摘 要

在油气管道运输过程中，油品或天然气中的泥沙和金属颗粒杂质会对管道形成冲蚀磨损，造成油气输送管道的失效。本论文围绕钢珠颗粒-水两相流管道展开研究，旨在研究各种因素对管道压力特性和磨损特性的影响，利用FLUENT建立DPM模型和冲蚀磨损模型，通过分析数值计算得到的结果后发现：弯管内压力特性受水流速度的影响较大，而与颗粒直径无关，但颗粒的存在与否却会对压力特性造成一定的影响；冲蚀磨损特性与多种因素有关，随着水流速度和颗粒直径的增大，管道的最大冲蚀磨损量都增大，且冲蚀磨损区域主要位于弯曲部分和管道下游直管段；其中随着水流速度增加，冲蚀磨损区域逐渐向弯曲部分前半段移动，随着颗粒直径增大，冲蚀区域逐渐向弯管弯曲部分中间段外侧集中，且磨损区域面积减小。在油气管道运输时减少流体中杂质颗粒可以减少管道的腐蚀失效，适当减小运输速度可以保证管道的运行安全。

关键词：弯管；两相流；冲蚀磨损；数值模拟

Abstract

In the oil and gas pipeline transportation system, the sand and metal particles in oil or natural gas pipeline would lead to the erosion of pipeline, resulting in the failure of oil and gas pipelines. The paper study the influence of steel particles - water flow pipes, designed to study the function of various factors to pipeline pressure feature and elbow erosion. Using the FLUENT to establish DPM model and erosion model, after analyzing the results obtained by numerical calculation, we can get a conclusion :The characteristics of pressure is affected by water flow rate, regardless of the particle diameter，but the existence of particles would have a effect on pressure; erosion features is related to a variety of factors. With the increasing of flow velocity and particle diameter, the maximum amount of pipeline erosion are increased, and erosion areas are mainly located in the curved section of the pipeline and downstream straight pipe. With the increasing of flow rate, the erosion area gradually moves to the half front curved section of pipeline, while increasing the particle diameter, the erosion area moves to the middle part of elbow, and the area is reduced. Reducing the impurity particles in oil and gas will reduce the corrosion failures in oil and gas pipeline transportation system,as well as slowing down flow velocity of steam.

Key words: Elbow; Two-phase flow; Erosion; Numerical simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 2

1.3计算流体力学(CFD)与FLUENT软件简介 3

1.3.1计算流体力学（CFD）简介 3

1.3.2 FLUENT软件简介 4

1.4影响冲蚀磨损特性的因素介绍 4

1.5主要研究内容与技术路线 5

1.5.1 主要研究内容 5

1.5.2技术路线 5

第2章 两相流模型的建立与求解 7

2.1多相流模型介绍 7

2.1.1多相流模型的选择 7

2.1.2欧拉多相流模型介绍 7

2.1.3 DPM模型介绍 8

2.2数学模型 9

2.2.1 N-S方程模型 9

2.2.2 湍流动力学模型 9

2.2.3离散相轨道模型 10

2.2.4冲刷磨损计算模型 10

2.3物理模型 10

2.4网格划分 11

2.5数值计算参数输入 12

2.5.1模型设置 12

2.5.2边界条件 12

2.6本章小结 13

第3章 90°弯管两相流摩阻特性 14

3.1进口流速对弯管内压力的影响 14

3.2颗粒的存在对管内压力的影响 16

3.3颗粒直径大小对管内压力的影响 19

3.3本章小结 21

第4章 90°弯管两相流冲蚀磨损 22

4.1进口水流流速对弯管磨损的影响 22

4.2钢珠颗粒直径对弯管冲蚀磨损的影响 24

4.3防冲蚀磨损措施 26

4.4本章小结 26

第5章 总结与展望 28

5.1总结 28

5.2展望 28

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

随着经济的发展，石油和天然气的需求量也越来越大，油气已经成为了人们生产、生活不可或缺的能源。因而，保证石油天然气的稳定供应，对于维持国民生产和经济的稳定具有重要的意义。

在油气资源的开发利用过程中，管道运输由于具有安全可靠、连续性强、耗能少、成本低、效益好等诸多优点，目前已经成为了最主要的石油天然气运输方式。随之而来的，油气管道运输的安全性问题也越来越引人关注。

管道运输作为五大运输方式之一，已经有了100多年的历史，目前为止发达国家的原油管道输量占其总输量的90％以上，成品油的长距离运输也基本实现了管道化；天然气管道输送量达到95％以上。中国的油气管道发展较晚，中国在1958年冬修建了我国第1条现代输油干线管道:新疆克拉玛依到乌苏独山子的原油管道；60年代以后，多个大油田陆续被开发，并在东北、华北、华东地区先后修建了20多条输油管道。除此之外，在新疆克拉玛依—乌鲁木齐，广东茂名—湛江等地也建设了多条原油输送管道。1961年，我国在四川省建成第1条输气管道；80年代以后，华东、华北地区的输气管道开始密集起来，将各大油田产的天然气输向北京、天津、开封等城市。截止至2010年年底，我国已建成的天然气管道共计4．5万千米，原油管道2．2万千米，成品油管道1．8万千米，油气管道的总长度共计达到8．5万千米。我国已经形成了纵贯南北、覆盖全国、连通海外的油气管网格局，正在逐步形成资源多元化、调配灵活化、管理自动化的产运销体系。天然气管道成为近年来我国油气管道建设的重点，河西走廊等油气管道走廊带正在形成。与此同时，各地方政府正加快天然气建设步伐，积极构建省内天然气管网；与煤制天然气项目配套的管道正在加紧设计和建设。“十二五”期间，全国将新建天然气管道4．5万千米、原油管道0．9万千米、成品油管道2万千米。到2015年，我国油气管道总长度将达到15万千米。

在油气管道运输过程中，管道内部的环境十分恶劣，管道内经常是油、气、水多相流同时存在，还存在 H₂S、CO₂、盐(氯化物)、泥沙等多种腐蚀性介质^[1]，在一定状况下甚至会出现高温高压条件。油气输送管内部如果长期遭到剧烈的腐蚀和冲刷，会导致管道材料性能的恶化，最终造成管道失效，严重影响到油气田的安全生产，甚至还可能会引起人员伤亡和环境污染等灾难性事故，一直以来是油气工业所面临的重大难题。