鮑明昱，熊建嘉，崔銘芳，劉 暢，王 勇，廖柯熹，李黨建，田定超，劉恩斌

(1.中國(guó)石油西南油氣田公司 安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川 成都 610041；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司儲(chǔ)氣庫(kù)分公司，北京 100029；3.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

天然氣從氣井開(kāi)采出來(lái)后，若不進(jìn)行脫水、脫烴處理，在管道輸送中由于管程變化、管道運(yùn)行壓力以及溫度等參數(shù)的改變會(huì)使管道中出現(xiàn)凝析液，在遇到彎頭、水平直管段位置時(shí)，會(huì)使得液相發(fā)生聚集[1-3]。某單井站場(chǎng)中原料氣含有H2S，CO2，積液會(huì)沖刷管道內(nèi)壁，和酸性氣體的共同作用加速管壁電化學(xué)腐蝕并縮短管道的使用壽命[4-6]。由該單井站場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)管線彎頭減薄2.2～2.4 mm的數(shù)量約占2%，管道彎頭處壁厚減薄現(xiàn)象嚴(yán)重，管線檢測(cè)位置的選取有較大的經(jīng)驗(yàn)性，且需要在站內(nèi)設(shè)置大量的檢測(cè)點(diǎn)，這間接地增加了管線檢測(cè)的成本。因此，開(kāi)展?jié)駳夤艿婪e液分布規(guī)律的研究非常必要，對(duì)于濕氣管道的穩(wěn)定、安全運(yùn)行有著重要的意義。

近些年來(lái)眾多學(xué)者運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)CFD方法，對(duì)管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)和腐蝕情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析腐蝕規(guī)律，以便有針對(duì)性地做出預(yù)防措施。張友波等[7]對(duì)10種截面含液率計(jì)算式進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出Minami-BrillⅠ，Minami-BrillⅡ，Lockhart-Martinelli 3種計(jì)算式的計(jì)算結(jié)果誤差較小，可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)；郭永鑫等[8]分析模擬“V”型復(fù)雜管路充水過(guò)程中的氣液兩相流態(tài)變化特性，并建立充水過(guò)程的氣液兩相流控制方程；Su等[9]運(yùn)用ANSYS Fluent軟件模擬分析輸氣管道異常振動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管道振動(dòng)與管內(nèi)的流體壓力波動(dòng)密切相關(guān)，并提出相應(yīng)的減振方案。

本文利用CFD技術(shù)分析井站管道積液分布規(guī)律，并將其與現(xiàn)場(chǎng)壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，找到腐蝕與積液之間的關(guān)系。幫助管理人員更快、更準(zhǔn)地預(yù)測(cè)站內(nèi)管道易發(fā)生腐蝕的積液聚集區(qū)域，提高站內(nèi)完整性管理水平。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

本文主要研究井站主管線內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)。管線內(nèi)液相來(lái)源是天然氣在管輸過(guò)程中產(chǎn)生的凝析水，氣相為天然氣。各相存在相互作用力，需要計(jì)算各相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[10]。

1.1.1 控制方程

此次兩相流數(shù)值模擬采用Euler-Euler法，其中VOF模型和Mixture模型，均是單流體模型，即均是求解2相混合物的動(dòng)量方程[11]。VOF模型適用于2相有明顯分界面、自由面流動(dòng)。Mixture模型在其基礎(chǔ)上考慮了2相之間的擴(kuò)散作用，引入滑移速度，即允許2相之間以不同的速度運(yùn)動(dòng)，適用于高壓低負(fù)載流動(dòng)、沉降[12]。而現(xiàn)場(chǎng)原料氣持液率較低，且運(yùn)行壓力高，并有一定的速度差。與現(xiàn)場(chǎng)檢壁厚測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Mixture模型更符合模擬要求。

1)質(zhì)量守恒方程

假設(shè)管道內(nèi)流體體積變形率為0，即不可壓縮，液相在入口邊界均勻分布[13]。質(zhì)量守恒方程如式(1)所示：

(1)

式中：x,y,z分別為三維坐標(biāo)方向;vx,vy,vz分別為速度在x,y和z方向的分量,m/s。

2)動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程如式(2)所示：

(2)

1.1.2Correl函數(shù)

Correl函數(shù)本身用于統(tǒng)計(jì)學(xué)，目的是確定X和Y2組數(shù)據(jù)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)等于1，說(shuō)明這2組數(shù)據(jù)嚴(yán)格正相關(guān)；若等于0則說(shuō)明不相關(guān)[14]。Correl函數(shù)如式(3)所示：

(3)

1.2 物理模型及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

運(yùn)用CFD方法模擬分析管道內(nèi)積液位置，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)天然氣主管線現(xiàn)場(chǎng)圖，通過(guò)ANSYS SCDM軟件對(duì)該單井站場(chǎng)的主管線進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

圖1 主管線SCDM模型建立

以井口至NG-001管段為例，運(yùn)用ICEM對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，管道壁面生成邊界層以提高計(jì)算精度。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從118×104增加至320×104時(shí)，壁面最大體積含液率變化僅有10-6，可認(rèn)為118×104已達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為該單井站場(chǎng)的管道積液現(xiàn)象主要與管道內(nèi)壓力、流量和含水率有關(guān)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研所獲取的正常生產(chǎn)期內(nèi)的數(shù)據(jù)確定3組模擬工況，如表1所示。

表1 單井站場(chǎng)模擬工況

1.3 求解方法

在ANSYS Fluent軟件中，基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器，采用SIMPLE算法求解，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率采用二階迎風(fēng)格式離散，殘差小于10-4視為收斂。

2 結(jié)果與討論

2.1 管道內(nèi)部流場(chǎng)分析

為更好地分析獲取模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，分析內(nèi)部流動(dòng)特性，便于展示管道內(nèi)液相體積率，對(duì)管道進(jìn)行截面選取，彎管0°,45°,90°處設(shè)置截面，直管段每隔1 m左右進(jìn)行截面選取。將所選取的截面的3組工況繪制不同工況最大體積含液率曲線，如圖3所示。

圖3 井口至NG-001段不同工況含液率曲線

從圖3中可以看出各工況的含液率變化趨勢(shì)基本一致，含液率大小隨著原料氣含水量以及流程的變化而變化。在頂點(diǎn)(彎頭截面3、截面8、截面15、截面28處)，管道最大體積含液率均會(huì)有所上升，而在直管段(截面17～26)處，最大體積含液率均無(wú)大的波動(dòng)，最大壁厚減薄量在彎頭截面處明顯增大，在彎頭處(截面7～9)最大達(dá)到4.4 mm，而直管段最大減薄量?jī)H有0.8 mm。在連續(xù)彎頭(截面28～32)處管道最大體積含液率達(dá)到最值，因此為避免液相大量聚集，應(yīng)盡量減少連續(xù)彎頭的出現(xiàn)。選取其中1組工況進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)壁厚檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場(chǎng)管線實(shí)際壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)與管線液相體積含液率進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)彎頭、直管段進(jìn)行壁面體積含液率數(shù)據(jù)提取(數(shù)據(jù)提取規(guī)則遵循右手螺旋定則)，檢測(cè)位置如圖4所示。

圖4 檢測(cè)位置選取

其中“A,B…”為測(cè)點(diǎn)所在環(huán)截面代號(hào)，A1,B2……為截面編號(hào)。

運(yùn)用透涂層測(cè)厚儀Multigauge5600對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道相應(yīng)部位進(jìn)行壁厚測(cè)定，該測(cè)厚儀是通過(guò)超聲波在金屬之間產(chǎn)生的回波來(lái)計(jì)算金屬厚度值，精度達(dá)到±0.1 mm[15]。其中彎頭壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，將彎頭截面A1,B2,C1所測(cè)量的管壁減薄量與模擬所得管壁體積含液率繪制曲線，如圖5所示。

表2 NG-001-R1壁厚測(cè)定

從圖5中可以看出A1從0°至360°體積含液率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在180°處含液率有所增大；在180°～270°區(qū)間內(nèi)減薄量達(dá)到最大值3.6 mm。從B2截面看出體積含液率從0°到360°呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這是由于截面B2位于彎頭45°處，受到離心力影響液相會(huì)聚集在管道外壁處，最大減薄量3 mm與最大體積含液率均處在0°左右。截面C1位于豎直彎頭外壁處，受到離心力作用會(huì)使液相聚集在管道外壁處，同時(shí)受到重力作用液相會(huì)沿著管壁向下流。體積含液率從0°到360°呈現(xiàn)先減小，在180°又有所上升，之后再減小又增大的趨勢(shì)，同時(shí)最大減薄量3.8 mm與最大體積含液率均處在0°左右。運(yùn)用Correl函數(shù)計(jì)算減薄量與壁面體積含液率之間的相關(guān)系數(shù)，得出在A1截面相關(guān)系數(shù)為0.862，由于該截面位于連接井口直管段處，井口采出的原料氣流速快、溫度高，氣體攜液能力強(qiáng)，液相不易聚集，因此在該截面最大與最小壁厚僅相差0.2 mm。在B2截面相關(guān)系數(shù)為0.873，在C1截面相關(guān)系數(shù)為0.884。

圖5 截面體積含液率與管壁減薄量關(guān)系

將直管NG-001-Z1截面A1,A2按照右手螺旋定則進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，其中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得彎頭壁厚如表3所示，并將截面A1,A2管壁處體積含液率與所測(cè)壁厚減薄量繪制曲線，如圖6所示。

表3 NG-001-Z1壁厚測(cè)定

從圖6中可以看出截面A1和A2位于水平長(zhǎng)直管段，液相受到重力作用會(huì)聚集在管道底部位置，均在180°左右體積含液率達(dá)到最大值。而A1截面最大減薄量0.6 mm與最大體積含液率均在180°～210°之間，A2截面最大減薄量0.8 mm與最大體積含液率均在120°～180°之間。計(jì)算減薄量與壁面體積含液率之間的相關(guān)度，得出在A1截面相關(guān)系數(shù)為0.799，在A2截面相關(guān)系數(shù)為0.424。

圖6 截面體積含液率與管壁減薄量關(guān)系

將全站場(chǎng)部分彎頭(R)、直管段(Z)的壁厚監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比計(jì)算相關(guān)系數(shù)，如圖7所示，所檢測(cè)的彎頭(R1～R5)截面含液率與壁厚減薄量之間相關(guān)系數(shù)平均值均高于直管段(Z1,Z2)，達(dá)到70.1%以上。這是由于相較于直管段，彎頭部位受腐蝕風(fēng)險(xiǎn)高、壁厚減薄程度差異大，所以目前的檢測(cè)精度可以對(duì)彎頭進(jìn)行有效對(duì)比，直管段則需要更高檢測(cè)精度進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖7 不同檢測(cè)位置相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

1)含液率大小及分布位置與管道結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其大小隨原料氣含水量、流量、壓力的變化而呈正相關(guān)變化。

2)壁厚減薄量和壁面含液率呈正相關(guān)關(guān)系，含液率越大，減薄量越大，彎頭處相關(guān)度為70.1%以上，直管段相關(guān)度為61.15%。

3)積液及特性研究以CFD方法為基礎(chǔ)，并與現(xiàn)場(chǎng)壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證CFD方法運(yùn)用在預(yù)測(cè)管道積液位置的有效性，為現(xiàn)場(chǎng)管道檢測(cè)工作提供技術(shù)支撐，提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作針對(duì)性，減少檢測(cè)工作量，提高站內(nèi)完整性管理水平。