流场作用下的酸性天然气管道内腐蚀理论研究

【摘要】：随着石油天然气事业的快速发展,石油天然气开采量的日益增加使得输运管道的里程也在不断扩大。H2S与CO2作为油气伴生气存在于油气之中,并通达油气的开采进入到输运系统中,这不仅对油气工业造成了巨大的经济损失,同时也对环境造成了很大的污染。而随着油气勘探工作越来越向地层深处发展,作为伴生气体的H2S与CO2含量也在不断上升,加之管道输运过程中高温、高压、流速和流态变化的相互作用,管道在流场作用下的腐蚀问题也愈加突出。因此,研究流场作用下管道内腐蚀预测问题,对于实现指导在役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。 本文以我国的大庆徐深6-3气站与川气东送A线为研究对象,在De waard腐蚀模型与Euler多相流模型的基础上,分别建立CO2腐蚀模型与CO2/H2S腐蚀模型对其三维管道进行仿真模拟。得出的结论如下： 当CO2单独存在时,管段的高程变化对其腐蚀程度有直接的影响；管线的腐蚀率在以CO2分压与温度为自变量的坐标系中呈大致先增加再降低的抛物线形式；气相的微小分压变化(0.025MPa-0.197MPa)并不能引起管线近壁处湍动能与流速的增加,但会使管道内C02相分布呈线性增加。而在流场因素中单独考虑湍动能与流速影响时,可以明显表现出对腐蚀速率产生促进的倾向。弯头影响位置表现在流向变化位置的下游迎流侧壁面与弯头内径壁面；T形管影响位置表现在内部结构X形状合流方向的斜向内壁与迎流侧内径的位置；CO2相的分布情况与现场管道的腐蚀位置吻合良好；而含水率的变化(0.0668%-0.267%)将引起管道内持液率分布呈线性增加,在流场诱导下与CO2共同作用引起管道内腐蚀的直接增高。 CO2/H2S共同存在时,当CO2分压保持0.2108MPa不变时,管线的腐蚀率在以H2S分压与温度为自变量的坐标系中呈大致先增加再降低的抛物线形式。但对流场进行分析时可以发现,对于管径较大的气体输运管道(Φ=406.4mm),由于流道较宽广通畅,在管线流道小范围变化处(50与15°)流场参数变化范围较小,管道出现均匀腐蚀的概率较之出现极值腐蚀的概率大；管线中H2S分压与C02分压的增高,使管道内壁的相分布呈线性增长,且其分布多以略高或略低于均值的椭圆片状形式出现,在其15°俯角开始与结束处的0点方向,由于流道突变的作用,使得相分布略高于均值。 根据模拟所得的流场参数与管壁腐蚀率的关系,在冲蚀模型与De waard模型的基础上提出流场作用下的酸性天然气管道内腐蚀模型。该模型在不引入流场影响下时与De waard腐蚀模型相似,当介入流场参数的影响时,可对流场参数进行相应影响因子的修正以适应当前的工况。在与工况数据对比时,流场作用下的CO2预测模型最大腐蚀速率、平均腐蚀速率与大庆徐深6气站实测值的回归系数分别为0.84与1.12；而流场作用下的CO2/H2S腐蚀预测模型平均腐蚀速率与川东线A线实测值回归系数为1.07。该模型计算出的管线重点腐蚀位置与腐蚀率情况,在与现场工况的壁厚检测对照下吻合情况良好,验证了该改进腐蚀模型的正确性。 图43幅,表5个,参考文献52篇。 【关键词】：酸性天然气 管道 内腐蚀 CO_2/H_2S 模拟
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TE988.2
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 1 引言12-22
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 研究意义13-15
• 1.3 国内外研究现状15-18
• 1.3.1 CO_2腐蚀15-17
• 1.3.2 CO_2/H_2S腐蚀17
• 1.3.3 流场对于内腐蚀的影响17-18
• 1.4 当前研究中存在的问题18-19
• 1.5 本论文的研究难点19
• 1.6 主要内容简介19-20
• 1.7 本章小结20-22
• 2 酸性天然气管道内腐蚀模型与流体计算模型22-30
• 2.1 腐蚀模型22-25
• 2.1.1 CO_2腐蚀模型22-24
• 2.1.2 H_2S腐蚀模型24
• 2.1.3 CO_2/H_2S腐蚀模型24-25
• 2.2 多相流模型25-27
• 2.2.1 体积分数方程25
• 2.2.2 连续性方程25-26
• 2.2.3 动量方程26-27
• 2.2.4 能量方程27
• 2.3 湍流模型27-28
• 2.4 本章小结28-30
• 3 内腐蚀模型与流体计算模型的建立30-38
• 3.1 单独CO_2存在下管道腐蚀模型与流体计算模型(徐深集气站6-3模型)30-33
• 3.1.1 平均内腐蚀率预测模型30-32
• 3.1.2 流体计算模型32-33
• 3.2 CO_2/H_2S共存下管道内腐蚀模型与流体计算模型(川东A线起始处H_2S/CO_2腐蚀模型)33-37
• 3.2.1 平均内腐蚀率预测模型34-35
• 3.2.2 流体计算模型35-37
• 3.3 本章小结37-38
• 4 单独CO_2存在下管道计算结果与分析38-58
• 4.1 管道腐蚀率的预测38-41
• 4.1.1 原始工况的还原模拟38-40
• 4.1.2 不同温度及CO_2分压对管线腐蚀速率的影响40-41
• 4.2 管道内流场的预测41-55
• 4.2.1 原始工况的还原模拟41-43
• 4.2.2 重点管段处(弯头及T形管)不同CO_2分压下管道内壁流场分析43-51
• 4.2.3 重点管段处(弯头及T形管)不同CO_2分压下管道内壁流场分析51-54
• 4.2.4 流场对冲蚀速率的影响54-55
• 4.3 本章小结55-58
• 5 CO_2/H_2S共存下管道计算结果与分析58-70
• 5.1 管道腐蚀率的预测58-60
• 5.1.1 原始工况的还原模拟58
• 5.1.2 不同温度及H_2S分压对管线腐蚀速率的影响58-60
• 5.2 管道内流场的预测60-69
• 5.2.1 原始工况的还原模拟60-63
• 5.2.2 不同流场参数下管段内壁分析63-66
• 5.2.3 流场对冲蚀速率的影响66-69
• 5.3 本章小结69-70
• 6 结论与展望70-72
• 6.1 结论70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-76
• 作者简历76-80
• 学位论文数据集80

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