CN108119761A - 一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，首先是收集并分析天然气管道工况信息；然后建立天然气管道气液两相流体模型；之后基于天然气管道两相流体模型，进行两相流流型和流态演化的数值模拟；最后建立二氧化碳腐蚀模型，得到二氧化碳腐蚀速率，结合得到的管道腐蚀破坏的概率P_tot计算管道腐蚀速率，预测管道使用寿命。本方法基于现场实际数据收集，提出两相流流体计算及二氧化碳腐蚀模型，集中讨论了天然气管道中两相流对二氧化碳腐蚀的作用，并使用计算机数值模拟出两相流下天然气管道二氧化碳腐蚀预测的全套过程，为气液两相流下天然气管道安全性提供技术支持。

Description

一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法

技术领域

本发明属于油气田设备技术领域，具体涉及一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法。

背景技术

随着我国对清洁能源需求的增长，天然气的开采量不断增大。然而在天然气的开采过程中，绝大部分区块含有CO₂、H₂O等腐蚀介质。天然气在运输过程中也伴随着这些腐蚀介质，这不仅影响天然气输送管道和设备的使用寿命，也会对环境造成污染。随着天然气用量的不断增大，对天然气的输送能力要求也不断提高，输送过程中的温度、压力、流速不断提高，管材在流场作用下的腐蚀问题也愈加突出，因此，研究流场作用下的管道内腐蚀预测问题，对于实验指导在役天然气输送管道系统的检测工作量，保障管道系统的安全运行，具有重大的现实意义。

天然气输送管道的内腐蚀不仅预测检测困难，而且会严重影响输送效率，设备安全和管道的可靠性。管道的内腐蚀不仅会造成管道的维护与更换周期变短，而且腐蚀产物层会应先管柱的传热效率，降低介质的流速，使管道的输送动力能源消耗增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种气液两相流下天然气管道腐蚀速率的预测方法，通过收集天然气管道实际工况数据，建立两相流流体及二氧化碳腐蚀模型进行，能够有效预测气液两相流下二氧化碳对天然气管道的腐蚀速率。

本发明提供的技术方案如下：

一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，包括以下步骤：

步骤1)收集天然气管道工况信息，包括温度、压力、介质成分、气液比、二氧化碳含量、各相流速；

步骤2)建立各组分的动量守恒方程、能量守恒方程、质量守恒方程，建立天然气管道气液两相流体模型；

步骤3)基于天然气管道气液两相流体模型，在对天然气管道工况信息收集分析的基础上，通过建模，对管道内流体进行两相流流型和流态变化的数值模拟，得到管段不同位置的温度、压力、二氧化碳分压、流速、水含量的数据以及管道内某部位出现液态水的概率P_w，计算得到管道腐蚀破坏的概率P_tot；

步骤4)根据二氧化碳腐蚀理论，建立二氧化碳腐蚀模型，将两相流流型和流态变化的数值模拟结果作为腐蚀条件代入二氧化碳腐蚀模型，得到管道二氧化碳腐蚀速率V_c，最后得到管道腐蚀速率V＝V_cP_tot，通过管道腐蚀速率V和腐蚀性评价指标预测管道腐蚀程度。

步骤3)中采用matlab编写程序将气液两相流体模型离散为可计算的形式，将天然气管道工况数据导入该模型，进行两相流流型和流态变化的数值模拟。

步骤4)中所述的二氧化碳腐蚀模型如下：

式中：V_c是二氧化碳腐蚀速率；C₁是缓蚀剂修正因数；β_T是温度修正因子；k,a,b,d，C_cof腐蚀速率的修正参数，其中k,a,b,d，C_cof通过室内试验结果得到，对腐蚀速率进行修正；T是温度；是CO₂分压；pH是介质值。

所述缓蚀剂修正因数C₁表达式如下：

式中，A是缓蚀剂效率系数，L是缓蚀剂部分等效管长，通过室内试验结果确定，L₀是管道总长。

所述管道腐蚀破坏的概率P_tot＝P_wP_cr，其中，P_w是管道内某部位出现液态水的概率，P_cr是管道内腐蚀深度超过临界值的概率。

所述管道内某部位出现液态水的概率P_w＝L₁/L₀，式中L₁是管道内存有液态水的长度，L₀是管道总长度。

本发明的有益效果是：本方法基于现场实际数据收集，提出两相流流体计算及二氧化碳腐蚀模型，集中讨论了天然气管道中两相流对二氧化碳腐蚀的作用，并使用计算机数值模拟出两相流下天然气管道二氧化碳腐蚀预测的全套过程，为气液两相流下天然气管道安全性提供技术支持。

下面将对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，包括以下步骤：

步骤1)收集天然气管道工况信息，包括温度、压力、介质成分、气液比、二氧化碳含量、各相流速；

步骤2)建立各组分的动量方程、能量方程、质量方程，建立天然气管道气液两相流体模型；

步骤3)基于天然气管道气液两相流体模型，在对天然气管道工况信息收集分析的基础上，通过建模，对管道内流体进行两相流流型和流态变化的数值模拟，得到管段不同位置的温度、压力、二氧化碳分压、流速、水含量的数据以及管道内某部位出现液态水的概率P_w，计算得到管道腐蚀破坏的概率P_tot；

步骤4)根据二氧化碳腐蚀理论，建立二氧化碳腐蚀模型，将两相流流型和流态变化的数值模拟结果作为腐蚀条件代入二氧化碳腐蚀模型，得到管道二氧化碳腐蚀速率V_c，最后得到管道腐蚀速率V＝V_cP_tot，通过管道腐蚀速率V预测管道寿命，评价管道服役安全。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，具体步骤如下：

步骤1)收集天然气管道工况信息，包括温度、压力、介质成分、气液比、二氧化碳含量、各相流速；

步骤2)根据流体力学理论以及天然气管道两相流涉及的运动状态，采用理论分析建立天然气管道气液两相流体模型，模型包括动量、能量、质量模型，分别建立动量守恒方程、能量守恒方程、质量守恒方程和传质模型；

(1)建立质量守恒方程(连续性方程)：

式中，ρ是流体密度，V是流体速度，流体速度V的张量。

(2)建立动量守恒方程：

X方向：

y方向：

z方向：

式中，μ、υ、w是速度分量，p是流体各向同性压强，τ是与流体粘性有关的剪切力，f是体积力；目的是得到流体的速度分布。

(3)建立能量守恒方程：

式中，e是热力学能，q是对系统传输的热流，k是热传导系数，τ_xx是xx方向上的剪切力，T是温度。

(4)建立传质模型：

通过第i种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数，Y_i。其守恒方程如下：

其中，ρ是密度，v是扩散流动速度，J_i是混合物中第i种物质的扩散通量，R_i是化学反应的净产生速率，S_i为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率，i＝1，2，3分别代表CH₄、CO₂、H₂O三种物质。目的是得到流体的成分变化。

步骤3)使用matlab编写程序将天然气管道两相流体模型离散为可计算的形式，将天然气管道工况数据导入模型，进行两相流流型和流态演化的数值模拟，得到管段不同位置的温度、压力、CO₂分压、流速、水含量的数据以及管道内某部位出现液态水的概率P_w，计算得到管道腐蚀破坏的概率P_tot；引入概率数来描述不同位置发生破坏的概率，概率数P_tot表达式如下：

P_tot＝c_pP_wP_cr

其中P_tot是管道腐蚀破坏的概率，P_w是管道内某部位出现液态水的概率，P_cr是管道内腐蚀深度超过临界值的概率，c_p是概率修正因子。

步骤4)根据二氧化碳腐蚀理论，对管道内CO₂腐蚀机理及腐蚀数据(腐蚀介质成分、温度、压力)的分析基础上，建立二氧化碳腐蚀模型，将两相流流型和流态变化的计算结果作为腐蚀条件代入二氧化碳腐蚀模型腐蚀模型，得到二氧化碳腐蚀速率；二氧化碳腐蚀模型表达式为：

式中：V_c是二氧化碳腐蚀速率；C₁是缓蚀剂修正因数；β_T是温度修正因子；k,a,b,d，C_cof腐蚀速率的修正参数，其中k,a,b,d，C_cof通过室内试验结果得到，对腐蚀速率进行修正；T是温度；是CO₂分压；pH是介质值；

考虑了缓蚀剂对腐蚀的影响，缓蚀剂修正因数C₁表达式如下：

式中，A是缓蚀剂效率系数，L是缓蚀剂部分等效管长，L₀是管道总长。

最后得到管道腐蚀速率V＝V_cP_tot，通过管道腐蚀速率V和腐蚀性评价指标预测管道腐蚀程度，评价管道服役安全。

国内外有不同的腐蚀性评价指标，目前，国标GB/T 23258-2009及NACE MR0175/ISO中，当管道腐蚀速率V＜0.025mm/a，则管道腐蚀程度低；V为0.025-0.12mm/a，则管道腐蚀程度中；V为0.13-0.25mm/a，则管道腐蚀程度较重，V＞0.25mm/a，则管道腐蚀程度严重。

其中，气液两相流体模型的本构关系使用的是基于摩擦因子修正的Taitel-Dukler一维两相流体本构模型。步骤2)中的流动、传质、传热模型采用流体力学N-S方程计算；两相流流动模型采用VOF模型计算；物质在流体中的扩散采用对流扩散模型计算。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知技术或常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)收集天然气管道工况信息，包括温度、压力、介质成分、气液比、二氧化碳含量、各相流速；

步骤2)建立各组分的动量守恒方程、能量守恒方程、质量守恒方程，建立天然气管道气液两相流体模型；

步骤3)基于天然气管道气液两相流体模型，在对天然气管道工况信息收集分析的基础上，通过建模，对管道内流体进行两相流流型和流态变化的数值模拟，得到管段不同位置的温度、压力、二氧化碳分压、流速、水含量的数据以及管道内某部位出现液态水的概率P_w，计算得到管道腐蚀破坏的概率P_tot；

步骤4)根据二氧化碳腐蚀理论，建立二氧化碳腐蚀模型，将两相流流型和流态变化的数值模拟结果作为腐蚀条件代入二氧化碳腐蚀模型，得到管道二氧化碳腐蚀速率V_c，最后得到管道腐蚀速率V＝V_cP_tot，通过管道腐蚀速率V和腐蚀性评价指标预测管道腐蚀程度。

2.根据权利要求1所述的一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，其特征在于：步骤3)中采用matlab编写程序将气液两相流体模型离散为可计算的形式，将天然气管道工况数据导入该模型，进行两相流流型和流态变化的数值模拟。

3.根据权利要求1所述的一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，其特征在于：步骤4)中所述的二氧化碳腐蚀模型如下：

<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>T</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>C</mi> <mi>F</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>b</mi> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mo>(</mo> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mi>p</mi> <mi>H</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </msup> </mrow>

式中：V_c是二氧化碳腐蚀速率；C₁是缓蚀剂修正因数；β_T是温度修正因子；k,a,b,d，C_cof腐蚀速率的修正参数，其中k,a,b,d，C_cof通过室内试验结果得到，对腐蚀速率进行修正；T是温度；是CO₂分压；pH是介质值。

4.根据权利要求2所述的一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，其特征在于：所述缓蚀剂修正因数C₁表达式如下：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>A</mi> <mfrac> <mi>L</mi> <msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </msup> </mrow>

式中，A是缓蚀剂效率系数，L是缓蚀剂部分等效管长，通过室内试验结果确定，L₀是管道总长。

5.根据权利要求1所述的一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，其特征在于：所述管道腐蚀破坏的概率P_tot＝P_wP_cr，其中，P_w是管道内某部位出现液态水的概率，P_cr是管道内腐蚀深度超过临界值的概率。

6.根据权利要求5所述的一种气液两相流下天然气管道腐蚀程度预测方法，其特征在于：所述管道内某部位出现液态水的概率P_w＝L₁/L₀，式中L₁是管道内存有液态水的长度，L₀是管道总长度。