弯管中油水固三相转相对冲刷腐蚀影响研究

姚 景，王文武

(辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)

0 引言

在集输管道中，由于油水两相的存在，导致其流体的流动参数、物性参数发生变化，管道油水含率不同，油水乳状液的流型在水包油型和油包水型之间相互转变，在这2种流型相互转变过程中的临界含水(油)率称为转相点。当油水两相流在转相点运行时，油水的流动特性的变化会导致动量的急剧改变，分散相与连续相之间的会进行热量与能量的交替变化，进而导致管道中的压降以及粘度的变化。王玮等[1]通过研究白油/稠油和水混合会发生局部转相，比较了局部转相压降变化规律；Zhang等[2]研究油水两相的转相点与剪切速率的关系，研究认为，随着含油体积分数增加，油水乳状液的粘度先增大然后再减小，最后达到油相的粘度；孙杰等[3]在研究油水乳状液发现，转相点附近油水两相对于混合流速与温度敏感程度比较高；李传宪等[4]研究乳状液基本理论及其研究基础上发现，配方变量、组成变量以及乳化方案是影响转相的主要因素。以上学者对于管道中的发生转相时的压降变规律、粘度的特性变化、以及影响管道的发生转相的影响因素进行研究分析，但是对于管道中的发生转相时，管道中的冲蚀破坏现象未进行分析研究。李亮[5]、冉亚楠[6]、Pouraria[7]、Hu[8]和Lin[9]等研究了流体力学因素弯曲角度、速度、弯曲角度、曲率半径等对于管道腐蚀破坏的影响。虽然分析研究了流体力学因素对于管道的冲蚀破坏，但未考虑管道中存在的转相对管道压降的影响，油水固多相流的粘度变化与管道的冲蚀速率的关系。

基于前人的研究[10-15]，模拟研究集输管道中输送高粘度原油混合液时，由于弯管中含水率以及入口速度对于集输管道的中流体的转相存在影响。本文分析了固体颗粒杂质在混合液发生转相时管道的冲蚀破坏情况。

1 模型建立

1.1 几何建模与网格的划分

采用120°弯管进行模拟研究，管道由3部分组成，入口直管段L1、出口直管段L2以及弯管段L3。 弯管的管径为D=200 mm；弯径比为3。为了更加清楚地观测管道中的腐蚀现象，L1和L2直管段10D的几何模型如图1所示，其网格示意如图2所示。

图1 120°弯管几何模型示意Fig.1 120° elbow geometry model schematic

图2 120°弯管网格示意Fig.2 Grid diagram of 120° elbow

1.2 计算模型的建立

1.2.1 连续相控制方程

(1)

式中：ak为第k相的体积分数；ρk为第k相的密度，kg/m3;υk为第k相的平均速度，m/s。

1.2.2 动量方程

(2)

1.2.3 湍流方程

(3)

(4)

式中：k为湍流动能，J；ut为湍流粘度，pa·s；k为湍流动能，J；ε为湍流耗散率，W/m3；Gk为由于平均速度引起的湍流动能的产生项；Gb为由于浮力引起的湍动能k的产生项；YM为可压湍流中脉动扩张的贡献；Sk，Sε为自定义无因次参数；C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09为经验常数。

1.2.4 离散相控制方程

DPM模型通过积分Lagrangian坐标系下的离散颗粒的运动方程计算运动轨迹。固体颗粒在两相流中受到绕流阻力、重力、附加质量力、压力梯度力、Basset力、萨夫曼(Saffect)力、马格努斯(Magnus)力等作用力，由颗粒的惯性与受力平衡，分散相颗粒的运动方程：

(5)

式中：up为砂粒速度,m/s；u为连续相速度，m/s；ρp为砂粒密度kg/m3；dp为砂粒直径,μm；gy为y方向重力加速度，为9.81m/s2；Rep为相对雷诺数；CD为曳力系数；Fy为y方向的其他作用力，包括附加质量力、热泳力、布朗力和Saffman升力等；在一定雷诺数范围内，对于球形颗粒，a1，a2，a3是常数，取值参考文献[16]。

1.2.5 冲蚀理论模型

冲蚀模型采用Fluent中[17]颗粒腐蚀与沉积模型。管道壁面的腐蚀速率定义为。

(6)

式中：Rerosion为壁面腐蚀速率，kg/(m2·s)；N为碰撞颗粒数目；ma为颗粒的质量流量，kg/s；C(da)颗粒的直径的函数；θ为颗粒对壁面的侵入角，(°)；f(θ)为侵入角的函数；d(u)相对速度的函数，取2.6 m/s。

2 实验

2.1 转相研究

2.1.1 材料与装置

采用DV-T2粘度温控一体机(上海尼润智能科技有限公司产)，HJ-5多功能搅拌器60 W(江苏金坛荣华仪器制造有限公司产)。

实验油样采用油样为辽河油田锦州采油厂脱水原油，水为自制的蒸馏水。原油物性参数为：温度50 ℃；原油密度为860 kg/m3；原油粘度为2 894 Pa·s。蒸馏水密度为992.22 kg/m3；粘度为0.656 mPa·s。实验中，温度为别取40，50和55 ℃，含水率分别取值为20%，30%，40%，50%，60%，70%和80%。

2.1.2 实验结果及分析

测定原油乳状液在不同温度(40 ℃，50 ℃，55 ℃)，不同含水率(20%～80%)下的粘度特性曲线如图3所示。

图3 不同温度的油水乳状液转相点Fig.3 Phase transition point of oil-water emulsion at different temperatures

由图3可知，当温度为40 ℃时，乳状液的转相点含水率为40%；50 ℃时，乳状液的转相点含水率为50%；55 ℃时，乳状液的转相点含水率为60%附近。而且随着温度的升高，乳状液的转相点向右移动。

2.2 颗粒沉降实验

2.2.1 材料与装置

采用聚焦光束反射测量仪(FBRM-D600L)测量，加入乳状液中的砂粒直径在150～300 μm之间，原油密度为860 kg/m3，原油的粘度为2 894 Pa·s。

2.2.2 实验结果与分析

试验中乳状液的剪切率为0.1 s-1，水浴温度为50 ℃，在含水率分别为40%，50%，60%时，分别向乳状液中逐次加入100，200，300，400颗石英砂颗粒，观察在乳状液中不同颗粒密度情况下，砂粒的沉降率。实验结果如图4所示。

图4 乳状液与沉降颗粒数之间关系Fig.4 The relationship between the number of particles and the number of settling particles in oil-water emulsion

由图4可知，在含水率不同时，随着乳状液中的砂粒颗粒数的增加，砂粒的沉降百分比基本保持在一个定值不变，并且含水率为50%时对应的沉降百分比定值低于含水率为40%和60%时对应的沉降百分比。这是由于乳状液在含水率为50%时，油水之间发生转相，导致乳状液中的粘度增大，包裹在乳状液中的砂粒数目增大，因此，砂粒的沉降数目减小。

在含水率为(20%～80%)时，砂粒的沉降颗粒数目与含水率之间的关系曲线如图5所示。

图5 含水率与乳状液中沉降颗粒数关系曲线Fig.5 Relationship between moisture content and the number of settling particles in emulsion

由图5可知，随着含水率的增加，油水乳状液中的砂粒的沉降数目逐渐增大，在含水率为50%瞬间减小，这是因为在温度为50℃时，乳状液发生转相，粘度瞬间增大，所以砂粒的沉降数目降低。

3 冲刷腐蚀数值模拟

3.1 边界条件和计算方法

管道中流体的为油水固三相，在输送温度下输送油品，其中原油密度为860 kg/m3，原油的粘度为2 894 Pa·s。管道中颗粒密度为2 500 kg/m3，颗粒直径为150 μm，入口颗粒质量浓度为30 g/m3。由于介质的流速比较大，所以采用Reynolds时均方程的RNG湍流模型。弯管中含油率在20%～80%之间变化，入口采用VELOCITY-INLET(速度入口)，壁面粗糙度为10 μm，粗糙常数为0.5；湍流强度为5%；出口采用PRESSURE-OUTLTET(压力出口)。动量方程、湍流动能方程、容积率和湍动能耗散率等采用二阶迎风差分格式，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法求解。

为了便于研究，作如下假设：

1)管道中流体中所含粒子之间相互独立，且为均匀的球形，忽略粒子之间的相互作用；

2)流体为稳定的流动，流体是充满整个管道的；

3)不考虑温度变化对流场的影响；

4)固体颗粒形状为球形的砂粒，且固体颗粒运动为无旋运动；

5)管道的材料为碳钢；

6)弯管的弯角为120°，且保持同一个曲率半径，弯管的椭圆度忽略不计。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 网格无关性验证

以直径为200 mm的弯管为例，网格的关系曲线与最大腐蚀速率如图6所示。

图6 最大腐蚀速率与网格数量之间的关系Fig.6 Relationship between maximum corrosion rate and mesh number

由图6可知，在网格数比较少的情况下，最大冲腐率随着网格的数目增多波动比较大，当网格数达到4.5×105后，最大腐蚀速率趋于稳定；在考虑计算内存以及模拟效果等条件下选用网格数为4.5×105。

3.2.2 管道中流型变化

为了进一步验证油水混合液流经弯管时转相的存在，对弯管处的流型进行数值模拟，模拟条件为流速为0.8 m/s，含水率分别为30%，45%，80%，管道中流型变化如图7所示。

图7 不同含水率下120°弯管的流型Fig.7 Flow chart of different moisture content at 120° elbow

由图7可知，在油水的混合速度为0.8 m/s、温度一定的条件下，随着含水率的变化，管道中乳状液的流型为油包水(W/O)、乳状液、水包油(O/W)之间变化。造成这种现象原因是：管道的混合液中含水率增大时，导致的界面张力的减小而引起的转相现象。

3.2.3 不考虑转相冲蚀速率与含水率、速度关系

1)含水率对冲蚀速率的影响

管道中的原油乳状液在入口速度不同的条件下，含水率与管道壁面的冲蚀速率关系模拟结果如图8所示。

图8 含水率与冲蚀速率关系曲线Fig.8 Water content and erosion rate curve

由图8可知，管道的含水率与冲蚀速率近似线性关系，且管道壁面的腐蚀速率随着入口速度增大而增大，当入口速度大于1.2 m/s时，管道的冲蚀速率快速增加。

2)入口速度的影响

含水率不同的条件下，入口速度与管道壁面的冲蚀速率模拟结果见如图9。

图9 入口速度与蚀速率关系曲线Fig.9 Entrance speed and erosion rate curve

由图9可知，入口速度为0.4 ～0.6 m/s时，管道的腐蚀速率急剧增加；入口速率为0.6 ～1.2 m/s时，腐蚀速率平稳变化；入口速率大于1.2 m/s时，腐蚀速率又急剧变化。因此，从冲蚀的角度来看，高粘油集输管道流速应控制在0.8～1.2 m/s为宜。

3.2.4 考虑转相冲蚀速率与含水率、速度关系

1)含水率对冲蚀速率的影响

在混合液温度为50 ℃时，根据颗粒沉降实验结果(见图5)，不同的混合速度下，乳状液中含水率与管壁冲蚀速率之间的关系模拟结果如图10所示。

图10 不同混合速度下油水固三相管流冲蚀速率与含水率的关系Fig. 10 Relationship between erosion rate and moisture content of oil, water, solid, and three-phase flow under different inlets

由图10可知，在管道混合液的含水率为40%～60%之间时，管道中的冲蚀速率先减小后增大，出现峰值。造成这一现象的原因是：含水率为50%左右时，管道中混合液发生转相，即乳状液由W/O变为O/W，其粘度剧增，导致包裹在乳状液中的砂粒数目增多。根据斯托克斯方程可知，当乳状液中的粘度增大时，砂粒的沉降速率减小；由于乳状液流体在管道中发生流向的变化和受到离心力的作用，砂粒更加不易沉降。因此，砂粒与管道壁接触数目减小，乳状液中砂粒对管壁的冲蚀速率减弱。说明当流体转相点附近输送时，管壁磨损程度减小。

2)入口速度的影响

管道中油品的输送温度为50°时，不同的含水率下，乳状液中入口速度与冲蚀速率之间的关系如图11所示。

图11 不同含水率下油水固三相管流冲蚀速率与入口速度的关系Fig.11 Relationship between erosion rate and inlet velocity of oil, water and solid three-phase flow at different water cuts

由图11可知，当管道中含水率为50%时腐蚀速率反而比较低，这是由于在管道中含水率为50%时管道中发生转相导致管道中的粘度增大，裹挟在乳状液中的颗粒增多，砂粒对于管道的磨损减小；并且随着混合速度的增大管道磨损程度增大。

3.2.5 转相与不转相对比分析

转相与不转相情况下，在不同含水率取值下，冲蚀速度随入口速度变化情况如图12所示；在不同入口速度取值下，冲蚀速度随含水率变化情况如图13所示。

图12 不转相和转相乳状液的冲蚀速率对比分析Fig.12 Comparative Analysis of Erosion Rates of Non-inverted and Phase-conversion Emulsions

图13 不转相和转相乳状液的冲蚀速率对比分析Fig.13 Comparative analysis of erosion rate of non-inverted phase and phase inversion emulsion

由图12可知，冲蚀速率随着管道中入口速度的增大而增大。当管道中发生转相时，管道混合液的含水率在40%～60%时，管道的腐蚀速先缓慢然后在急剧增加，然后趋于稳定；当管道中无转相现象存在时，管道的腐蚀速率先急剧增大，再稳定增加，然后急剧增大。

由图13可知，当管道中存在转相现象时，管道的腐蚀速率出现峰值。这是由于管道中的多相流中油水两相发生转相，导致管道中的混合液粘度增大，进而裹挟在油水乳状液中的颗粒杂质的增多，沉降率减小所致；而无转相现象的管道的腐蚀速率，随着入口的含水率增大而增大，近似为线性关系，这是由于管道中的颗粒杂沉降数目增加，与管道的摩擦加剧，导致管道的磨损加大。

4 结论

1)集输管道中输送的高粘原油的转相点与温度有关，温度越高，乳状液发生转相时的含水率越高；而其中的固体颗粒杂质，随着含水率的增大，乳状液中的砂粒的沉降数目也逐渐增大。

2)高粘原油乳状液在集输管道中输送时，当无转相发生时，随着管道中的入口混合速度的增大，管道壁面的冲蚀速率增大；从减小冲蚀的角度来看，高粘油集输管道流速应控制在0.8～1.2 m/s为宜；当有转相的发生时，随着管道中入口混合速度的增大，管道壁面的冲蚀速率增大，但总体小于不考虑转相时的冲蚀速率，且在含水率为50%时，管道壁面的冲蚀速率最小。

3)对于集输管道中输送的高粘原油乳状液，当集输管道中无转相发生时，随着管道中含水率与入口混合速度的增大，管道的冲蚀速率增大；当发生转相时，冲蚀速率总体减小，且在含水率为50%时出现最小峰值，主要是由于转相发生时，乳状液的粘度剧增，管道中油品中包裹的颗粒数目增多，管道冲蚀速率明显减小。

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