一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法

摘要

本发明公开的是一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法，包括腐蚀产物保护膜特性分析和流体作用下失效预测分析两个过程；根据管道实际工况，运用流体力学相似理论，确定试验测试的管件规格、试验工况及流体介质，应用电化学测试方法进行冲蚀破坏的瞬态特性测试；建立流固耦合模型，初步设定腐蚀产物保护膜特性参数值，应用有限元分析软件进行流固耦合仿真计算，结合试验研究，修正腐蚀产物保护膜特性参数值；针对实际管道系统典型管件进行流固耦合仿真计算，实现管道系统冲蚀破坏失效定量预测，可科学、准确地预测出整个管道系统失效危险点，为压力管道系统的安全保障技术提供理论支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种管道系统冲蚀破坏失效预测方法，具体地说是涉及一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法。

背景技术

流体管道是在一定压力下输运流体的特种设备，已成为与公路、铁路、水运和航空并列的五大运输方式之一，广泛应用于原油、天然气、自来水、城市液化气以及流程工业领域中各种流体物料的输送，涉及到能源供应、企业生产、城市发展和人民生活等各个方面，其运行的可靠性直接关系到经济发展和公共安全，在国民经济中有着举足轻重的作用。管道在为人们提供输运方便的同时，也存在着极大的安全隐患，这主要体现在多相流腐蚀性介质对在役管道系统的冲蚀破坏。冲蚀破坏具有明显的局部性和突发性，特别在含水、腐蚀性、多相流介质流动下引起的冲蚀破坏更是复杂，导致管壁局部变薄，甚至穿孔。因流体管道失效常会造成生产装置停工、系统停运、甚至引发恶性事故，不仅给管道系统本身造成严重后果(如系统停输)，而且给社会和环境带来负面影响，引发恶性事故，直接威胁公众的安全，导致人身伤亡，社会负面影响巨大。

现有研究发现，流体管道失效的形式多样，失效机理十分复杂，其中由介质流动特性造成的冲蚀破坏失效是管道系统中最广泛也是常见的破坏形式。冲蚀是材料受流体冲刷和流体介质腐蚀共同耦合作用的结果，其失效机理非常复杂，影响管道冲蚀失效的因素很多，包括材料因素、电化学因素以及力学因素等，因此如何有效地避免流体管道的冲蚀失效是摆在我们面前亟需解决的一个问题。

针对目前石油化工、天然气、自来水、城市液化气等输送领域存在的冲蚀问题，现有研究存在的不足主要在于：

(1)目前针对管道系统腐蚀失效预测通常采用定期、定点的检测。检测位置、检测周期的确定是一大难题，实际工程中往往依据自身经验制订检测规范，缺乏理论依据，亟需研究者对管道系统的冲蚀规律加以研究，定量预测其腐蚀速率；

(2)目前的冲蚀破坏失效预测仅仅局限于腐蚀介质的分析以及参数(比如流速)影响规律的研究，没有建立在系统地对腐蚀与流体动力学的耦合作用研究上进行失效预测，更没有以腐蚀产物保护膜为对象进行介质流动与管壁耦合作用的预测研究，无法准确预测流体管道的失效位置与速率。

本发明所提供的一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法针对典型管件结构、实际运行工况、腐蚀性流体介质实际情况，结合流体力学相似理论开展流体管道失效的定量预测是解决目前管道系统失效的有效途径，具有特别重要的现实意义和可观的经济价值。

发明内容

针对国内外管道系统冲蚀研究存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法，适合于腐蚀与流动耦合作用的冲蚀机理、流固耦合的定量分析、保护膜冲蚀破坏临界特性或瞬态特性的试验研究及冲蚀失效预测、工业应用推广等完整的研究体系。能模拟工业环境中的实际工况条件，定量预测典型管件的冲蚀失效的一种方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，包括腐蚀产物保护膜特性分析和流体作用下失效预测分析两个过程：

一、腐蚀产物保护膜特性分析过程：

a、依据实际管道系统中某一典型管件结构、实际运行工况、实际腐蚀性流体介质情况，应用流体力学相似理论，确定用于试验测试的管件规格、试验运行工况以及腐蚀性流体介质；

b、应用电化学测试技术实现冲蚀破坏的瞬态特性测试；

c、依据试验测试管件规格及试验运行工况建立相应的局部流动与腐蚀耦合作用的力学模型，即流固耦合模型；

d、初步设定腐蚀产物保护膜特性参数值——名义弹性模量和名义泊松比，结合上述流固耦合模型，应用有限元分析软件进行流固耦合仿真计算，分析腐蚀产物保护膜破损情况；

e、对比分析试验研究和仿真计算，结合流体力学相似理论，修正腐蚀产物保护膜的名义弹性模量、名义泊松比，确定腐蚀产物保护膜特性参数值；

二、流体作用下失效预测分析过程：

结合腐蚀产物保护膜特性分析得到的腐蚀产物保护膜特性参数值，针对实际管道系统典型管件进行相应的流固耦合仿真计算，分析腐蚀产物保护膜破损情况，实现管道系统冲蚀破坏失效定量预测。

所述的典型管件即弯管、三通、大小头、衬管、多通道结合管、管道插入物或管束类设备。

所述的流体力学相似理论即几何相似理论、流动相似理论和运动相似理论。

所述的实际运行工况包括流量、压力和温度。

所述的名义弹性模量和名义泊松比即按弹性力学方法等效计算得出的弹性模量和泊松比。

本发明具有的有益效果是：运用流固耦合理论，研究腐蚀产物保护膜的破损情况，定量预测管件的失效位置与腐蚀速率，从而科学、准确地确定整个管道系统的危险位置和检测周期。具体地说，不同工况下管道系统生成的腐蚀产物保护膜的组成结构差别很大，其性能存在很大差异，而且就目前的检测水平很难对腐蚀产物保护膜的特性进行分析。本方法依据实际运行工况、腐蚀性流体介质物化特性，运用流体力学相似原理和模拟试验等理论，结合多相流冲蚀试验以及与之相对应的流固耦合仿真计算，对比分析并修正实际工况中的腐蚀产物保护膜特性参数；依据典型管件的流固耦合模型和腐蚀产物保护膜特性参数值开展流固耦合仿真计算，预测管道系统冲蚀破坏失效情况，可科学、准确地预测出整个管道系统失效危险点，为压力管道系统的安全保障技术提供理论支撑。

附图说明

图1是催化分馏塔顶回流管道系统中某一典型管件——弯管结构图。

图2是催化分馏塔顶回流管道系统弯管的流固耦合模型图。

图3是流固耦合分析流程图。

图中：1、流体进口，2、纯流体区域，3、流固耦合区域，4、腐蚀产物保护膜内表面，5、腐蚀产物保护膜(纯固体区域)，6、腐蚀产物保护膜外表面，7、碳钢弯管，8、流体出口。

具体实施方式

以下结合实施例子对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种基于流固耦合分析的冲蚀破坏失效定量预测方法，应用于对催化分馏塔顶回流管道系统的冲蚀破坏失效进行定量预测，包括腐蚀产物保护膜特性分析和流体作用下失效预测分析两个过程。

一、腐蚀产物保护膜特性分析过程：

a、催化分馏塔顶回流管道系统中某一典型管件——弯管的结构如图1所示，规格为325×8mm，曲率半径为450mm(1.5Dg)，系统腐蚀性流体介质在压力0.15Mpa、温度30℃下存在油、气、水三相，各相流量分别为26.21m³/h、4515m³/h和4.765m³/h，密度分别为701.7kg/m³、3.51kg/m³和988.8kg/m³，动力粘度分别为4.008×10^-4Pa·s、1.021×10^-5Pa·s和7.529×10^-4Pa·s，依据流体力学几何相似理论，结合试验装置要求(管件装有三电极探头，不宜过小)，试验测试的管件选用直径为φ60.3×5mm，曲率半径为75mm(1.5Dg)的弯管，依据流体力学流动相似理论及运动相似理论(V_实/V_模＝C，各相的体积相分率与实际工况一致，流体介质物化特性基本相似，流态相同即雷诺数相近)，结合试验本身特点(安全性、相似性等)，试验选用柴油、氮气、水作为模拟腐蚀性流体介质，在压力0.15Mpa、温度30℃下各相流量随水相成比例变化；

b、模拟试验采用环道式多相流冲蚀试验装置(发明专利申请号为：200710067815.1)，各相体积相分率保持不变，依据试验装置控制系统，通过控制水相的流量，不断地成比例调节各相的流量，通过冷却器、加热器等装置控制管件的温度为30℃(允许微小变化)，通过控制整个装置中气相(氮气)的量来调节管件的压力，维持在0.15Mpa，结合电化学测试系统，实现弯管冲蚀破坏的瞬态特性测试，捕捉腐蚀产物保护膜破损的临界流量；

c、依据试验管件规格建立相应的流动与腐蚀耦合作用力学模型，即流固耦合模型，如图2所示，分三个区域：纯流体区域2、流固耦合区域3及腐蚀产物保护膜(纯固体区域)5，设置速度进口、压力出口边界条件。腐蚀性流体介质以试验得到的临界流速经流体进口1流入弯管，由于流体动力粘度的存在，在局部管壁产生足够大的剪切应力，使得管壁腐蚀产物保护膜5变形或运动，甚至破损，碳钢弯管7便袒露在腐蚀性介质中，发生腐蚀作用，使得局部管壁减薄，局部减薄后的管件结构又反过来影响流场，影响流固耦合区域3流体的分布和大小，加速腐蚀产物保护膜5的破坏，由于腐蚀与流动交互作用，致使局部管壁减薄，甚至穿孔；

d、腐蚀产物保护膜是一种复杂的复合物，其性能既不符合弹性也不符合弹塑性或塑性，在不同条件下生成的腐蚀产物保护膜会有不同的组份，性能也会发生变化，可按弹性力学方法等效计算，初步设定腐蚀产物保护膜的名义弹性模量E_r和名义泊松比V_r的值为(E_r＝0.12GPa，V_r＝0.49)，结合流固耦合模型，确定边界条件和初始条件，应用ANSYS有限元分析软件进行流固耦合仿真计算，流固耦合作用仅仅发生在两相交界面上(腐蚀产物保护膜内表面4)，可通过两相耦合面的平衡及协调关系引入，采用物理环境顺序耦合法进行流固耦合分析，通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合，其流程如图3所示。对于流体物理环境，给流体区域、流固耦合区域赋予单元类型及材料属性并施加流体边界条件，设置速度进口、压力出口边界条件，腐蚀产物保护膜内表面4位移约束为零；对于结构物理环境，给流固耦合区域、固体区域赋予单元类型及材料属性并施加结构边界条件和载荷步，设置流体进口1、流体出口8位移约束为零，腐蚀产物保护膜外表面6轴向位移约束为零；应用牛顿—拉斐逊迭代进行流体/固体循环求解。通过对腐蚀产物保护膜流固耦合仿真计算，分析腐蚀产物保护膜破损情况；

e、运用流体力学相似理论对比分析试验研究和仿真计算结果，不断地修正腐蚀产物保护膜的名义弹性模量、名义泊松比，确定腐蚀产物保护膜特性参数值；

在流体作用下失效预测分析过程：

f、结合上述腐蚀产物保护膜特性分析得到的腐蚀产物保护膜特性参数值对催化分馏塔顶回流管道系统其它典型管件进行相应的流固耦合仿真计算，分析腐蚀产物保护膜破损情况，实现催化分馏塔顶回流管道系统冲蚀破坏失效定量预测，确定催化分馏塔顶回流管道系统的检测位置和检测周期。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。