移为主;④提高液相进口速度是提高水平管内净化效果的有效手段。结论认为：①选取破碎效果较好的二级破碎工具可以提高水平管段固相颗粒群的净化效果;②水合物固态流化开采水平管段内压力降主要受液相流速影响较大,在满足举升泵设备负荷前提下,应调整注入排量来达到合适的液相流速。     

Numerical simulation of predicting and reducing solid particle erosion of solid-liquid two-phase flow in a choke

Chokes are one of the most important components of downhole flow-control equipment. The particle erosion mathematical model, which considers particle-particle interaction, was established and used to simulate solid particle movement as well as particle erosion characteristics of the solid-liquid two-phase flow in a choke. The corresponding erosion reduction approach by setting ribs on the inner wall of the choke was advanced. This mathematical model includes three parts： the flow field simulation of the continuous carrier fluid by an Eulerian approach, the particle interaction simulation using the discrete particle hard sphere model by a Lagrangian approach and calculation of erosion rate using semiempirical correlations. The results show that particles accumulated in a narrow region from inlet to outlet of the choke and the dominating factor affecting particle motion is the fluid drag force. As a result, the optimization of rib geometrical parameters indicates that good anti-erosion performance can be achieved by four ribs, each of them with a height （H） of 3 mm and a width （B） of 5 mm equaling the interval between ribs （L）.