石化壓力管道沖蝕失效數(shù)值模擬及影響因素分析
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許根富，王飛，趙哲明，李鵬軒，金浩哲
（1．杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江杭州310051；
2．浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江杭州310018）
摘要：以鎮(zhèn)海REAC出口壓力管道系統(tǒng)碳鋼彎管為例，結(jié)合沖蝕失效機(jī)理，建立沖蝕失效流固耦合數(shù)理模型。利用數(shù)值模擬技術(shù)分析腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜與多相流動(dòng)之間的交互作用，揭示彎管內(nèi)壁剪切應(yīng)力分布及保護(hù)膜主位移、應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律，研究石化壓力管道系統(tǒng)沖蝕失效過程；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)厚數(shù)據(jù)驗(yàn)證有限元分析軟件流固耦合數(shù)值模擬方法的可靠性；并進(jìn)一步對(duì)比分析了流體流動(dòng)特性、管件結(jié)構(gòu)特性等特性參數(shù)對(duì)沖蝕的影響。為石化壓力管道輸送系統(tǒng)的沖蝕失效分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、RBI和定期檢驗(yàn)測(cè)厚定位、壽命預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等安全保障研究提供理論依據(jù)和分析手段。
關(guān)鍵詞：石化壓力管道；沖蝕；流固耦合；影響因素
0 引言
隨著石化壓力管道傳輸?shù)娜找嫫占�，運(yùn)行工況的苛刻化，由壓力管道失效引發(fā)的事故日趨增多，給企業(yè)生產(chǎn)、周邊環(huán)境和公眾安全帶來了嚴(yán)重的影響。石化壓力管道系統(tǒng)失效形式多樣、失效機(jī)理復(fù)雜，其中沖蝕失效是最常見而又很難預(yù)防的破壞形式，具有明顯的局部性、突發(fā)性和危險(xiǎn)性。沖蝕失效是腐蝕與流動(dòng)耦合作用的結(jié)果，即腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜在粘性多相流動(dòng)所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力作用下發(fā)生變形、破損，繼而影響到流場(chǎng)的分布，使剪切作用力進(jìn)一步增加，同時(shí)裸露的金屬再次發(fā)生腐蝕作用，如此往復(fù)，加速了母材流失。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是一個(gè)多相流與腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜流固耦合問題。
本文以流固耦合理論為基礎(chǔ)，以鎮(zhèn)海加氫裂化反應(yīng)流出物空冷器（簡(jiǎn)稱REAC）出口壓力管道系統(tǒng)中的碳鋼彎管為研究對(duì)象，開展沖蝕失效流固耦合數(shù)值模擬研究，并分析介質(zhì)流動(dòng)特性（流動(dòng)速率）、管件結(jié)構(gòu)特性（彎管直徑、曲率半徑）等參數(shù)對(duì)沖蝕的影響，并提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和措施。本文為實(shí)現(xiàn)石化壓力管道系統(tǒng)沖蝕失效的定量預(yù)測(cè)，指導(dǎo)在役管道沖蝕失效的檢測(cè)定點(diǎn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。
1 數(shù)學(xué)模型
依據(jù)石化壓力管道系統(tǒng)沖蝕失效機(jī)理分析可知，多相流與腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜的耦合作用力學(xué)模型及方程可通過腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜上表面的平衡與協(xié)調(diào)關(guān)系引入。變形協(xié)調(diào)條件須滿足腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜的實(shí)際變形條件。動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)條件須滿足粘性多相流的流體動(dòng)力學(xué)條件。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件和動(dòng)力學(xué)協(xié)調(diào)條件建立耦合方程：
式中：妒。。，。為耦合界面上流體的形變場(chǎng)；C:Ppip。為耦合界面上保護(hù)膜的形變場(chǎng)；9。。，。為耦合界面上流體的應(yīng)力場(chǎng)；cppip。為耦合界面上保護(hù)膜的應(yīng)力場(chǎng)。
采用任意拉格朗日-歐拉( Arbitrary Lagrange - Eul-er，ALE)法進(jìn)行流固耦合求解，即在流體區(qū)域采用歐拉單元，在保護(hù)膜區(qū)域采用拉格朗日單元，并在統(tǒng)一的ALE坐標(biāo)系下進(jìn)行求解，使得流體區(qū)域中的流固界面總是隨保護(hù)膜的變形而改變。
依據(jù)ALE描述法的基本理論可推導(dǎo)出粘性多相流體的N-S方程：
粘性流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程的分量形式為：
其中：a。為第k相的體積分?jǐn)?shù)；p。為第k相的質(zhì)量密度；v．、v為流體的流動(dòng)速度分量；vj為計(jì)算網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)速度分量；，為體力向量；P為壓力；)。為第k相的動(dòng)力粘性系數(shù)；k為湍動(dòng)能；占為湍流耗散率；G。為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)。
模型的主要常量為：
腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜固體部分的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述采用La-grange法。其控制方程參照彈性力學(xué)方法建立。
其中：K．為流體施加于保護(hù)膜上的動(dòng)壓力荷載分量；占。為Cauchy應(yīng)變張量；A、p為保護(hù)膜的Lame常數(shù)；E為保護(hù)膜彈性模量；t，為泊松比。
2 數(shù)值方法
石化管道系統(tǒng)沖蝕失效涉及兩個(gè)工程物理場(chǎng)一流體場(chǎng)和固體場(chǎng)。本文采用物理環(huán)境順序耦合法進(jìn)行分析，包括建立幾何模型，劃分網(wǎng)格，創(chuàng)建流體物理環(huán)境，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)物理環(huán)境及交互分析等過程，其數(shù)值計(jì)算流程如圖1所示。
3 影響因素分析
3.1 實(shí)際失效案例仿真分析
以鎮(zhèn)海加氫裂化反應(yīng)流出物出口壓力管道系統(tǒng)中的碳鋼彎管失效為例，管徑：<p114 mm×13.5 mm；曲率半徑：1.5 DN；流速：5 m/sl。工況介質(zhì)的物化特性參數(shù)見表1，方程式(8)中腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜的A、u按彈性力學(xué)方法等效計(jì)算，名義彈性模量為0. 12 GPa，名義泊松比為0. 49，厚度為0.1 mm（沖蝕模擬試驗(yàn)得到）。
彎管內(nèi)壁剪切應(yīng)力分布如圖2所示，彎管出口側(cè)面A區(qū)域剪切應(yīng)力較大，其值為6. 044 Pa，與該區(qū)域?qū)?yīng)的保護(hù)膜的主位移、應(yīng)力、應(yīng)變也較大，其中B處達(dá)到最大，最大拉應(yīng)力為15. 397 Pa，最大彈性應(yīng)變量為3.821 2×10-7，分別如圖3、圖4所示。
3.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)厚驗(yàn)證
為了核實(shí)沖蝕破壞流固耦合的數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性、可行性，運(yùn)用超聲波測(cè)厚儀對(duì)鎮(zhèn)海國產(chǎn)化REAC出口管道系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)厚分析。彎管出口側(cè)面A區(qū)域中B處減薄量最大，高達(dá)5.9 mm，與仿真結(jié)果吻合。由此表明：腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜彈性應(yīng)變量越大，沖蝕失效愈嚴(yán)重，彎管A區(qū)域是沖蝕失效的危險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)域中B處沖蝕最為嚴(yán)重。
3.3 沖蝕失效影響因素分析
在實(shí)際失效案例特性參數(shù)基礎(chǔ)上，分別改變流體流速、彎管管徑、彎管曲率半徑等特性參數(shù)，對(duì)比分析流體流動(dòng)特性、彎管結(jié)構(gòu)特性對(duì)石化壓力管道系統(tǒng)沖蝕的影響。
3.3.1 介質(zhì)流動(dòng)特性影響
保持彎管管徑、曲率半徑和保護(hù)膜泊松比不變，分別計(jì)算流速為1、3、5、7和10 m/s時(shí)的管壁最大剪切應(yīng)力、保護(hù)膜最大拉應(yīng)力及保護(hù)膜最大彈性應(yīng)變量。結(jié)果如圖5所示：隨著流速的增大，管壁最大剪切應(yīng)力、保護(hù)膜最大拉應(yīng)力及保護(hù)膜最大彈性應(yīng)變量逐漸增大，但與流速不成線性關(guān)系。
3.3.2 彎管管徑的影響
保持流體流速、彎管曲率半徑和保護(hù)膜泊松比不變，改變彎管管徑的大小，分別取管徑為中219 mm×24 mm、@325 mm×34 mm、@406 mm×40 mm進(jìn)行沖蝕失效流固耦合數(shù)值模擬，如圖6所示。仿真結(jié)果表明：隨著彎管管徑的增大，管壁最大剪切應(yīng)力、保護(hù)膜最大拉應(yīng)力和保護(hù)膜最大彈性應(yīng)變量逐漸減小。彎管管徑為@114 mm×13.5 mm對(duì)應(yīng)的保護(hù)膜最大彈性應(yīng)變量是管徑為<p406mm x40 mm的1.96倍，沖蝕失效明顯比較嚴(yán)重。這與鎮(zhèn)海REAC系統(tǒng)實(shí)際失效案例解剖研究結(jié)果一致，系統(tǒng)中最小管徑的管束（中25 mm x3 mm）及出口第一個(gè)彎管（@114 mm×13.5 mm）最易發(fā)生沖蝕失效。
3.3.3 彎管曲率半徑的影響
保持流體流速、彎管管徑和保護(hù)膜泊松比不變，改變彎管曲率半徑，分析彎管曲率半徑對(duì)壁面剪切應(yīng)力、保護(hù)膜拉應(yīng)力、保護(hù)膜彈性應(yīng)變量的影響。彎管曲率半徑分別取1、5、10 DN，具體的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。壁面最大剪切應(yīng)力、保護(hù)膜最大拉應(yīng)力以及保護(hù)膜最大彈性應(yīng)變量隨彎管曲率半徑的增大逐漸減小。彎管曲率半徑在1—1.5 DN之間時(shí)，隨著曲率半徑的增大，壁面最大剪切應(yīng)力、保護(hù)膜最大拉應(yīng)力和保護(hù)膜最大彈性應(yīng)變量迅速減小；彎管曲率半徑在1.5~ 10 DN之間時(shí)，壁面最大剪切應(yīng)力、保護(hù)膜最大拉應(yīng)力和保護(hù)膜最大彈性應(yīng)變量隨彎管曲率半徑的增大緩慢減小。因此在條件允許的情況下，適當(dāng)增大沖蝕嚴(yán)重管件的曲率半徑可有效緩減管件的沖蝕失效。
3.4優(yōu)化設(shè)計(jì)
通過沖蝕破壞的流固耦合機(jī)理和數(shù)值模擬研究可知，石化壓力管道沖蝕失效存在一個(gè)臨界狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行工況優(yōu)于臨界狀態(tài)時(shí)，可有效減少管道系統(tǒng)的沖蝕失效。
近年來，各石化企業(yè)相繼對(duì)加氫裂化裝置進(jìn)行擴(kuò)能改造，處理量逐步增加，導(dǎo)致管道系統(tǒng)內(nèi)流體流速增大。由介質(zhì)的流動(dòng)特性影響分析可知，沖蝕失效隨著流速的增加而增加。因此，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在條件允許的情況下（不改變工藝條件），針對(duì)個(gè)別失效嚴(yán)重彎管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，可降低沖蝕失效，有助于整個(gè)管道系統(tǒng)安全、長周期運(yùn)行。例如鎮(zhèn)海REAC出口系統(tǒng)中第一彎管（@114 mm×13.5 mm，1.5 DN）沖蝕失效最為嚴(yán)重，如果將該彎管的管徑擴(kuò)大為西219 mm×24 mm，曲率半徑提高到5 DN，則壁面最大剪切應(yīng)力、保護(hù)膜最大拉應(yīng)力和保護(hù)膜最大彈性應(yīng)變量將明顯下降，能有效的減少?zèng)_蝕失效。具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。
4結(jié)論
1)建立了多相流沖蝕失效流固耦合數(shù)理模型，實(shí)現(xiàn)了石化壓力管道的沖蝕失效預(yù)測(cè)，為定位監(jiān)測(cè)、RBI、壽命預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等安全保障研究提供了理論依據(jù)。
2)通過改變多相流流動(dòng)特性、管件結(jié)構(gòu)特性等特性參數(shù)可減緩石化壓力管道沖蝕失效程度，隨著流體流速的減小和彎管管徑、曲率半徑的增加，壁面最大剪切應(yīng)力、保護(hù)膜最大保護(hù)膜拉應(yīng)力和保護(hù)膜最大彈性應(yīng)變量也隨之減小，沖蝕失效逐漸減緩。
3) API932 -B規(guī)范中采用統(tǒng)一的限制流速來控制整個(gè)REAC系統(tǒng)的沖蝕失效顯然是不合理的，還需考慮系統(tǒng)中典型管件管徑、曲率半徑等特性因素的影響，進(jìn)一步精確其流速的限制范圍，避免事故的頻繁發(fā)生。
4)對(duì)于在役石化壓力管道系統(tǒng)，在條件允許的情況下改變個(gè)別沖蝕失效嚴(yán)重管件的結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，降低管件的沖蝕失效，有助于整個(gè)石化壓力管道系統(tǒng)安全、長周期運(yùn)行。
