市政燃气管道碰头点流场分析及结构改进

赵力伟

（温州市特种设备检测研究院 温州 325000）

市政燃气管道碰头点流场分析及结构改进

赵力伟

（温州市特种设备检测研究院 温州 325000）

针对现场某一工程碰头点结构，采用计算流体力学CFD方法，对其进行流场分析，发现该结构出口流动死区较大，出口速度明显减小。对碰头点结构进行改进，改进后流动死区明显缩小，出口速度明显增大，压降明显下降。研究结果对今后类似燃气管道碰头点的安装及燃气标准的修订具有一定的参考价值。

燃气管道 碰头点 结构改进

随着国家经济的发展，城市建设规模不断扩大，新兴工业区、居民住宅拔地而起，原先规划设计的燃气管道输送能力已远远不能满足城市发展中工业、民用的需求，城市燃气管道敷设也随之更改、延伸，这就难免会有新旧管道的碰头施工[1-3]。笔者在现场压力管道安装监检中，发现现场管道碰头点，往往没有经过设计，现场管道的走向往往由项目负责人或PE焊工根据安装经验决定，安装单位安装完成后，再联系设计出具变更单，这导致碰头点结构存在较大的随意性和不确定性，碰头点流场分布差，流动阻力大。故笔者以实际工作中碰到的某一工程为例，采用计算流体力学CFD方法，对现场实际碰头点进行流场分析。在此基础上，提出改进流场的方案，以期为今后类似燃气管道碰头点的安装及燃气标准的修订提供技术参考。

1 某一工程碰头点流场分析

1.1 工程简介

市政主管为De160PE市政燃气管道，原未进行预留。由于用户用气量较大，现安装管道PE管规格为De200。安装前又未事先探明原管道位置，导致碰头处两管道间距不足5cm，安装难度极大。现场管道碰头情况如图1所示，介质流动方向如箭头所示。

1.2 数值计算模型及方法

利用ANSYS软件Fluent模块，对碰头点流场分析。根据现场实际尺寸，建立数值计算模型，上下游长度取外径的两倍，如图2所示。

图1 现场管子碰头情况

图2 数值计算模型

对计算模型进行分块网格划分，并对管壁处网格进行局部加密，经网格无关性计算，直至满足计算要求，具体网格情况如图3、图4所示。

图3 数值模型网格划分图

数值计算边界条件如下：

1）入口边界条件：采用速度入口条件，根据实际管网运行经验，中压主管道流速在10～15m/s左右，这里取10m/s；

图4 局部网格放大图

2）出口边界条件1：采用自由出口条件；

3）出口边界条件2：采用自由出口条件；

4）外部边界：壁面边界条件，无滑移速度u=0。

以天然气为介质进行数值计算，计算中采用RNG k-ε湍流模型，且近壁面采用增强壁面函数法，以提高计算精度。并采用非耦合隐式求解方法，速度与压力耦合采用SIMPLE方法，用二阶精度的迎风格式离散[3]。

1.3 碰头点流场分析

图5、图6分别为碰头点轴截面处的速度矢量图和速度云图。由图可以看出，在两出口90°弯头处均存在较大的流动死区，尤其是支管（出口2），其内介质得不到充分流动，流动死区较大，出口速度明显减小，这将可能造成下游用户供气压力不足。

图5 碰头点轴截面速度矢量图

图6 碰头点轴截面速度云图

2 碰头点结构改进及分析

为改善管道内的流场，以降低流动压降，笔者对碰头点结构进行改进，改进措施：将主管上的90°电熔弯头改为45°电熔弯头（如图7所示）。为使计算结果具有可比性，改进后模型采用与前面模型相同的方法进行网格划分与求解设置，这里不再赘述。

图7 改进结构

图8、图9分别为改进结构轴截面处的速度矢量图和速度云图。为便于比较，图5、图8显示的速度矢量放大倍数是相同的。对比图5、图6及图8、图9，可以发现结构改进后两出口弯头处仍存在一定的流动死区，但比改进前流动死区明显缩小了，出口速度也明显增大了。

图8 改进结构轴截面速度矢量图

图9 改进结构轴截面速度云图

进一步计算得到改进前后进出口压降（见表1）。由表1可以看出，改进后主管（出口1）、支管（出口2）的压降都明显下降了，这表明流动阻力明显减小了。

表1 进出口压降 Pa

3 结论及展望

1）采用计算流体力学CFD方法，对现场实际碰头点进行流场分析。发现出口流动死区较大，出口速度明显减小，可能造成下游用户供气压力不足；

2）提出改进方案：将主管上的90°电熔弯头改为45°电熔弯头，模拟结果表明改进后碰头点流场得到明显改善，即出口速度明显增大，压降明显下降；

3）在今后类似燃气管道碰头点的安装中，应多采用45°弯代替90°弯，以改善流场。

4）在现场安装过程中此类问题普遍存在，而现行燃气标准（如CJJ33—2005、CJJ63—2008）均未对碰头点结构进行规定，后续标准修订工作中应予以考虑。

[1] 钟勤．城市燃气钢制管道带气碰头施工[J]．江西煤炭科技，2013，1(1)：116-117.

[2] 施兵兵．浅谈“在用管道冷切割碰头”新工艺[J]．化工管理，2013，4：78.

[3] 许卫荣，王宏．聚乙烯燃气管道安装监督检验关键点[J]．中国特种设备安全，2011，27(6)：7-8.

[4] 王福军．计算流体力学分析-CFD软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004.

Structural Improvement and Flow Field Analysis of Connection Point in City Gas Pipeline

Zhao Liwei
(Wenzhou Special Equipment Inspection Research Institute Wenzhou 325000)

Using computational fluid dynamics (CFD) methods, the flow field of gas connection point of an engineering example case was analyzed. The result showed that there was a big dead zone, and the exit velocity decreased significantly. Then, improved and analyzed the connection point structure, the results showed that the dead zone volume was significantly reduced, the exit velocity was significantly increased and the total pressure drop was significantly decreased. The result of research has certain value for reference to installation of connection point in city gas pipeline.

Gas pipeline Connection point Structural improvement

X933.4

B

1673-257X(2017)05-0006-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.002

赵力伟(1986～)，男，硕士，工程师，从事承压类特种设备检验检测及科研工作。

赵力伟，E-mail: tjlwzhao@163.com。

2016-12-10）