集输管道天然气携砂冲蚀特性分析及抗冲蚀结构研究

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随着我国工业水平的高速发展,对天然气资源的需求与日俱增。天然气在集输管道内的输运过程中难免存在砂粒、粉尘等固体颗粒物随着管内高速气流一起运动,当流经弯头壁面时,高速流动的砂粒对管道壁面造成了巨大的冲击作用,从而产生弯管壁面的冲蚀磨损变形现象,严重时将导致管壁开裂、穿孔泄漏等危害,使管道失效。鉴于此现象,研究弯管内天然气携砂冲蚀行为对输气管道的安全运行具有重要意义。对于弯管中气固两相流的冲蚀情况,本文依据实际工程中的管道规模参数,基于计算流体力学理论和冲蚀磨损理论,建立了90°弯管天然气携砂冲蚀数值仿真模型。通过单一变量法以不同输运参数(流速、砂粒尺寸、砂粒质量流量)、结构参数(管径、弯径比)和不同流动方式对弯管冲蚀磨损的影响进行数值分析,并考虑了在流固耦合作用下由冲蚀引起的弯管流致变形情况。结果发现,随着各影响因素的变化,管壁的冲蚀形貌也发生不同的变化;随流速、砂粒粒径、砂粒质量流量的增大,弯管壁面受冲蚀磨损程度均呈增长趋势;随管径的扩大,壁面最大冲蚀速率不断减小;随弯径比的增大,壁面的冲蚀磨损程度先增大后减小;弯头处受冲蚀变形程度较为严重,变形总位移的方向是从弯头外侧壁向内侧壁产生挤压变形,且流速、管径和弯径比越大,弯管壁面的最大变形量越大。针对弯管的弯头部位受严重冲蚀磨损情况,以盲通管结构代替传统90°弯头,通过数值模拟分析气固两相流冲蚀下盲通管内流场分布,揭示了盲通管抗冲蚀减磨机理,并对比分析相同工况下90°弯管的壁面最大冲蚀速率变化曲线,发现输运参数(流速、粒径、砂粒质量流量)越大时,盲通管抗冲蚀减磨效果越明显。所得结论对于今后抗冲蚀管道的结构设计以及提高管道的输气效率起到重要理论指导作用。
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