谢明1,2,3  吴贵阳1,2,3  陈伟4

1. 中国石油西南油气田分公司天然气研究院； 2. 国家能源高含硫气藏开采研发中心；

3. 中国石油天然气集团公司高含硫气藏开采先导试验基地； 4. 中国石化西南油气分公司川东北采气厂

摘  要：为了定量描述液体在搅拌釜内产生的剪切力与现场管线受到的液体剪切力的对应关系，通过fluent软件模拟计算了液体在直管段、弯管及搅拌釜内的剪切力分布情况。结果表明，液体在直管段内的剪切力呈阶梯状分布，而弯管内的液体剪切力在弯管内侧和流体流向12点钟方向最大，搅拌釜内的最大液体剪切力则位于桨叶处。搅拌釜内最大液体剪切力与弯管内最大剪切力相当，而釜壁所受剪切力情况与流速较低时的直管段内所受剪切力情况相当。据此，可开展不同条件下的冲刷腐蚀模拟评价试验。

关键词：fluent； 数值模拟； 剪切力； 流速

页岩气开发过程中，大量石英砂被注入地下裂缝作为支撑剂使用。随着页岩气井投产，井底部分石英砂随气液介质从井底进入地面集输系统。生产过程中，管线受气、液、固三相流体冲击与介质腐蚀的协同作用，造成腐蚀加速，即冲刷腐蚀。对于静态流体，金属在腐蚀介质作用下产生腐蚀产物膜覆盖在金属表面，具有一定的缓蚀效果，而流体的冲击力造成的腐蚀产物膜脱落，则进一步加剧了腐蚀。部分学者基于数值模拟计算方法，研究了一定工况条件下，导致腐蚀概率变大的原因[1,2]。目前，研究冲刷腐蚀的设备主要有动态高温高压釜试验装置、旋转电极试验装置、射流冲刷腐蚀试验装置、管流式冲刷腐蚀试验装置、科里奥利冲蚀试验装置[3]，最常用的为动态高温高压试验装置，但利用该装置模拟生产管线内介质流型、流态的适应性并没有深入研究案例。本文通过模拟计算液体在搅拌釜内产生的剪切力与现场管线受到的液体剪切力的对应关系，有利于针对现场生产情况开展不同条件下的冲刷腐蚀模拟评价试验。

1 数学描述

流体控制采用标准k-ε双方程模型，标准k-ε模型自从被Launder和Spalding提出后，就变成工程流场计算中的主要工具，它是个半经验公式。标准k-ε双方程模型假定湍动粘度μi是各向同性的，其基本输运方程为：

2 数值模拟

2.1 物理模型

直管段管内径为200 mm，粗糙度0.05 mm，长度2 m，水为流动介质，网格采用三维六面体网格划分方式，整个模型从入口到出口采用扫略方法划分，网格尺寸为2.0 mm，网格节点数为199 980，网格单元为192 357，如图1所示。

图1  直管段模型网格划分

弯管内径为200 mm，粗糙度0.05mm，中心距305 mm，水为流动介质，网格采用三维六面体网格划分方式，整个模型从入口到出口采用扫略方法划分，网格尺寸为2.0mm，网格节点数为435 305，网格单元为421 360，如图2所示。

图2  弯管模型网格划分

搅拌器桨叶的直径为60 mm，桨叶厚度10 mm，桨叶宽度3 mm，将搅拌槽整体分为转子区和定子区两部分，如图3所示。采用非结构网格四面体网格对转子区和定子区分别进行划分，网格尺寸为0.5 mm，转子区网格节点数为15 074，网格单元为77 158。定子区网格节点数为125 515，网格单元为684 133。

图3  转子区与定子区

2.2 直管段模拟计算

利用fluent软件模拟液体流速为1 m/s、3 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s条件下直管段管壁剪切力受力情况，

结果可知，直管段管壁剪切力沿流动方向逐渐减小，随流速增加管壁剪切力逐渐增大。当液体流速达到10 m/s时，管壁最大剪切力可达到236 Pa，如图4所示。

图4  直管段管壁最大剪切力随液体流速变化趋势

2.3 弯管模拟计算

以DN200弯管为研究对象，模拟液体流速为1 m/s、3 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s条件下管壁剪切力受力情况（液体流向从左至右，不考虑重力影响），

结果可知弯管管壁剪切力受力分布不均，其受力最大点为内侧管壁和流出段外侧管壁，流速增加管壁剪切力逐渐增大。当液体流速达到10 m/s时，管壁最大剪切力可达到500 Pa，如图5所示。

图5  弯管管壁最大剪切力随液体流速变化趋势

2.4 搅拌釜模拟计算

实验室搅拌釜内径100 mm，搅拌器直径60 mm，宽度3 mm，在100 r/min、500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min转速条件下，计算分析釜壁剪切力与中心截面速度变化情况，

通过搅拌釜模拟计算可知，随着搅拌桨转速提高，釜壁最大剪切力在转速为2500 r/min时，可达140 Pa，而搅拌桨外沿的剪切力最大可达464 Pa。当釜内液体流速在4 ~5m/s，搅拌釜中心流速可达7 ~8 m/s，但流体分布不均匀，如图6、7所示。

图6  不同转速下釜壁最大剪切力

图7  不同转速下搅拌桨外沿剪切力变化

3  结论

基于数值模拟计算结果，结合页岩气生产工况，可利用动态高温高压试验装置开展不同条件下的冲刷腐蚀模拟评价试验。

（1）搅拌桨周围液体流速可达4 ~5 m/s，中心流速可达7 ~8 m/s，可用以模拟该流速条件下生产管线内的腐蚀状况。

（2）搅拌釜釜壁受到的剪切力与直管段在6 ~7m/s和弯管段在4 ~5m/s液体流速条件下受到的剪切力相当，而搅拌桨中心受到的剪切力完全可以模拟液体流速在10 m/s条件下，直管段和弯管所受到的剪切力。

基于页岩气生产井底出砂的情况，结合上述数值模拟计算方法，可对页岩气集输系统腐蚀情况开展不同温度、压力、流速、介质、砂含量等工况条件下的腐蚀模拟试验。

参考文献：

[1] 刘勇峰，吴明，赵玲等.凝析气田集输管道弯管冲刷腐蚀数值计算[J].腐蚀与防护，2012，33（2）：132-135.

[2] 茅俊杰.气液两相流管道冲刷腐蚀的研究[D].山东大学，2012.

[3] 朱娟，张乔斌，陈宇等.冲刷腐蚀的研究现状[J].中国腐蚀与防护学报，2014，34（3）：199-207.

作者：谢明，男， 1989年生，四川南充人，中国石油西南油气田分公司天然气研究院腐蚀与防护研究所助理工程师，主要从事页岩气集输系统腐蚀状况研究工作。

基金项目：中国石油西南油气田分公司2017年科研项目“长宁页岩气集输系统含砂条件下腐蚀分析与控制措施研究”（20170304-07）。

《管道保护》2018年第1期（总第38期）