气田采输水输送管道关键部件冲蚀理论研究

刘佳川

中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司  重庆  408014

摘要：目前，国内大量气井采出的天然气中含有大量的游离水，在经过井口初步分离后，采出水通过管道输送到净化场站进行处理。由于气田采出水中通常含有大量泥沙等固体颗粒，当流体流经弯头、三通等局部管件时，固体颗粒将会对管道内壁产生严重的冲蚀作用。鉴于此，本文开展弯头管件的冲蚀研究。

关键词：输水管道 冲蚀 气田

1 绪论

1.1研究背景

因不断利用油气资源的开发呈上升趋势，导致管道输送当中的腐蚀问题也随之增加。冲蚀是物质损害的一种常见形式。实际当中到处都可以看到固体颗粒的冲蚀与腐蚀，引起工程材料破坏、设备不能正常运作，带来很大的经济损失。探究材料的冲蚀特征，揭露冲蚀原理和影响要素，根据结果选择最佳材料，发明抵御冲蚀的新材料，以及提高经济效益、减少和节约能耗材料的意义重大。

随着油气资源的不断开发，管道运输中的腐蚀问题越来越多。冲蚀是物质损害的一种常见形式。实际过程中到处可见固体颗粒的冲蚀与腐蚀，从而引起工程材料破坏、设备不能正常运作，给经济带来巨大的损失。探究材料的冲蚀特征，揭露冲蚀原理和影响要素，根据结果选择最佳材料，发明抵御冲蚀的新材料，以及提高经济效益、减少和节约能耗材料的意义重大。

1.2 国内外研究现状

近年来，冲蚀与腐蚀的相互作用一直是国内学者关注的焦点。从不同的角度和方法研究了腐蚀与冲蚀的相互作用。腐蚀的主要内容有两种，一种是冲蚀腐蚀，另一种是磨蚀腐蚀。分别使用转鼓设备和销环磨损测试装置。大多数的研究结果证明，腐蚀和冲蚀的相互作用关系，在很大程度上加快了材料的破坏，这种破坏程度是材料一次损伤的几倍甚至几十倍。所以，冲蚀、腐蚀可以看成是一种物质冲蚀，包括基于机械损伤的冲蚀和基于腐蚀的电化学行为[3]。冲蚀和腐蚀的因素很多。对主要的研究影响因素为介质的浓度大小、冲蚀角度、流速、pH值大小、固体颗粒的含量、液体温度、样品成分与性质。得出最终实验结果说明，如果流动速度越大、pH值越大，那么电刷与腐蚀的相互作用就越大。样品的成分、性质和结构对腐蚀也表现出显著的影响。

国内学者龚敏分析研究了不同因素对冲蚀的效果，得出一个关于研究引起冲蚀影响因素的实验办。随后，西安交大的方启贤与刘新宽使用浆液罐冲蚀仪，将板料样做了分析研究，最后得出两种不一样的不锈钢的冲蚀规律特点。研究结果还表明，腐蚀速率只有在较高的情况下，材料的力学性能才能够对材料的耐腐蚀性产生明显的作用。上世纪90年代末，丁庆如研究了炼油设备的高温腐蚀，结果表明：环烷酸和硫化物是原油当中的成分，其高温腐蚀效果显著。此外，武汉理工大学的罗志平同样对材料的冲蚀磨损情况做了相关的探究。结果表明：弹性模量是造成韧性材料冲蚀性下降的主要因素，与材料的硬度无关；当处于较低温度的时候，脆性材料的比韧性材料的冲蚀速率低，脆性材料的冲蚀特性可以根据喷涂层的冲蚀磨损情况来表现。

2 固体颗粒冲蚀基本理论

2.1 冲蚀基本原理

金属材料表面与腐蚀性流体相互作用，造成材料局面产生金属腐蚀，被称为冲蚀。当出现腐蚀时，金属离子和腐蚀出现的产物也将被腐蚀物体用高速冲刷。脱离金属表面后，新的金属表面会与腐蚀液体相互接触，使腐蚀经过加快。假如液体中含有比较硬的固体颗粒时，则会对材料造成强烈的损坏。

2.2 冲蚀理论概述

2.2.1 塑料材料的微切削理论

Finnie I.在1950年就提出塑料材料的微切削理论。其认为，一旦有尖锐的磨粒穿过物体表面，就会出现磨损和材料被切断等现象。而且，前者将冲蚀速率和冲蚀角以及造成速度快慢的关系得出了更加完善的定量表述：物体磨损体积的质量与目标材料的流动力成反比，与磨料粒子的动能和某个具体的功能和影响角度成正比。

2.2.2 切削模型

Hutchings通过运用高速摄影技术观测立方颗粒和单个球形颗粒在30度攻角下，与金属表面之间影响。观测结果最终提出了两个切割模型，见下图2.1。

图2.1 基于单点冲蚀的切削模型

Hutchings于1979年分析并研究了低碳钢球击试验中出现的变形唇问题。他认为如果材料的应变率处于很高的状态的时候会产生导致温升。在开始阶段，变形过程是绝热的，而在不断的变化后，变形的局部化会从量变引起形变，从而在其上形成绝热剪切带。Hutchings首次在冲蚀磨损中加入局部变形和绝热剪切的理念。

2.2.3 变形磨损理论

上世纪60年代，比特尔得出冲蚀磨损有两部分，也就是变形磨损和切削磨损。如果冲击角度为直角时，其冲蚀磨损严重度与目标体在颗粒冲击经过中的变形有关系。比特尔觉得重复的冲撞会造成加工变硬，而加工变硬会使材料的弹性极限加大。当粒子冲击平面靶体时，目标靶体材料在其冲击力(σ)小于靶体材料屈服强度(σs)时会产生弹性变形[10];当冲击力大于靶体材料屈服强度时，目标材料就会产生裂缝。

2.2.4 弹塑性压痕的断裂理论

在上个世纪70年代末期，伊万斯等学者通过实验得到弹塑性压痕断裂理论。他们觉得，弹性变形区是在压痕区形成，而中部裂纹随着力的作用从弹性区向下扩散，最终形成径向裂纹。而且，如初始的载荷大于中部裂纹的最小值时，即使弹性变形区没有被施加上连续载荷，材料的残余应力同样会引向横向裂纹，导致横向裂纹发生扩散。

3气田水管道颗粒冲蚀结果分析

下面是管道内的速度分布。不同工况下的总体分布主要是从流线上研究的。如图所示，从图中可以看出，从射流进入的流体在通过弯管后具有动量变化。由于颗粒密度较大，颗粒在惯性作用下会冲击弯管弯头处的壁面，壁面会反弹，从而对弯头处的壁面造成冲蚀，如下图所示。

图3.1 管道内部的流速分布

如下图所示，是不同粒径弯管表面最大冲蚀量的分布位置。从图中可以看出，当颗粒粒径为0.05mm时，最大冲蚀量位置位于弯管最大弯角前端位置；当颗粒粒径为0.2mm时，最大冲蚀量位于弯管最大弯角后位置；当颗粒粒径为0.5mm时，最大冲蚀量位于弯管最大弯角处。其原因是，当颗粒粒径较小时，颗粒跟随性较好，跟介质一起撞击弯管壁面；当颗粒粒径增大时，颗粒由于惯性较大作用，跟随性较差，最大撞击位置会出现延后，因此出现类似现象。

图3.2   d=0.05mm的冲蚀状况

结论

在具体输水管道当中，主要部件受到的冲蚀机理，具有以下理论：基于单点冲蚀的切削、塑性材料的微切削、弹塑性压痕破裂以及变形磨损等理论。这些理论已被用于验证砂粒的冲蚀破坏模式，其与冲蚀角度、冲击速度、材料温度变化、变形和磨损以及压痕弹性区域密切相关。

在具体生产过程当中，需要对易受到冲蚀的部位，展开局部加厚操作，或者将冲蚀导致损坏的零部件进行替换操作。在具体生产当中，可以将井口产量进行调整，以达到生产流量得以降低，在启动井口或者关闭井口操作时，需要注意整体稳定性。并且在实际操作当中，针对设备需要进行周期性检查，增强设备的安全性，并利用设备进行准确性校验。在上文模拟模型当中，可以得出相应的冲蚀速率云图，根据云图快速定位管道当中潜藏的危险部位，以此增强检测的针对性，提升检测效率。为保证管道正常工作，需要建立预防措施，通过具体的措施制度，为管道的安全运行提供保障，避免管道出现损坏而导致不可预知的损失。

参考文献

[1]崔璐,冉亚楠,李臻.颗粒冲蚀计算模型研究现状和展望[J].全面腐蚀控制,2021,31(02):52-54+77.

[2]李翔,李介普,幺成,王辉.输气管道冲蚀磨损数值模拟研究[J].当代化工,2019,44(11):2714-2716.

[3]王建才.液固两相流体冲刷腐蚀的协同作用[J].河南科技,2013(19):60.

[4]杜晓丹. 催化裂化油浆系统的冲刷失效研究[D].大连理工大学,2007.