CN117131797B - 一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统包括，根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立仿真弯管模型；仿真弯管模型包括无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型与内错边焊缝弯管模型；根据仿真弯管模型，结合欧拉‑拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型；根据冲蚀预测模型，获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系。采用本发明方法，能够清楚掌握错边焊缝缺陷对天然气弯管冲蚀磨损的影响机理，为管道冲蚀预测与防护提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及天然气管道运输工程技术领域，尤其涉及一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统。
背景技术
目前，我国在进行天然气探勘开发及生产利用过程中，从井底直接开采出的天然气往往不是单一的气体，而是天然气、固体颗粒以及一些液体的混合物其中，固体颗粒和流体介质产生了良好的耦合性，从而带有一定的速度，具备了动量。在流体流经弯管时，较大的离心力会使颗粒在弯头处发生碰撞，从而对管体形成冲蚀。冲蚀现象严重影响运送管道的安全性和可靠性。由于弯头结构的特殊性，与管道其他部位相比，弯头更易受到颗粒的冲蚀磨损。因此，研究弯头的冲蚀规律对工程实践具有重要意义。
结合目前现有的研究现状，对于管道气固两相流的冲蚀磨损研究已经有了较为系统的研究成果，尤其是对于典型管件弯头而言，在各种因素影响下的冲蚀特点已经进行了全面的分析。但现有研究大多针对完整管道进行冲蚀数值模拟，将弯管与焊缝缺陷相结合，同时对不同因素影响下结构内壁冲蚀特点的研究较少；利用含焊缝缺陷弯管的冲蚀损伤区域建立单个和多个冲蚀表面裂纹，对含“裂纹+焊缝”缺陷弯管所进行的断裂力学研究也相对有限。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统，能够解决背景技术中存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法，包括：
根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立仿真弯管模型；
所述仿真弯管模型包括无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型与内错边焊缝弯管模型；
根据所述仿真弯管模型，结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型；
根据所述冲蚀预测模型，获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系。
作为本发明所述的天然气弯管冲蚀磨损分析方法的一种优选方案，其中：所述建立仿真弯管模型包括，
根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型、内错边焊缝弯管模型三种固定度数的弯管几何模型；
弯管的摆置方式采取水平-垂直向下方式，完成弯管其他参数仿真，所述其他参数包括管道内壁直径、弯头曲率半径、焊缝宽度、焊缝错边高度、弯管中截面个数以及不同截面对应的角度；
通过ICEM对整个流域采用六面体网格划分，并设置边界层。
作为本发明所述的天然气弯管冲蚀磨损分析方法的一种优选方案，其中：所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型包括，
设气体不可压缩，并忽略温度的影响，采用稳态计算对流场进行仿真，其对应的控制方程为：
其中，xi，xj为流场中空间坐标；ui，uj为流体速度，ρ为流体密度，p为流场中的压力，fi为所有外力合力，μ为分子黏性系数，μt为湍流黏性系数，由湍流模型决定；
采用RNGk-ε湍流模型，并通过重整化群理论推导得到，具体表达式为：
其中，μeff为有效粘度，μeff＝μ+μt，Gk、Gb为湍流动能，αk＝αε＝1.39，ε为湍流扩散项，k为湍动能，C1ε＝1.42，C2ε＝1.68，C3ε是可压缩流体计算中与浮力相关的系数，当流速与重力方向相同的流动C3ε＝1，当流速与重力方向垂直的流动时，C3ε＝0；湍流黏度μt＝Cμρk2/ε的系数Cμ＝0.0845，附加项Rε为：
其中，η＝Sk/ε，S为应变率张量范数，η0＝4.38β＝0.012。
作为本发明所述的天然气弯管冲蚀磨损分析方法的一种优选方案，其中：所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型还包括，
在Lagrange坐标下，固体颗粒所受作用力的控制方程为：
其中，mp为颗粒质量，分别为固体颗粒受到的曳力、重力与浮力的合力、压力梯度力、虚拟质量力以及其他力；
其中，mp为固体粒子质量，为单个粒子加速度，/>为流体速度，/>为颗粒速度，ρ为流体密度，ρp为颗粒密度，/>为重力加速度，/>为颗粒直径，μ为流体分子黏度，Cvm为虚拟质量因子，τt为粒子松弛时间，Re为相对雷诺数，Cd为阻力系数，a1、a2、a3为颗粒光滑常数。
作为本发明所述的天然气弯管冲蚀磨损分析方法的一种优选方案，其中：所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型还包括，
颗粒在湍流状态下运动的时间可表示为：
其中，CL为常数参数，依据所使用的湍流模型进行选取，在k-ε及其衍生模型中取0.15，k为湍流动能，ε为当地的湍流耗散率。
作为本发明所述的天然气弯管冲蚀磨损分析方法的一种优选方案，其中：所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型还包括，
颗粒穿过涡流的时间tcross表达式为：
其中，τ为颗粒松弛时间，Le为涡流长度，|u-up|为流体与颗粒的速度差。
作为本发明所述的天然气弯管冲蚀磨损分析方法的一种优选方案，其中：所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型还包括，
冲蚀预测模型表示为：
其中，C(dp)为颗粒直径函数，取1.8×10-9，v为颗粒冲击壁面的相对速度，b(v)为冲击速度的相对指数函数，取2.6，Aface为单个计算单元的有效计算面积，f(α)为碰撞角函数方程，其与冲击角度α通过线性分段函数描述。
一种天然气弯管冲蚀磨损分析系统，其特征在于：包括模型建立模块、预测模型建立模块以及关系获取模块，
模型建立模块，所述模型建立模块用于根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立仿真弯管模型；
所述仿真弯管模型包括无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型与内错边焊缝弯管模型；
预测模型建立模块，所述预测模型建立模块用于根据所述仿真弯管模型，结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型；
关系获取模块了，所述关系获取模块用于根据所述冲蚀预测模型，获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法的步骤。
本发明的有益效果：本发明提出一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统，在传统的天然气输送管道固体颗粒的冲蚀作用下加入了焊缝缺陷这一技术，并建立了无错边焊缝、外错边焊缝和内错边焊缝三种弯管模型，采用CFD-DPM方法研究了不同输运参数、弯管导向、错边高度及颗粒入射角度影响下无错边焊缝弯管与错边焊缝弯管的冲蚀磨损分布差异。紧接着对各个影响因素进行正交试验设计，探究了多因素的敏感性排序。采用本发明方法，能够清楚掌握错边焊缝缺陷对天然气弯管冲蚀磨损的影响机理，为管道冲蚀预测与防护提供参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的方法流程图；
图2为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的颗粒碰撞示意图，图(a)为平面颗粒碰撞示意图；图(b)为曲面颗粒碰撞示意图；
图3为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的弯管三维模型；
图4为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的三种弯管网格划分，图(a)为无错边焊缝弯管；图(b)为外错边焊缝弯管；图(c)为内错边焊缝弯管；
图5为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的弯头最外侧磨损分布曲线；
图6为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的流速对冲蚀磨损的影响曲；
图7为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的颗粒粒径对冲蚀磨损的影响曲线；
图8为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的质量流量对冲蚀磨损的影响曲线；
图9为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的入射角度对冲蚀磨损的影响曲线；
图10为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的不同弯管导向示意图；
图11为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的弯头最外侧冲蚀分布规律曲线；
图12为本发明一个实施例提供的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统的计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1-12，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统，包括：
根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立仿真弯管模型；
可选的，仿真弯管模型包括无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型与内错边焊缝弯管模型；
本申请根据天然气集输管网中弯头的实际尺寸，建立无错边焊缝、外错边焊缝、内错边焊缝三种90°弯管几何模型，如图3所示。
弯管的摆置方式采取水平-垂直向下(H-V向下)，管道内壁直径D＝248mm，弯头曲率半径为1.5D，入口与出口处增加长1400mm的直管以保证来流充分发展，焊缝宽度w＝10mm，焊缝错边高度e＝3mm。为研究不同轴向角度下弯头与错边焊缝处的冲蚀特性，将弯管划分为7个截面，从下至上依次为弯管出口处焊缝两截面θ1＝0°、θ2＝0°，θ3＝30°截面，θ4＝45°截面，θ5＝60°截面，弯管进口处焊缝两截面θ6＝90°、θ7＝90°。
可选的，通过ICEM对整个流域采用六面体网格划分，并设置边界层如图4所示。近壁面选用标准壁面函数，保证y+分布在30～300之间。对弯头与焊缝处的网格进行合理划分，当网格密度较稀疏时，计算精度较低，所得结果与实际结果偏差较大，无法得到正确的结果；当网格密度较大时，随着计算精度的提高，所得结果较为接近实际情况，但是数值模拟的效率较低。所以，合理的网格密度既能满足计算精度也能提高数值模拟效率。
在本发明实施例中，对连续相采用RNGk-ε湍流模型，离散相采用DPM模型进行数值计算，进出口边界条件分别选取速度入口与压力出口，湍流强度和水力直径分别设置为5％和248mm。颗粒粒径为40～400μm，颗粒密度为2650kg/m3，颗粒硬度为35HB，管材密度为7850kg/m3，管材硬度为138HB，气体密度为0.6679kg/m3，气体流速为10～40m/s，颗粒质量流量为0.002～0.014kg/s。求解器选择半隐式SIMPLE算法，压力、动量、流体扩散率、湍流能均采用二阶迎风格式。为了避免颗粒数目对冲蚀结果造成的影响，需保证每个工况条件下喷入管内的固体颗粒数目大于20000个。收敛残差值设定为10-5，待计算收敛稳定后，观察连续相的流场情况。
在本发明实施例中，根据仿真弯管模型，结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型；
设气体不可压缩，并忽略温度的影响，采用稳态计算对流场进行仿真，其对应的控制方程为：
其中，xi，xj为流场中空间坐标；ui，uj为流体速度，ρ为流体密度，p为流场中的压力，fi为所有外力合力，μ为分子黏性系数，μt为湍流黏性系数，由湍流模型决定；
采用RNGk-ε湍流模型，其能够很好的反映流线弯曲、旋涡流等现象，并通过重整化群理论推导得到，具体表达式为：
其中，μeff为有效粘度，μeff＝μ+μt，Gk、Gb为湍流动能，αk＝αε＝1.39，ε为湍流扩散项，k为湍动能，C1ε＝1.42，C2ε＝1.68，C3ε是可压缩流体计算中与浮力相关的系数，当流速与重力方向相同的流动C3ε＝1，当流速与重力方向垂直的流动时，C3ε＝0，湍流黏度μt＝Cμρk2/ε的系数Cμ＝0.0845，附加项Rε为：
其中，η＝Sk/ε，S为应变率张量范数，η0＝4.38β＝0.012。
可选的，在气固两相流的研究中，固体颗粒的运动通常采用离散相模型(DiscretePhase Model,DPM)进行模拟。由于此模型要求离散相体积分数小于10％～12％，因此在DPM中对离散相做出如下假设：固体颗粒在流场中不会发生相互碰撞以及破碎现象，并且在运动过程中无旋转运动。基于这两个假设，在设置模型之前，还需要确定固体颗粒的受力情况以及建立合适的控制方程。离散相模型满足欧拉-拉格朗日方程，连续相与离散相之间采用双向耦合计算。在Lagrange坐标下，固体颗粒所受作用力的控制方程为：
其中，mp为颗粒质量，分别为固体颗粒受到的曳力、重力与浮力的合力、压力梯度力、虚拟质量力以及其他力，例如Saffman升力、Basset力、Magnus力等，以下分别介绍了浮力、曳力、压力梯度力和虚拟质量力。一般表示为：
其中，mp为固体粒子质量，为单个粒子加速度，/>为流体速度，/>为颗粒速度，ρ为流体密度，ρp为颗粒密度，/>为重力加速度，/>为颗粒直径，μ为流体分子黏度，Cvm为虚拟质量因子，τt为粒子松弛时间，Re为相对雷诺数，Cd为阻力系数，其中a1、a2、a3为颗粒光滑常数。
综上，固体颗粒所受到的力取决于其所在的不同流场环境，本申请重点研究的是天然气与固体颗粒在弯管内的流动，所以需要考虑固体颗粒受到的曳力与重力，其余的力均可不考虑在内。
在本申请实施例中由于受到湍流的影响，颗粒在湍流流体中运动时会发生湍流扩散，此时可以采用随机轨道模型或颗粒群模型来预测分散颗粒的运动轨迹。在随机轨道模型中，考虑了湍流流体的瞬时速度变化对颗粒运动轨迹产生的影响。而在颗粒群模型中，会对颗粒群进行跟踪，并通过统计学方法计算出颗粒群的平均轨迹。本申请研究采用随机轨道模型，它将颗粒轨迹上的瞬时流体速度对单颗粒的轨迹方程进行积分，从而实现颗粒分散预测，并以相同方式计算足够数量的代表性颗粒，最终实现分散颗粒运动轨迹的预测。其中流体的瞬时速度是通过离散随机游走模型(Discrete Random Walk Model,DRWM)来确定，其引入了积分时间标度T[xx]，其表示颗粒在湍流状态下运动的时间：
可选的，对于尺寸较小的细小颗粒，流体对其有非常好的携带性，它们之间几乎不存在相对滑移速度，此时颗粒的积分时间标度就由流体的拉格朗日时间积分标度TL表示：
其中，CL为常数参数，需要依据所使用的湍流模型进行选取，在k-ε及其衍生模型中取0.15，k为湍流动能，ε为当地的湍流耗散率。
可选的，离散随机游走模型还考虑了湍流涡流与颗粒间的相互作用，每个湍流涡团可以用不同方向下的速度脉冲u′、v′、w′以及时间标度τe来描述特性。假设湍流具有各向同性，随机脉冲速度满足高斯概率分布，正态分布系数用ζ表示，湍流动能用k表示，其表达式可以简化为：
可选的，颗粒与流体间发生相互作用的时间可以用湍流涡流的时间标度τe或颗粒穿过涡流的时间tcross表示，其中湍流涡流的时间标度τe可以有两种表示形式，其既可以作为一个常数，也可以作为一个关于TL与随机数r组成的随机变量，r为0～1之间的随机数。作为常数时表达式为：
τe＝2TL
作为随机变量时表达式为：
τe＝-TLln(r)
颗粒穿过涡流的时间tcross表达式为：
其中，τ为颗粒松弛时间，Le为涡流长度，|u-up|为流体与颗粒的速度差。通过比较τe与tcross，取二者间的最小值作为颗粒与流体间发生相互作用的时间，当时间达到该值时，将获得一个新的颗粒瞬时速度，通过对此速度进行积分，即可得到颗粒轨迹。为了让颗粒有充足的时间来穿越整个流场，需要对上述过程进行重复计算，以保证结果的准确性。
在本申请实施例中，在进行冲蚀磨损计算时，需要选择合适的冲蚀预测模型，本申请采用Generic模型。Generic模型可以有效监测壁面冲蚀速率，该模型充分考虑了碰撞角度、粒径、速度等对冲蚀速率的影响，其理论方程为：
其中，C(dp)为颗粒直径函数，取1.8×10-9，v为颗粒冲击壁面的相对速度，b(v)为冲击速度的相对指数函数，取2.6，Aface为单个计算单元的有效计算面积，f(α)为碰撞角函数方程，其与冲击角度α通过线性分段函数描述，根据Huser提出的冲击角函数，冲击角度取0°、20°、30°、45°、90°时对应冲击角函数分别为0、0.8、1、0.5、0.4。
根据冲蚀预测模型，获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系。
可选的，在天然气集输管线中，流体经过弯头时流向发生改变，流体内所携带的固体颗粒受惯性作用会不断撞击管道内壁并发生反弹，但每次反弹后都会损失一部分能量，速度也逐渐衰减，如图2所示。
在本申请实施例中，为了描述固体颗粒的运动速度与壁面发生碰撞后的变化情况，引入颗粒-壁面反弹恢复系数，并利用颗粒-壁面反弹恢复模型来描述固体颗粒碰撞前后的速度变化，其表达式为：
其中，vp1、vp2与up1、up2分别为固体颗粒碰撞前后的法向速度与切向速度，eN与eT分别为固体颗粒的法向反弹恢复系数与切向反弹恢复系数。
在一个优选的实施例中，提供了一种天然气弯管冲蚀磨损分析系统，包括模型建立模块、预测模型建立模块以及关系获取模块，
模型建立模块，模型建立模块用于根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立仿真弯管模型；
仿真弯管模型包括无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型与内错边焊缝弯管模型；
预测模型建立模块，预测模型建立模块用于根据仿真弯管模型，结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型；
关系获取模块了，关系获取模块用于根据冲蚀预测模型，获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系。
上述各单元模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图12所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立仿真弯管模型；
仿真弯管模型包括无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型与内错边焊缝弯管模型；
根据仿真弯管模型，结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型；
根据冲蚀预测模型，获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系。
实施例2
参照图1-12，为本发明的一个实施例，提供了一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法及系统，为了验证本发明的有益效果，通过对比实验进行科学论证。
①焊缝错边类型对冲蚀区域影响分析
为了研究三种弯管内颗粒运动轨迹以及壁面冲蚀区域分布之间的差异。保持气固两相流的速度为15m/s，固体颗粒粒径为100μm，颗粒质量流量为0.002kg/s条件不变，对三种弯管的冲蚀磨损分别进行计算，通过冲蚀模拟结果，绘制三种弯管弯头最外侧磨损分布曲线见图5。
②冲蚀影响参数分析
I.输运参数
a.流速对弯管冲蚀影响
不同集输管道之间流速可能存在差异，本申请选取10m/s至40m/s的流速以满足输气管道低速至高速的运输要求，确保仿真结果具有普适性。并利用控制变量的方法，选取颗粒粒径100μm，质量流量0.002kg/s的工况条件不变，研究流速对冲蚀速率造成的影响，得到三种弯管的最大冲蚀速率与流速的关系曲线图，如图6所示。由图6可知，最大冲蚀速率均随流体速度呈幂指数函数增长，并且外错边焊缝弯管相较于无错边焊缝弯管，二者间最大冲蚀速率的差值随流体速度的增加均有一定的增大，在25m/s时增长率达到最大为35％；内错边焊缝弯管相较于无错边焊缝弯管，最大冲蚀速率相接近，差值最大为7％。
b.颗粒粒径对弯管冲蚀影响
天然气在进行输运前往往会经过排砂、过滤等净化措施，但仍然会存在微小沙砾等固体杂质随气流进入管道。根据粒度等级划分，细砂与中砂的粒径范围在0.05～0.5mm之间，本申请选取粒径范围在40～400μm内的固体颗粒作为主要研究对象，并控制流体速度15m/s，质量流量0.002kg/s条件不变，得出三种弯管的最大冲蚀速率与粒径的关系曲线图，如图7所示。由图7可知，内错边焊缝弯管相较于无错边焊缝弯管，最大冲蚀速率大小相似，并均随着粒径增大而升高，这是因为粒径的增加，单个颗粒所具有的动能会增大，从而对管壁造成更大的冲蚀。对于外错边焊缝弯管，当粒径小于100μm时，最大冲蚀速率均大于无错边焊缝与内错边焊缝弯管。尤其在颗粒粒径为40μm时，外错边焊缝弯管的最大冲蚀速率达到了2.95×10-7kg/(m2·s)，远高于无错边焊缝与内错边焊缝弯管，这说明当管道结构内部存在错边凸起时，小粒径颗粒更容易形成冲蚀集中现象。
c.颗粒质量流量对弯管冲蚀影响
颗粒质量流量也是影响弯管冲蚀磨损的重要原因之一，本申请选取颗粒质量流量为0.002～0.014kg/s，并保持流体速度15m/s，颗粒粒径100μm条件不变，得到三种弯管的最大冲蚀速率与质量流量的关系曲线图，如图8所示。由图8可知，最大冲蚀速率均随质量流量呈线性增大关系，外错边焊缝弯管最大冲蚀速率均大于无错边焊缝弯管，在质量流量为0.01kg/s时增长率达到最大为22％；内错边焊缝弯管相较于无错边焊缝弯管最大冲蚀速率相差不大，差值最大达到8％。
d.颗粒入射角度
由于颗粒的入射角度会对气固两相流的冲蚀磨损情况造成影响，在流体速度15m/s，颗粒质量流量0.002kg/s，颗粒粒径100μm，重力方向y轴负向工况条件下，以无错边焊缝弯管为例研究不同入射角度下三种弯管的冲蚀磨损情况。
假定入射角度向内侧壁面偏转为负角度，向外侧壁面偏转为正角度，由图9可看出，当入射角偏向正方向时，+15°～+30°内入口直管内侧无颗粒区逐渐减小，外侧不存在无颗粒区。当入射角大于+30°时，入口直管外侧开始出现无颗粒区，并随着角度增大而逐渐增大，内侧无颗粒区继续减小，最大冲蚀速率均随着角度增大而增大。对于无错边焊缝与内错边焊缝弯管，在入射角为+30°时，冲蚀速率达到最小1.3×10-7kg/(m2·s)左右，较无入射角工况相比降低了12％，这是因为颗粒在相同数量条件下，弯头处冲蚀区域较大，冲蚀效应相应减小。当角度继续增大时，颗粒在弯头冲蚀区域相对集中，冲蚀效应相应增大。
当入射角偏向负方向时，随着入射角度增大，入口直管内侧无颗粒区逐渐增大，外侧无颗粒区先减小后有一定增大。最大冲蚀速率随角度增大而增大，并在入射角为-15°时达到峰值，这是因为此时入口直管内侧不存在无颗粒区，颗粒受直管壁面反弹影响较小，且在弯头处冲蚀区域相对集中，冲蚀效应明显。
Ⅱ.弯管导向
在实际工程中，弯管不同的导向会产生不同的重力方向，不同的重力方向会对气固两相流的流动状态起到干扰作用，所以重力与管内流体的作用以及流体流动方向密切相关。不同弯管导向示意图见图10。通过改变不同的弯管导向来模拟流体受到的不同重力方向，选取流体速度15m/s，颗粒质量流量0.002kg/s，颗粒粒径100μm的工况条件下，三种弯管在四种不同弯管导向下的最大冲蚀速率结果见表1。
表1不同弯管导向下最大冲蚀速率
从表1可看出，当流体在竖直管流向一致时，“H-V”导向弯管的最大冲蚀速率均大于“V-H”导向弯管，且“H-V向下”弯管受到的磨损最严重。这是因为当重力方向沿y轴向下时，受重力作用的影响，颗粒所携带的冲击动能大幅提高，贴近外壁面的颗粒在进入弯管后迅速向内侧偏移，相同时间内撞击壁面的颗粒数变多，所以造成的冲蚀程度最大。
Ⅲ.错边高度
由于外错边焊缝的存在，不仅对弯管的冲蚀速率存在一定影响，而且对弯头内壁面的冲蚀分布情况影响较大。为了得到不同错边高度之间的冲蚀分布差异，本申请以外错边焊缝弯管为研究对象，保持颗粒速度15m/s，质量流量0.002kg/s，颗粒粒径100μm，重力方向y轴负向的工况条件不变，研究不同错边高度对弯头内壁处的冲蚀分布影响。并绘制弯头最外侧冲蚀分布规律曲线见图11。
3)参数敏感性分析
基于正交试验设计，将最大冲蚀速率作为试验评价指标，试验因素分别为流速、粒径、质量流量、错边高度、颗粒入射角度。弯管导向未作为试验因素的主要原因是弯管包含两个平面的导向，无法作为单因素处理。在选取的5因素条件下，为每个因素确定4个水平，各因素与水平值表见表2。
表2各因素与水平值表
由于内错边焊缝弯管与无错边焊缝弯管冲蚀结果相接近，本申请选用外错边焊缝弯管与内错边焊缝弯管模型作为研究对象，并利用5因素4水平的正交表L16(45)进行正交试验分析，计算出各试验工况下最大冲蚀速率，具体试验工况与结果如表3、表4所示。
表3外错边焊缝弯管具体试验工况与结果
表4内错边焊缝弯管具体试验工况与结果
表5外错边焊缝弯管极差分析表
表6内错边焊缝弯管极差分析表
从表5与表6可以看出，不同影响因素对冲蚀速率的敏感程度在外错边焊缝弯管与内错边焊缝弯管中存在一定差异。对于外错边焊缝弯管而言，颗粒粒径是对冲蚀速率最为敏感的影响因素，尤其是当颗粒粒径较小时，错边焊缝的存在能够明显增大管内的冲蚀速率。错边高度与颗粒入射角度对冲蚀速率的敏感性相接近；对于内错边焊缝弯管而言，流速是冲蚀速率最为敏感的影响因素，但错边高度对冲蚀速率的敏感性最低。综上，在外错边焊缝弯管中要重点关注管内颗粒粒径对冲蚀磨损的影响，而在内错边焊缝弯管中则要重点关注流速对冲蚀磨损的影响，且错边焊缝的存在对其冲蚀的影响不大。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法，其特征在于：包括，
根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立仿真弯管模型；
所述仿真弯管模型包括无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型与内错边焊缝弯管模型；
根据所述仿真弯管模型，结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型；
根据所述冲蚀预测模型，获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系；
所述获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系包括流速对弯管冲蚀影响、颗粒粒径对弯管冲蚀影响、颗粒质量流量对弯管冲蚀影响、颗粒入射角度对弯管冲蚀影响、弯管导向对弯管冲蚀影响、焊缝错边高度对弯管冲蚀影响；
当进行颗粒入射角度对弯管冲蚀影响获取时，假定入射角度向内侧壁面偏转为负角度，向外侧壁面偏转为正角度，并从入射角偏向负方向以及入射角偏向正方向进行弯管冲蚀影响获取；
当进行弯管导向对弯管冲蚀影响获取时，分析四种不同弯管导向以及四种不同的流体流向来进行弯管导向对弯管冲蚀影响的获取；
所述建立仿真弯管模型包括，
根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型、内错边焊缝弯管模型三种固定度数的弯管几何模型；
并采用固定的参考变量条件对所述三种固定度数的弯管几何模型进行测试；
所述固定的参考变量包括保持气固两相流的速度、固体颗粒粒径、颗粒质量流量，通过考虑固定的参考变量以及冲蚀预测模型，获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系；
所述气固两相流的速度限制在10m/s至40m/s；
所述固体颗粒粒径限制在40～400μm；
所述颗粒质量流量限制在为0.002～0.014kg/s；
弯管的摆置方式采取水平-垂直向下方式，完成弯管其他参数仿真，所述其他参数包括管道内壁直径、弯头曲率半径、焊缝宽度、焊缝错边高度、弯管中截面个数以及不同截面对应的角度；
将弯管划分为7个截面，从下至上依次为弯管出口处焊缝两截面θ1＝0°、θ2＝0°，θ3＝30°截面，θ4＝45°截面，θ5＝60°截面，弯管进口处焊缝两截面θ6＝90°、θ7＝90°；
通过ICEM对整个流域采用六面体网格划分，并设置边界层；
对连续相采用RNG k-ε湍流模型，离散相采用DPM模型进行数值计算；
具体仿真参数设计如下：进出口边界条件分别选取速度入口与压力出口，湍流强度和水力直径分别设置为5％和248mm，颗粒密度为2650kg/m3，颗粒硬度为35HB，管材密度为7850kg/m3，管材硬度为138HB，气体密度为0.6679kg/m3；
其他约束如下：
每个工况条件下喷入管内的固体颗粒数目不低于20000个，且收敛残差值设定为10-5；求解器选择半隐式SIMPLE算法，压力、动量、流体扩散率、湍流能均采用二阶迎风格式；
当进行DPM模型对离散相进行数值计算时，定义固体颗粒在流场中不发生相互碰撞以及破碎现象，并且在运动过程中无旋转运动；
所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型包括，
设气体不可压缩，并忽略温度的影响，采用稳态计算对流场进行仿真，其对应的控制方程为：
其中，xi，xj为流场中空间坐标；ui，uj为流体速度，ρ为流体密度，p为流场中的压力，fi为所有外力合力，μ为分子黏性系数，μt为湍流黏性系数，由湍流模型决定；
采用RNG k-ε湍流模型，并通过重整化群理论推导得到，具体表达式为：
其中，μeff为有效粘度，μeff＝μ+μt，Gk、Gb为湍流动能，αk＝αε＝1.39，ε为湍流扩散项，k为湍动能，C1ε＝1.42，C2ε＝1.68，C3ε是可压缩流体计算中与浮力相关的系数，当流速与重力方向相同的流动C3ε＝1，当流速与重力方向垂直的流动时，C3ε＝0；湍流黏度μt＝Cμρk2/ε的系数Cμ＝0.0845，附加项Rε为：
其中，η＝Sk/ε，S为应变率张量范数，η0＝4.38β＝0.012；
所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型还包括，
在Lagrange坐标下，固体颗粒所受作用力的控制方程为：
其中，mp为颗粒质量，分别为固体颗粒受到的曳力、重力与浮力的合力、压力梯度力、虚拟质量力以及其他力；
其中，mp为固体粒子质量，为单个粒子加速度，/>为流体速度，/>为颗粒速度，ρ为流体密度，ρp为颗粒密度，/>为重力加速度，/>为颗粒直径，μ为流体分子黏度，Cvm为虚拟质量因子，τt为粒子松弛时间，Re为相对雷诺数，Cd为阻力系数，a1、a2、a3为颗粒光滑常数；
所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型还包括，
颗粒在湍流状态下运动的时间可表示为：
其中，CL为常数参数，依据所使用的湍流模型进行选取，在k-ε及其衍生模型中取0.15，k为湍流动能，ε为当地的湍流耗散率；
所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型还包括，
颗粒穿过涡流的时间tcross表达式为：
其中，τ为颗粒松弛时间，Le为涡流长度，|u-up|为流体与颗粒的速度差；
通过比较τe与tcross，取二者间的最小值作为颗粒与流体间发生相互作用的时间，当时间达到该值时，将获得一个新的颗粒瞬时速度，通过对此速度进行积分，即可得到颗粒轨迹；
为了让颗粒有充足的时间来穿越整个流场，需要对上述过程进行重复计算；
所述结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型还包括，
冲蚀预测模型表示为：
其中，C(dp)为颗粒直径函数，取1.8×10-9，v为颗粒冲击壁面的相对速度，b(v)为冲击速度的相对指数函数，取2.6，Aface为单个计算单元的有效计算面积，f(α)为碰撞角函数方程，其与冲击角度α通过线性分段函数描述；
获取无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型、内错边焊缝弯管模型三种固定度数的弯管几何模型的参数敏感性，完成整个天然气弯管冲蚀磨损分析；
所述参数敏感性中的参数包括流速、粒径、质量流量、错边高度、颗粒入射角度。
2.一种应用如权利要求1所述的一种天然气弯管冲蚀磨损分析方法的天然气弯管冲蚀磨损分析系统，其特征在于：包括模型建立模块、预测模型建立模块以及关系获取模块，
模型建立模块，所述模型建立模块用于根据集输管网中弯管的实际尺寸，建立仿真弯管模型；
所述仿真弯管模型包括无错边焊缝弯管模型、外错边焊缝弯管模型与内错边焊缝弯管模型；
预测模型建立模块，所述预测模型建立模块用于根据所述仿真弯管模型，结合欧拉-拉格朗日方程，建立冲蚀预测模型；
关系获取模块，所述关系获取模块用于根据所述冲蚀预测模型，获取不同输运参数、弯管导向、焊缝错边高度以及颗粒入射角与弯管的冲蚀关系。
3.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述的方法的步骤。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |