流动保障中管道的颗粒侵蚀分析

蜡质沥青质析出等， 在管道颗粒侵蚀方面的研究尚处于起步阶段 。 合物生成、 这里总结影响管道颗粒侵蚀的诸多因素， 指出 API 规范指导生产设计时存在的不足， 评价现有的颗粒侵蚀
［ 56 ］ 、 Tulsa 模型［7-9］、 DNV 模型［10］和 Bourgoyne 模型［3］计算不同工况下的颗粒侵 模型， 并分别采用 Salama 模型 蚀结果。同时， 借助由 AEA 技术开发的流体计算软件 CFX， 实现了对物理实验的数值分析。最后将 5 组计算结
第 30 卷第 4 期 2012 年 11 月 9865 （ 2012 ） 040010011 文章编号：1005-
海 洋 工 程 THE OCEAN ENGINEERING
Vol． 30 No． 4 Nov． 2012
流动保障中管道的颗粒侵蚀分析
张 日，刘海笑
（ 天津大学 建筑工程学院，天津 300072 ）
［3 ］ 蚀破坏 。 3 ） 管道内输送油气的特性。颗粒的撞击速度是影响侵蚀结果最主要的因素 ， 撞击速度与管道内的油气 ［12 ］
一般认为侵蚀结果与油气输送速度的 n （ 取值在 1 ～ 3 之间 ） 次方成正比。 输送速度直接相关。现有模型中， 另一方面， 颗粒经过充分加速会在流向突然变化处撞击管壁造成侵蚀 ， 密度、 粘度较小的输送质在流向变化 处对颗粒的牵引效果较弱， 颗粒对管壁造成侵蚀损伤较大； 反之， 颗粒对管壁的侵蚀损伤较小。因此， 输气管 道会遭受更为严重的颗粒侵蚀。
Solid particle erosion analysis of pipelines in flow assurance
ZHANG Ri，LIU Haixiao
（ School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072 ，China）
图1 Fig． 1
管道中颗粒侵蚀
Solid particle erosion in the pipelines
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API 规范的缺陷
1981 年， API 规范中提到了油气对管道的破坏作用 ， 限制了生产过程所允许的最大油气输送速度 ： V max = C ρM 槡 （ 1）
3 式中： V max 为管道允许的最大输送速度（ ft / s） ； ρ M 为混输油气密度（ lb / ft ） ； C 为经验系数， 无沙连续流建议取
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海
洋
工
程
第 30 卷
100 ， API 并未给出此时 C 的取值范围。 间断流建议取 125 ； 当管道中存在输沙时， 应该适当减小 C 的取值， ［6 ］ Salama 认为在没有输沙的情况下， API 规范中的 C 值过于保守； 当存在输沙时， C 值与许多因素有关， 无法 给出一个精确的范围。 实际上， 式（ 1 ） 仅涉及了油气密度 ρ M 对于侵蚀结果的影响， 该式反映的是油气对于管壁的冲蚀效应。 密度小的油气在流向突然改变处对管壁的冲击作用较小 ， 造成的冲蚀破坏也较小； 反之， 密度大的油气对管 道的冲蚀效应更为强烈。但是当油气中携带沙粒时， 密度对于侵蚀结果的影响则恰好相反。 在流向剧烈变 化处， 密度小的油气对颗粒的牵引效果较差 ， 颗粒将以较大速度撞击管壁， 会造成更严重的侵蚀破坏。 而颗 粒对管壁的侵蚀破坏往往比油气的冲蚀破坏大好几个数量级 式（ 1 ） 在处理输沙管道侵蚀破坏方面与实际情况相悖 。
果同实验数据进行比较， 探讨各预测方法的准确程度与适用范围， 以期对工程应用提供重要的技术参考。
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颗粒侵蚀的影响因素
管道的颗粒侵蚀是一个极为复杂的物理过程 ， 源于油气中携带的颗粒撞击管壁进而造成的材料刮伤 。 当原油和天然气携带颗粒时， 这种材料刮伤普遍存在于 L 型弯头、 三通管、 泵、 阀门、 节流塞等管道部件， 会 大大降低设备可靠性、 增加事故风险， 进而危及周边环境和相关工作人员 。现有模型中对颗粒侵蚀结果的表 征一般为： ① 单位质量颗粒造成的管壁质量损失 E r （ kg / kg ） ； ② 单位时间内颗粒造成的管壁厚度损失 ER （ m / s） ； ③ 单位质量颗粒造成的管壁厚度损失 E p （ m / kg） 。基于已知生产数据， 以下因素影响管道的颗粒侵 蚀结果： 1 ） 颗粒属性与输送率。颗粒对管道部件的侵蚀破坏是大规模颗粒撞击管壁后的整体累积效应 ， 因此侵 蚀结果与颗粒属性息息相关。能够对管壁造成损伤的颗粒尺寸一般在 50 ～ 500 μm 之间； 其中坚硬、 尖锐的 颗粒会造成更严重的侵蚀破坏。此外， 管道对沙子的存在极为敏感， 极少的输沙也能造成颗粒侵蚀， 如工业 －5 ［11 ］ 但是颗粒侵蚀依然存在 。 已有侵蚀模型中， 均 上认为输沙率小于 2． 1 × 10 kg / s 的油井是没有输沙的， 认为侵蚀结果 E p 与输沙率 W 成正比。 2 ） 管道的材质与部件种类。从微观角度来说， 不同材质管道的颗粒碰撞损伤机理不同， 脆性材料的损 塑性材料的损伤则源于剪切破坏 ， 而很多材料同时表现出脆性和塑性特性 。 因此， 管壁 伤源于冲击破坏， 、 。 ， 材料的密度 硬度和展性等均与其耐侵蚀程度有关 另一方面 不同形状管道部件对于流场的限制程度不 同， 颗粒在这些流场中呈现不同的运动规律 ， 造成的侵蚀结果也不同， 其中 L 型弯头会遭受最严重的颗粒侵
要：颗粒侵蚀是管道流动保障研究中的一个主要问题 ， 是导致管壁变薄、 管道破裂的重要原因， 直接关乎油藏能否安全地
摘
输送到采油终端。阐述了影响管道颗粒侵蚀的诸多因素 ， 指出 API 规范中存在的不足， 对现有的颗粒侵蚀模型进行了综合评 提出了一种解决颗粒侵蚀问题的数值方法 。通过计算相关文献中实验工况的颗粒侵蚀结果 ， 比较分析了经验模型和 CFX 价， Tulsa 模型具有较高的计算精度与较广的适用范围 ， CFX 软件在分析管道颗粒侵蚀问题中的优缺点和适用性 。分析结果认为， 软件可以比较准确地计算气雾流管道内的颗粒侵蚀结果 。 关键词：输油管道； 流动保障； 颗粒侵蚀； 经验模型； 数值方法 中图分类号：P751 文献标识码： A
2 1 WV m d S m D2 ρ m
（ 2）

3 2 式中： S m 为管道形状系数（ m / s ） ； W 为输沙率 （ kg / s ） ； V m 为混输油气速度 （ m / s ） ； d 为沙粒粒径 （ m ） ； D 为 3 管道内径（ m） ； ρ m 为混输油气密度（ kg / m ） 。Salama 模型是一个经验模型， 模型中默认的颗粒输送载体是水 和空气， 并没有考虑流体粘性对侵蚀结果的影响 。 该模型通过加权平均的方法计算混输油气密度 ρ m ， 以此
［11 ］
， 是造成输沙管道变薄破裂的主导因素 。 故
3
现有颗粒侵蚀模型
自 20 世纪 80 年代以来， 研究者们相继提出了管道内颗粒侵蚀程度的预测方法 。 这些侵蚀模型大都以 实验结果为依托拟合出相应的计算公式 ， 不考虑颗粒在管道内的运动细节 ， 均属于经验或半经验模型。 Salama 等以实验数据为基础， 拟合出管道内颗粒侵蚀速率的预测公式 ： ER =
处理多相流问题。S m 是管道形状系数， 该模型仅提供了 4 种管道部件的 S m 值， 因此模型的适用范围较窄。 Bourgoyne 根据自己实验结果， 拟合出了管道内颗粒侵蚀速率的经验公式 ： ER = F e ρp W Vm ρ t A pipe 100
( )
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（ 3）
2 2 3 2 式中： F e 为侵蚀系数（ s / m ） ； ρ p ， ρ t 分别为颗粒密度与管壁材料密度 （ kg / m ） ； A pipe 为管道横截面积 （ m ） ； 其 余参量意义同上。该模型并没有涉及油气粘度与油气密度参数 ， 忽略了输送油气性质对侵蚀结果的影响。
0921 收稿日期：2011作者简介：张 日（ 1987 － ） ， 男， 山西长治人， 博士生， 主要从事输油管道中颗粒侵蚀研究。 mail： liuhx@ tju． edu． cn 通讯作者：刘海笑。E-
第4 期
张
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日， 等： 流动保障中管道的颗粒侵蚀分析
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应超过一个极限值
， 但该算法存在缺陷。随后， 研究者们相继提出了计算颗粒侵蚀速率的方法 ， 这些预测 模型大都以已有实验数据为依托 ， 因此具有一定的适用范围。国内对于流动保障问题的已有研究侧重于水
Abstract： Solid particle erosion is a main aspect in flow assurance analysis of pipelines，which will result in thinning and cracking of the pipes and hence directly influences the effectivity and safety of the hydrocarbon fluids transporting to the terminals． Based on disa comprehencussing the influential factors of solid particle erosion and the deficiencies of the analytical formula recommended by API， sive evaluation of the present models for solid particle erosion analysis is performed． Furthermore，a new numerical method is proposed to solve the solid particle erosion in pipelines with CFX． By employing available experimental results，different prediction results from the empirical models and the CFX software are compared． It demonstrates that the Tulsa model shows more advantages in accuracy and applicability and CFX leads to plausible results when applied to spray pipelines． Key words： pipelines； flow assurance； solid particle erosion； empirical models； numerical method
流动保障（ flow assurance） 这一概念最早由 Deepstar 合作组织提出， 是指“整个油田开发期间， 在各种环 ［1 ］ 境条件下， 确保油藏能够被经济地开采出来并顺利送至处理设施的技术 ” ， 是一项关于生产安全、 涉及多 个领域的系统工程。从设计到施工再到操作过程， 各个阶段都应该被严格控制， 从而集合各相关技术实现流 动保障的目的。流动保障研究意义重大， 首先， 油田油井的抢修以及事故引起的停产会带来巨大的经济损 失； 其次， 生产过程中发生的漏油事故可能会造成严重的环境和生态问题 ； 此外， 油气资源作为一种战略能 重大的生产事故可能会引发一连串社会和政治问题 。 源， — —多相流流场特性、 流动保障需要关注生产中的诸多问题 — 天然气水合物生成、 蜡质沥青质析出、 无机 ［2 ］ 盐沉淀、 段塞流对管道的冲击以及油气中颗粒对管道的侵蚀磨损等 。管道中的颗粒来源于油气中携带的 沙粒、 管道中钢屑和各种添加剂， 其中沙粒是最主要来源。油气中颗粒对管道的侵蚀磨损 （ 图 1 ） ， 是导致管 ［3 ］ 道变薄破裂的主要原因 。美国石油协会（ API ） 提出管道内存在输沙时， 生产过程中所允许的输送速度不