天然气集输管道球阀气液固冲蚀特性研究

作     者：李端晨 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘立君;Chen Zhifeng

授予年度：2023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：集输管道 球阀 气液固三相流 冲蚀 数值模拟 

摘      要：随着双碳目标的提出,我国近年来大力倡导清洁能源,天然气在国民生产中的作用尤为突出,因此对天然气能源的开发与研究具有极其重要的地位。管道输送是天然气生产中非常重要的内容,其质量关系到油气行业的可持续发展。天然气在集输管道内运输过程中会携带沙粒等微小的固体颗粒杂质,对管道部件即球阀产生磨损效应,导致球阀损坏发生泄漏,从而缩短球阀使用寿命。削弱球阀工作中所受的冲蚀磨损效果,延长其使用寿命,是当前天然气管道球阀维护检修中的关键研究内容。目前对于冲蚀磨损的研究大多针对直管、弯管,且主要围绕气固两相流开展,对于球阀研究和气液固三相流耦合作用条件下的冲蚀磨损特性研究较少。因此,本文基于ANSYS Fluent软件对气液固三相流条件下球阀内的冲蚀磨损特性开展数值模拟研究。研究内容如下:利用Autodesk Inventor对球阀进行三维建模,抽取球阀内流体域进行网格划分,基于多相流理论,采用CFD-DPM建立并求解球阀内气液固三相流冲蚀模型。在分析了球阀内部流场和颗粒轨迹运动特征后,对管道内球阀冲蚀分布特征展开分析。对比气固两相流条件,发现流体中的含水量直接影响了球阀的冲蚀磨损分布,且因为粒子的连续冲蚀作用下,管道上的最大冲蚀速率明显增加。当连续相含水体积分数增加时,球阀整体的主要冲蚀区域由管道处转移到了球阀处,当含水体积分数达到3%时,球阀整体的最大冲蚀速率达到峰值,之后随着含水量的增加,最大冲蚀速率会逐渐减小。对于球阀中气液固三相流的冲蚀情况,研究了在不同运输参数(流速、颗粒直径、颗粒质量流量)和不同结构参数(开度、内通道直径)下球阀整体发生的冲蚀磨损规律。不同影响因素作用下,管道球阀发生的冲蚀磨损区域及冲蚀速率会有所变化。随着介质流速和颗粒质量流量增大,球阀整体壁面上的冲蚀程度也会增大,但质量流量并不影响球阀壁面上的冲蚀分布;随着颗粒直径的增大,球阀整体壁面的最大冲蚀速率先增加后减小,阀芯入口段迎流面处的冲蚀磨损程度会逐渐增大;随着开度的增大,壁面的最大冲蚀速率不断减小,且初始开度越低,增大开度时最大冲蚀速率的变化率越大;球阀阀体直径一定时,当阀芯内粒子运动轨迹变化不大时,最大冲蚀速率随内通道直径增加而增大。球阀冲蚀磨损机理相对复杂,采用以往的实验法会受到环境、工况条件等因素限制,研究结果误差较大,局限性较强,只能适用特定型号。CFD数值模拟技术相比实验来说,能够详尽的显示出流场周围的微观流动特性和冲蚀磨损情况,节省了大量时间和费用,高效简捷、适用范围较广,为现场工程实际安全操作提供了理论指导,也为今后的球阀结构优化和增加球阀使用寿命提供相应的数据支持。