謝明1,2,3  吳貴陽(yáng)1,2,3  陳偉4

1. 中國(guó)石油西南油氣田分公司天然氣研究院； 2. 國(guó)家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心；

3. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司高含硫氣藏開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地； 4. 中國(guó)石化西南油氣分公司川東北采氣廠

摘  要：為了定量描述液體在攪拌釜內(nèi)產(chǎn)生的剪切力與現(xiàn)場(chǎng)管線受到的液體剪切力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)fluent軟件模擬計(jì)算了液體在直管段、彎管及攪拌釜內(nèi)的剪切力分布情況。結(jié)果表明，液體在直管段內(nèi)的剪切力呈階梯狀分布，而彎管內(nèi)的液體剪切力在彎管內(nèi)側(cè)和流體流向12點(diǎn)鐘方向最大，攪拌釜內(nèi)的最大液體剪切力則位于槳葉處。攪拌釜內(nèi)最大液體剪切力與彎管內(nèi)最大剪切力相當(dāng)，而釜壁所受剪切力情況與流速較低時(shí)的直管段內(nèi)所受剪切力情況相當(dāng)。據(jù)此，可開展不同條件下的沖刷腐蝕模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：fluent； 數(shù)值模擬； 剪切力； 流速

頁(yè)巖氣開發(fā)過(guò)程中，大量石英砂被注入地下裂縫作為支撐劑使用。隨著頁(yè)巖氣井投產(chǎn)，井底部分石英砂隨氣液介質(zhì)從井底進(jìn)入地面集輸系統(tǒng)。生產(chǎn)過(guò)程中，管線受氣、液、固三相流體沖擊與介質(zhì)腐蝕的協(xié)同作用，造成腐蝕加速，即沖刷腐蝕。對(duì)于靜態(tài)流體，金屬在腐蝕介質(zhì)作用下產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋在金屬表面，具有一定的緩蝕效果，而流體的沖擊力造成的腐蝕產(chǎn)物膜脫落，則進(jìn)一步加劇了腐蝕。部分學(xué)者基于數(shù)值模擬計(jì)算方法，研究了一定工況條件下，導(dǎo)致腐蝕概率變大的原因[1,2]。目前，研究沖刷腐蝕的設(shè)備主要有動(dòng)態(tài)高溫高壓釜試驗(yàn)裝置、旋轉(zhuǎn)電極試驗(yàn)裝置、射流沖刷腐蝕試驗(yàn)裝置、管流式?jīng)_刷腐蝕試驗(yàn)裝置、科里奧利沖蝕試驗(yàn)裝置[3]，最常用的為動(dòng)態(tài)高溫高壓試驗(yàn)裝置，但利用該裝置模擬生產(chǎn)管線內(nèi)介質(zhì)流型、流態(tài)的適應(yīng)性并沒有深入研究案例。本文通過(guò)模擬計(jì)算液體在攪拌釜內(nèi)產(chǎn)生的剪切力與現(xiàn)場(chǎng)管線受到的液體剪切力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有利于針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況開展不同條件下的沖刷腐蝕模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

1 數(shù)學(xué)描述

流體控制采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型自從被Launder和Spalding提出后，就變成工程流場(chǎng)計(jì)算中的主要工具，它是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式。標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型假定湍動(dòng)粘度μi是各向同性的，其基本輸運(yùn)方程為：

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

直管段管內(nèi)徑為200 mm，粗糙度0.05 mm，長(zhǎng)度2 m，水為流動(dòng)介質(zhì)，網(wǎng)格采用三維六面體網(wǎng)格劃分方式，整個(gè)模型從入口到出口采用掃略方法劃分，網(wǎng)格尺寸為2.0 mm，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為199 980，網(wǎng)格單元為192 357，如圖1所示。

圖1  直管段模型網(wǎng)格劃分

彎管內(nèi)徑為200 mm，粗糙度0.05mm，中心距305 mm，水為流動(dòng)介質(zhì)，網(wǎng)格采用三維六面體網(wǎng)格劃分方式，整個(gè)模型從入口到出口采用掃略方法劃分，網(wǎng)格尺寸為2.0mm，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為435 305，網(wǎng)格單元為421 360，如圖2所示。

圖2  彎管模型網(wǎng)格劃分

攪拌器槳葉的直徑為60 mm，槳葉厚度10 mm，槳葉寬度3 mm，將攪拌槽整體分為轉(zhuǎn)子區(qū)和定子區(qū)兩部分，如圖3所示。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格四面體網(wǎng)格對(duì)轉(zhuǎn)子區(qū)和定子區(qū)分別進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，轉(zhuǎn)子區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為15 074，網(wǎng)格單元為77 158。定子區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為125 515，網(wǎng)格單元為684 133。

圖3  轉(zhuǎn)子區(qū)與定子區(qū)

2.2 直管段模擬計(jì)算

利用fluent軟件模擬液體流速為1 m/s、3 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s條件下直管段管壁剪切力受力情況，

結(jié)果可知，直管段管壁剪切力沿流動(dòng)方向逐漸減小，隨流速增加管壁剪切力逐漸增大。當(dāng)液體流速達(dá)到10 m/s時(shí)，管壁最大剪切力可達(dá)到236 Pa，如圖4所示。

圖4  直管段管壁最大剪切力隨液體流速變化趨勢(shì)

2.3 彎管模擬計(jì)算

以DN200彎管為研究對(duì)象，模擬液體流速為1 m/s、3 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s條件下管壁剪切力受力情況（液體流向從左至右，不考慮重力影響），

結(jié)果可知彎管管壁剪切力受力分布不均，其受力最大點(diǎn)為內(nèi)側(cè)管壁和流出段外側(cè)管壁，流速增加管壁剪切力逐漸增大。當(dāng)液體流速達(dá)到10 m/s時(shí)，管壁最大剪切力可達(dá)到500 Pa，如圖5所示。

圖5  彎管管壁最大剪切力隨液體流速變化趨勢(shì)

2.4 攪拌釜模擬計(jì)算

實(shí)驗(yàn)室攪拌釜內(nèi)徑100 mm，攪拌器直徑60 mm，寬度3 mm，在100 r/min、500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min轉(zhuǎn)速條件下，計(jì)算分析釜壁剪切力與中心截面速度變化情況，

通過(guò)攪拌釜模擬計(jì)算可知，隨著攪拌槳轉(zhuǎn)速提高，釜壁最大剪切力在轉(zhuǎn)速為2500 r/min時(shí)，可達(dá)140 Pa，而攪拌槳外沿的剪切力最大可達(dá)464 Pa。當(dāng)釜內(nèi)液體流速在4 ~5m/s，攪拌釜中心流速可達(dá)7 ~8 m/s，但流體分布不均勻，如圖6、7所示。

圖6  不同轉(zhuǎn)速下釜壁最大剪切力

圖7  不同轉(zhuǎn)速下攪拌槳外沿剪切力變化

3  結(jié)論

基于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，結(jié)合頁(yè)巖氣生產(chǎn)工況，可利用動(dòng)態(tài)高溫高壓試驗(yàn)裝置開展不同條件下的沖刷腐蝕模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

（1）攪拌槳周圍液體流速可達(dá)4 ~5 m/s，中心流速可達(dá)7 ~8 m/s，可用以模擬該流速條件下生產(chǎn)管線內(nèi)的腐蝕狀況。

（2）攪拌釜釜壁受到的剪切力與直管段在6 ~7m/s和彎管段在4 ~5m/s液體流速條件下受到的剪切力相當(dāng)，而攪拌槳中心受到的剪切力完全可以模擬液體流速在10 m/s條件下，直管段和彎管所受到的剪切力。

基于頁(yè)巖氣生產(chǎn)井底出砂的情況，結(jié)合上述數(shù)值模擬計(jì)算方法，可對(duì)頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕情況開展不同溫度、壓力、流速、介質(zhì)、砂含量等工況條件下的腐蝕模擬試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉勇峰，吳明，趙玲等.凝析氣田集輸管道彎管沖刷腐蝕數(shù)值計(jì)算[J].腐蝕與防護(hù)，2012，33（2）：132-135.

[2] 茅俊杰.氣液兩相流管道沖刷腐蝕的研究[D].山東大學(xué)，2012.

[3] 朱娟，張喬斌，陳宇等.沖刷腐蝕的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2014，34（3）：199-207.

作者：謝明，男， 1989年生，四川南充人，中國(guó)石油西南油氣田分公司天然氣研究院腐蝕與防護(hù)研究所助理工程師，主要從事頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕狀況研究工作。

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油西南油氣田分公司2017年科研項(xiàng)目“長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)含砂條件下腐蝕分析與控制措施研究”（20170304-07）。

《管道保護(hù)》2018年第1期（總第38期）