液固两相流管道磨蚀数值模拟研究

张爱娟 唐毅(中国石油大学胜利学院油气工程学院，山东 东营 257000)

0 引言

由于地层及井下作业的复杂性，即使已经采取防砂措施，油气产物中依然会存在含砂现象。油气集输管道在油气的运输中承担着重要的角色和作用，而采出液含砂在输送过程中，宜使油气集输管道受到磨蚀而导致油气管道泄漏事故，这对于整个能源或工业行业来说都是很不友好的。所以对液固两相流管道的磨蚀问题进行数值模拟的研究，可以为管道的安全运行提供保障[1]。

1 管道磨蚀的原理[2-3]

管道磨蚀是指管道的材料与高速粒子共同作用而引起的管道内壁表面发生损坏的现象。固体颗粒会在内壁滑动从而会用切削或者犁削等机制进行磨蚀，它的外观特征是在管道的内壁出现一些沟纹或者山谷状等等。

1.1 微切削理论

微切削理论是指管道在低冲蚀角下的切削作用。Finnie提出了刚性粒子冲击塑性材料的微切削理论，塑性材料的切削理论认为磨蚀颗粒快速经过靶材表面时会将材料切除而产生磨损。这个模型建立了多角形磨粒，经过研究发现这个模型解释了塑性材料在多角粒和低冲击角下存在的磨蚀规律。

1.2 变形磨损理论

变形磨损理论是指管道在在不同冲击角下粒子冲击靶材的两种变形过程和能量变化分析。Beckmann-Gotzmann从冲蚀过程中的能量平衡提出了变形磨损理论。这个理论对于管道磨蚀也有独到的见解。

1.3 锻压挤压理论

锻压挤压理论是指管道在大冲击角下的磨蚀研究。这个理论是在研究者使用分步冲刷实验法和单颗粒寻迹法研究冲蚀过程中得出来的。

这些理论从不同的方面和不同的角度对于管道的磨蚀进行了详细的介绍和分析，有助于我们在数值模拟的研究过程中深刻地了解它的机理，从而对于整个数值模拟过程有更好的体会。

2 管道磨蚀的影响因素[4-5]

在液固两相流中，管道的磨蚀会受到包括颗粒性质、流体力学性质、材料性质、介质性质等多种因素的影响。

2.1 颗粒性质

颗粒性质主要是包括两相流中固相颗粒物的浓度、硬度、形状大小和锋利度等。一般随着颗粒硬度升高，磨蚀也会加重；颗粒表面的粗糙度下降，磨蚀的速率也会下降；而当颗粒的半径变大时管道磨蚀的速度也会加快，加重管道的磨蚀情况。

2.2 介质因素

介质因素的影响参数有温度、pH值、溶氧量等。这些介质参数通过影响材料的耐蚀性或者成膜状态来影响它的磨蚀性能。

2.3 材料因素

材料因素包含金属的化学成分、耐蚀性等等。通过影响材料的组织结构可以影响管道的磨蚀，而它的宏观力学性能也会对管道的内壁造成一定的破坏。和那些软性材料相比，硬性材料更能够阻挡管道的磨蚀。

2.4 流体力学因素

流体力学因素包含了流速和流态。流体对于管壁的冲击速度会加重磨蚀，而流体的流态也会对管道磨蚀产生重要的影响，随着时间的进行，磨蚀会反过来影响流速流态，反复影响会导致过流部件失效。当速度较大的时候会引起冲刷和磨蚀的交互作用增加。

3 数值模拟[6]

建立如图1所示弯管模型，管径d=0.6m，拐弯半径R=1.8m，出/入口直管段管长L=5m。

图1 弯管模型及网格划分

选择压力求解器pressure-based，湍流模型选择添加k-epsilon Realized，离散相模型选择作用连续相Interaction with Continuous Phase，点击物理模型Physical Models标签页，点选激活Erosion/Accretion，计算磨蚀速率，材料material创建油品oil，密度860kg/m3，粘度0.02kg/(m·s)，入口设置为速度入口，流入速度10m/s，湍流强度5%，水力直径0.6m，离散相为砂，密度2500kg/m3，质量流量1kg/s，直径200μm；出口设置为outflow边界。颗粒在壁面上的法向及切向反弹系数定义为颗粒冲击角的多项式函数。在建立冲蚀模型时，冲击角函数被用于定义管道壁面的塑性冲蚀。

4 模拟结果分析

4.1 压力

创 建 下 图 所 示z=0，x=0，x=-2.5，y=0，y=2.5，x-y六 个 截面，压力云图如图2所示。

图2 压力云图

从图中可以看出在入口及出口直管段处，沿流动方向压力下降。流体流经拐弯处，弯管外部压力明显增大，内部压力降低。这种压力分布会造成弯管处流体的二次绕流。

4.2 流速

建立截面处流速如图3所示。

图3 速度云图

由图中可以看出，由于模拟管段较短，流体整体流速变化较小。

4.3 颗粒轨迹

跟踪颗粒运动轨迹，如图4所示。

图4 颗粒轨迹

由图中可以看出，在入口段颗粒运动轨迹基本是一簇平行的流线，相互之间互不干扰，流经弯管处由于受到离心力的影响，颗粒运动较为紊乱。

4.4 磨蚀速率

管壁面磨蚀情况如下图5所示。

图5 壁面磨蚀

由图可以看出，最大磨损部位在弯管内侧壁面区域，在弯管外侧也存在磨损问题，但磨蚀速率低于内侧，其余部位无明显磨损现象。

5 结语

综上所述，本文通过是液固两相流管道磨蚀的分析及模拟研究，综合考虑颗粒性质、流体力学性质、材料性质、介质性质等多种因素的影响，描绘了管道磨蚀的数学模型。分析结果可以为实际维护和管理管道提供依据，为运行现场提供安全保障。