三通管道冲蚀泄漏流场数值模拟分析研究

作     者：彭方现 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫宏伟;高贵军

授予年度：2020年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：三通管道 冲蚀失效 泄漏流场 CFD 模拟分析 

摘      要：近二十年来,由于国内工业化进程的加快,国内油气化工管道建设里程数突飞猛进,但管道在使用过程中由于冲蚀磨损造成的管道穿孔而发生的泄漏事故给企业生产和居民生活造成了严重的危害。因此,本文对管道系统中的典型管件—三通管(T型三通和Y型三通)在气固两相流下的冲蚀泄漏问题进行了模拟分析,其结果可为减缓管道冲蚀磨损和快速定位、封堵破损管道等提供参考依据。首先,阐述了国内外流体管道冲蚀泄漏流场的研究现状,并总结归纳了几种比较有影响的冲蚀理论和模型。然后,建立了三通管的冲蚀泄漏几何模型,并对其进行了网格划分及网格质量检查。其次,本文从气流流向、速度、质量流量、粒子直径、粒子形状和管件结构六个方面对含砂天然气三通管进行了CFD冲蚀磨损及流固耦合分析。结果表明:含砂天然气的流向不同时,三通管冲蚀磨损生成的部位、最大应力及最大形变的部位也不同。气流速度、质量流量、粒子直径和管道夹角对冲蚀磨损速率有促进作用,流速越大管道受到的应力和形变量也越大,但随着颗粒圆球度数值的增大,其所造成的最大冲蚀速率却是减小的。再次,从管内压力、泄漏孔面积和泄漏孔形状三个方面对T型三通管道基于小孔泄漏模型的泄漏过程进行仿真分析。结果表明:泄漏量、泄漏速率随管内压力、泄漏孔面积的增大而增大,但是当管内压力不断增大时,泄漏量和泄漏速率并不是线性关系,其增加的幅度是相对减小的。在相同管内压力下,泄漏孔面积相等时,圆形、正方形、三角形和长方形泄漏孔中泄漏流速呈递减排列。最后,搭建了T型三通泄漏实验装置,观测了气体管道基于小孔泄漏模型的泄漏过程,探究了小孔泄漏时泄漏速率在不同压力和泄漏孔面积下的变化规律,实验结果表明管道内压力和泄漏孔面积对泄漏量有促进作用。然后对比分析两种模拟方法所得的结果,从而证实了所建立模型与CFD仿真过程及结论的正确性。为研究减缓管道冲蚀泄漏的防护措施奠定重要的理论依据。