基于管线和搅拌釜内剪切力数值模拟辅助研究管线腐蚀区域

谢明1,2,3 吴贵阳1,2,3 陈伟4

1.中*石油西南油气田分公司天然气研究院；

2. .能源高含硫气藏开采研发中心；

3. 中*石油天然气集团公司高含硫气藏开采先导试验基地；

4. 中*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.大，搅拌釜内的.大液体剪切力则位于桨叶处。搅拌釜内.大液体剪切力与弯管内.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*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*步加剧了腐蚀。部分学者基于数值模拟计算方法，研究了*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.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]，.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：

式中ε为耗散率；k为湍动能；u_i为时均速度；G_k为平均速度梯度引起的湍动能产生项；G_b为浮力引起的湍动能k的产生项；Y_M代表可压缩流中脉动扩张的贡献；C_1ε、C_2ε和C_3ε为经验常数；地下室消防管道金属软接头：基于管线和搅拌釜内剪切力数值模拟辅助研究管线腐蚀区域分别为与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；S_k和S_ε是用户定义的源项。基于流体控制方程，结合Fluent软件，可开展相应数值模拟计算。

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。