锻制弯头内部流场分析

谈文虎 赵朝文 文代龙 张维臣 胡 锦 孔 云

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.中国石油西南油气田公司重庆气矿，重庆 400021；3.中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川 江油 621700

0 前言

近年来，随着国内天然气气田的不断开发，高压高酸性气田不断增多。由于高压高酸性天然气介质对管材、管件壁厚及腐蚀余量的特殊要求，标准管件［1］已经不能满足其开发要求。同时，采用进口管件［2］将大大增加开发成本。因此，部分设计单位提出选用适当材料的锻件制作非标管件的设计思路，并将此种非标管件成功地应用于国内各酸性气田中，为气田开发带来良好的经济效益。

锻制弯头作为最基本的锻制管件，与标准弯头相比，不管外形还是内部流道都有较大差异。锻制弯头的设计除需着重满足承压外，还要求加工方便，制造成本低。但锻制弯头加工出来的流道对介质流动产生的影响鲜有报道。

1 锻制弯头的设计

锻制弯头采用锻件，经刨、车、铣三道主要工序制造而成，故基体呈现立方体结构，见图1-a）。流道转弯处的封头端是整个锻制弯头承压相对薄弱的位置。因此锻制弯头设计的要点在于保证流道封头端的承压能力。通过此种方法设计出的锻制弯头流道内侧端厚度较大，具有足够的承压能力。

封头厚度按一体式圆形平盖计算，公式［3］为：

式中：δP为封头计算厚度，mm；Dc为封头计算直径，mm；Pc为计算压力，MPa；K 为结构特征系数，取 0.27； ［σ］t为设计温度下材料的许用应力，MPa；φ为焊接接头系数，取1.0。

封头计算直径Dc应为锻制弯头对应管材内径Di与2倍腐蚀余量C之和，即应考虑腐蚀后封头的承压安全。

计算所得的封头厚度δp，加上腐蚀余量C，再经过取整，即可得到锻制弯头封头的名义厚度δ（mm）。最后结合铣刀的锥孔高度和接管大小，得出锻制弯头立方体的边长L（mm），最终设计出符合要求的锻制弯头。

以新疆某气田地面建设工程中的锻制弯头设计为例。锻制弯头的接管材质为L245NCS，规格Φ60.3×6.3，设计压力10MPa，设计温度Tc100℃，设计腐蚀余量为3 mm。锻制弯头设计结果见表1。

表1 10.0MPa DN 50锻制弯头设计结果

由于锻制弯头设计、制造的特殊性，使得内部流道与标准弯头有较大差异。下面通过CFD商业软件对锻制弯头内部流体流场分布情况，以及流体流动对锻制弯头产生的影响进行分析。

2 网格划分及边界条件

首先从锻制弯头模型中提取流体流道模型，见图2-a）。再利用CFD的前处理软件对模型进行网格划分。

由于此模型两端圆柱体结构规则，交汇处的模型结构较为复杂，因此模型的网格划分可分为两部分处理。两端的圆柱体部分采用计算特性较好的六面体结构，而交汇部分，为了适应模型结构的变化，则采用四面体结构。为了适应流态变化，在流体转弯处采用较细的网格，而流态变化小的圆柱体区采用较粗的网格，见图2-b）。此模型划分后的网格数量为17万个。

图2 锻制弯头流道网格划分

以7.0MPa、40℃的天然气以7m/s的流速流经弯头为例对锻制弯头内部流场进行分析。根据锻制弯头流道结构，可分为两种流通方式：

流通方式Ⅰ：天然气从图1-b）的端口A进入，从端口B流出；

流通方式Ⅱ：天然气从图1-b）的端口B进入，从端口A流出。

边界条件设置：入口端设置为速度入口，温度40℃，流速7m/s；出口端设置为自由出流；其余设置为绝热固壁。因此流动过程中，不考虑传热对流场的影响。根据工艺计算软件HYSYS可以算出天然气在7.0MPa、40℃工况下的所有物性参数，其中流场计算所需的主要物性参数见表2。

表2 天然气在7.0MPa、40℃的物性参数

3 数值模型

由于本算例为单介质流动，流动过程仅为物理过程，因此数值模型中不考虑组分守恒方程和化学守恒方程。质量守恒方程和动量守恒方程［4］分别如下：

其中

整个流动过程中不存在源项，Sm=0。

流动过程中不存在外部体积力，Fi=0。

流体密度较小，流经锻制弯头时间较短，因此不考虑重力作用，ρgi=0。

能量方程：

其中

湍流方程选用标准k－ε方程：

本模型的解法器采用基于密度的耦合解法器，方程采用Roe-FDS矢通量分裂法求解。

4 计算结果

4.1 流动迹线

图3为流动迹线图，流通方式Ⅰ和流通方式Ⅱ在下游都会出现内侧的低压旋涡，越靠近转弯处，旋涡强度越大。可见，锻制弯头内流动旋涡的存在，将造成部分压力损失。通过计算进出口总压的面积平均值，得出两种流通方式的总压损失见表3。

表3 两种流通方式下的总压损失

4.2 压力波动

图4为z=0中剖面上流场的总压分布。图4中，流场在流动转弯后的内侧形成明显的低压区。弯头转弯处流场发生突变，压力出现波动，产生一定的冲击；同时弯头下游处存在较明显的涡流现象，见图3。在有腐蚀性介质存在的条件下，压力波动与流动旋涡都将锻制弯头的腐蚀产生一定的影响［5］。

图4 z=0中剖面上总压分布图

4.3 速度分布及壁面剪切

图5为z=0中剖面上流场的速度分布。图5中，流场在流动转弯后的外侧形成明显的冲刷区。流通方式Ⅰ的高速流动核心区离壁面1还有一定的距离，而流通方式Ⅱ的高速流动核心区则完全附着于壁面2上。壁面1和2的壁面剪切应力分别见图6、7。可以看出，壁面1的剪切应力在流道拐转的根部最大，约14 Pa，随着位置的远离，应力逐渐减小；壁面2的剪切应力先增大再减小，最大值约16 Pa。值得注意的是，壁面2的剪切应力在中部存在跳跃增大位置，这是由于高速气流集中冲刷壁面造成的，而此类冲刷也是造成材料加速腐蚀的重要因素之一［6］。

5 结论

从以上模拟结果可得：

a）锻制弯头内有流动旋涡产生，导致压力能损失。流通方式Ⅰ的压力能损失大于流通方式Ⅱ。

b）锻制弯头内流场在转弯后的内侧形成压力波动与流动旋涡。在有腐蚀性介质存在的条件下，压力波动与流动旋涡都将对锻制弯头的腐蚀产生一定的影响。

c）锻制弯头内流场在转弯后的外侧形成冲刷区。流通方式Ⅱ的冲刷对材料腐蚀的影响大于流通方式Ⅰ。

综上，锻制弯头焊接时对流通方式的选择应根据工况条件决定。对于强腐蚀工况，推荐采用流通方式Ⅰ，通过锥形端静止介质的缓冲，减小下游壁面的冲刷腐蚀，从而增加锻制弯头的安全性和使用寿命。

［1］GB/T 12459-2005，钢制对焊无缝管材［S］.GB/T 12459-2005，SteelButtW elding Seam lessPipes［S］.

［2］张有渝，成一宇.站场用管件的设计与制造［J］.天然气与石油，2005，23（4）：44-46.Zhang Youyu，Cheng Yiyu.Design and Manufacture of Fittings Used in Stations［J］.NaturalGasand O il，2005，23（4）：44-46.

［3］GB 150-1998，钢制压力容器［S］.GB 150-1998，SteelPressure Vessels［S］.

［4］韩占忠，王 敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.14-15.Han Zhanzhong，W ang Jing，Lan Xiaoping.FLUENT Fluid Engineering Simulation Calculation Exampleand itsApplication［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2004.14-15.

［5］范志刚，李翠楠，王 燕，等.流速对天然气输气管道腐蚀的影响规律研究［J］.钻采工艺，2010，33（2）：33-35.Fan Zhigang，Li Cuinan，W ang Yan，et al.Study on Effects of Flow Velocity on NaturalGasPipeline Corrosion ［J］.Drilling&Production Technology，2010，33（2）：33-35.

［6］郑玉贵，姚治铭.流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制［J］.腐蚀科学与防护技术，2000，12（1）：36-40.Zheng Yugui，Yao Zhim ing.Fluid Mechanics Factors on the Corrosion Mechanism of the Effect of Erosion ［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2000，12（1）：36-40.