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天然气集输管道弯头冲蚀磨损研究

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天然气在集输过程中,携带的微小固体颗粒和液态水会在弯头处产生冲蚀磨损,进而引发管道的失效。因此,研究天然气集输管道弯头的冲蚀磨损机理和磨损分布特征,提出有效减缓磨损的控制方案,是各气田集输管道设计和生产过程中急需解决的问题。

弯头冲蚀磨损研究的关键点是得到颗粒在弯头壁面发生碰撞时的相关参数,由于天然气集输管道弯头内流场复杂,是一个典型的气液固多相流问题,这对弯头冲蚀磨损问题的求解带来极大的困难。本文基于计算流体力学方法,以求解弯头冲蚀磨损特征参数为目标,运用Fluent软件进行二次开发,采用数值模拟的方法,研究了天然气集输管道弯头内气液固多相流场、工况运行参数、物性条件对弯头内颗粒分布特征和磨损特征的影响。根据冲蚀磨损基本理论,利用图像比较和相关性分析的方法,分别对基于磨损机理和实验数据的磨损速率预测方程进行了比较,提出以攻角为分界条件的磨损速率双方程模型,并利用C语言编制成用户自定义函数编译连接到Fluent求解器内作为弯头冲蚀磨损速率的计算模块。

通过HYSYS软件计算得到了天然气物性参数,并使用Goiver流型图、Mandhane流型图和OLGA软件判断气液两相流流型,建立了简化的气液固多相流入口边界条件。最后根据以上物性参数、边界条件和磨损速率双方程模型分别建立了干气输送条件和湿气输送条件下的天然气集输管道弯头冲蚀磨损模型。针对弯头内气液固多相流动特征,建立了天然气集输管道弯头内气液固多相流模型,气固(液固)两相流采用离散相模型,而气液两相流采用VOF模型,将两个模型耦合后进行多相流的模拟。

基于上述天然气集输管道冲蚀磨损模型和弯头内气液固多相流模型,本论文采用有限体积法对流体控制方程和附加方程组进行空间、时间离散,使用PISO算法进行流场压力-速度的耦合迭代计算,并结合实际工况参数对模型进行求解。本论文通过上述研究得到:95%模拟工况下,弯头磨损最严重区域位靠近弯头出口位置;颗粒在弯头入口截面的位置对壁面磨损速率影响较大,随着弯头直径的增加,对弯头造成冲蚀磨损的颗粒数量也会减少,最多可占颗粒总数的45.4%;天然气集输管道弯头磨损特征随着气体含水率的增加而变得复杂;通过对影响因素的权重分析可知,用控制流速的方法来减缓弯头冲蚀磨损。综上所述,所得的研究结果将为下一步开展实验环道研究提供了重要的基础数据,为集输管道弯头几何尺寸的设计提供了重要依据。

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