输油管道低洼处水携杂质规律研究

刘兵　江国业　陈穗丰

【摘 要】管道安全对石油输送至关重要，尤其对于海上石油输送，砂粒杂质堵塞管道的情况时有发生。为此，本文通过对管道低点处沉积的杂质为研究对象，通过数值模拟的方法对杂质运动规律进行分析。本文选用欧拉-欧拉模型，湍流模型为Realizable k-？着，模拟结果表明水流速对管道弯管处杂质清除具有很大的影响，当水流速v<0.3m/s时，颗粒杂质在弯管处出现沉积，影响了管道运输安全。流速低，携带泥沙的能力有限。

【关键词】低点；流速；杂质沉积；弯管；携带能力

The research about ability of water carry impurities at The Low-lying place in oil pipe

LIU Bing1 JIANG Guo-ye1 CHEN Sui-feng2

（1.Civil Aviation University of China Tianjin 300300，China；

2.Suian Cleaning and Protection Engineering Co.， Ltd，Dongguan Guangdong 523000，China）

【Abstract】The safety of Pipeline is very important for the transportion of oil， especially for seaborne oil transportation， it often occur that Pipeline was blocked by sand。Therefore， this article research the deposition of sand in low pipeline and analyse the law of the impurities motion through the method of numerical simulation。this article selects the euler-euler model，turbulence model is Realizable，the results show that the water velocity has a great influence on clearing away the impurity elbow at the bend，when the water velocity v < 0.3 m/s， the impurity particles deposits at the bend，which affects the safety of pipeline transport， The ability of low flow velocity is finite 。

【Key words】Low-point； Velocity； Impurity deposition； Bend； Carrying capacity

0 引言

據统计，截至 2004 年底，兰成渝管道[1]因杂质堵塞干线过滤器、减压阀等设备造成的停输事故占总停输事故量的 90%以上。而对于管道低点处，杂质的沉积情况更加严重。截至2008年6月某海底管道发生故障[2]，管道有明显的泥沙沉积现象，砂沉积厚度最大处为弯管的低点，厚度约为7mm。文章通过沉积砂对缓蚀效率等的影响分析，沉积物的堆积不仅直接影响缓蚀剂的缓蚀效率，同时也为SRB的生长提供有利环境，会加速海底管道腐蚀，当内管发生腐蚀后，内管物质进入内外管环空，造成与环空空隙内的氧气结合， 引起H2S及微生物和内管外壁间的缝隙腐蚀。综上所述，管道低点处杂质沉积不仅对管道增加了管道的摩阻损失，而且成为腐蚀管道比较严重的地方，严重影响了石油运输安全[3]以及油品质量。所以，管道低点处杂质的清理工作迫在眉睫。

为此，本文通过模拟，根据管输油品自身具有一定的冲刷携带能力，利用上游来流将管道低点处杂质混合物携带出去，本研究既可减轻管道的内腐蚀，又能减少阻塞事故。综上所述，研究油流排除管中杂质对保障成品油管道的安全运营具有重要的价值。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文选取DN273的钢管为实验管道，分为前半段、弯管段、倾斜段三部分组成，其中前半段、倾斜段为3000mm，如图1，以上倾角为45°为例作图。

图1 弯角为45°管道几何模型

1.2 数值模型建立

1.2.1 基本方程

本文采用欧拉-欧拉模型进行分析，流体中含有水和砂粒，因此，基本方程需要分别考虑两相[4]。

颗粒相的连续方程（ρ1α1）+？荦·（α1ρ1V1）=m12-α1

水相的连续方程（ρ2α2）+？荦·（α2ρ2V2）=m21-α2

式中V1和V2为各相速度；m12和m21为两相之间质量传递。

动量守恒方程

水相的动量守恒方程

（αρV）+？荦·（αρVV）=-α？荦ρ+？荦·？子+αρg+K（V2-V1）

？子=α？滋（？荦V+？荦V）

颗粒相的动量守恒方程

（αρV）+？荦·（αρVV）=-α？荦ρ-？荦ρ+？荦·？子+αρg+K（V-V）

？子=α？滋（？荦V+？荦V）+α？姿-？滋？荦·V

式中，？姿为体积粘度；？滋为剪切粘度；P为压力（Pa）；g为重力加速度；k12为液固传递系数；为粘度；？子为剪切应力。

1.2.2 模型参数

本文选取的主流体为水，密度为1000kg/m3，粘度为0.00103，颗粒选取密度为2650kg/m3的砂粒。管道入口采用速度入口，管道出口采用的自由出口，压力-速度耦合方式采用SIMPLE方式，壁面采用无滑移边界条件，湍流模型选用Realizable k-ε，为了消除边界处的影响，采用标准壁面函数法对模型进行处理。

通过 fluent中patch功能对颗粒相进行定义，体积分数为0.63。

2 数值计算结果

为研究颗粒杂质在不同水流速条件下的运动规律，本文对水速度为0.05m/s、0.3m/s、0.5/s、0.8m/s、1.0m/s、1.5m/s进行模拟，然后取（-1000，-133.5，0）与（300，-133.5，0）之间连线上颗粒体积分数进行作图，如图a、b、c、d，分析不同流速对颗粒的携带能力。

由图a可以看出，当水速度v>0.8m/s时，基本所有颗粒是一直向前运动的，而当v<0.8m/s时，在边缘的部分颗粒会因流体的旋流运动向后移动，这主要说明此水流速下流体的携带能力受到限制。随时间的推移，v>0.5m/s时，颗粒运动一直向前，v=0.05m/s时，在x<-800的地方，颗粒体积分数在0.63左右，几乎不变，说明由于此时水携砂能力太弱，此时，颗粒出现沉积现象。如图2，v=0.05m/s，时间分别为30s和600s时，低点处杂质的分布状态。从图中我们可以看出，此流体速度下，低点处颗粒杂质在弯管处停止前进了，此时水携带能力不足以抵消颗粒受到的阻力，在此流速下，颗粒出现沉积，对管道运行安全构成严重影响。

从图a-d可以看出，对于v=0.05m/s时，颗粒层是先部分向后运动，然后当t=16s后，颗粒层又开始向前运动，此时主要是因为当流体开始运动时，颗粒之间水很少，颗粒之间的黏结力很大，此时部分颗粒层不能随着水运动而向前运动，但受到水旋流的作用会向后运动。当水继续运动，颗粒之间参透进去水，颗粒之间的力减弱，水的携带力足以抗衡颗粒受到的阻力，颗粒层随着流体向前运动。但由于水携带能力有限，颗粒层运动的比较缓慢。但随着时间的推移，弯管低点处颗粒杂质会被慢慢携带走，如图4、5，v=0.5m/s，t=30s、600s时颗粒杂质变化规律。從图中我们可以看到，颗粒比较多时，颗粒层运动的比较快，此时，主要是因为颗粒层较厚，而管道中水速度服从抛物线原则，越往中心，流速越大，因此受到的携带力也越大，由于颗粒之间也存在黏结力等，所以颗粒层会一起运动。当管道中颗粒较少时，受到的携带力有限，此时颗粒就比较难被携带出去。

从图a-d我们可以看到，但颗粒群运动到x=0处时，颗粒体积分数出现先减小后变大的趋势。此时主要是因为颗粒群受到弯管的作用，颗粒不仅受到水平管中的阻力，还要克服重力等力向下的分力，受到的阻力加大，颗粒在此处最容易沉积，与文献[5]结果比较吻合。

从图a-d我们可以看到，随着速度的变大，水的携带能力变化是非常大的。当v<0.5m/s时，有分界点。随着速度越小，在弯管处受到的阻力影响越严重，颗粒越容易沉积。当流体流速达到1.5m/s时，弯管处颗粒杂质30s时就可以被冲走。从图中可以看出，当流速0.8 m/s

3 结论

（1）不同的水流速对管道低点弯管处颗粒杂质的影响非常大，在v<1.0m/s，流体对颗粒的携带能力有限。

（2）当水的流速v<0.3m/s时，颗粒层不能继续向前运动，颗粒杂质在管道低点弯管处出现沉积现象。

（3）随着时间的推移，即使v=1.5m/s，低点弯管处还是有少量的杂质出现沉积。

【参考文献】

[1]高庭禹，张增强.兰成渝成品油管道内杂质的成因及对策[J].油气储运，2006，25（10）52-54.

[2]贾旭，常炜.南海某海底管道腐蚀原因分析，全面腐蚀控制[J].2013，27（8）.

[3]蒋文明，等.南堡油田海底管道砂沉积预测与模型检验[J].油气储运，2012，31（8）：591-593.

[4]Fluent Inc.， Fluent 6.0 Tutorial Guide[Z].Dec.，2001.

[5]张文欣，周晓红，陈宏举.海底管道砂沉积模拟研究[J].石油化工高等学校学报，2016，29（1）.

[责任编辑：朱丽娜]