考虑液相积聚和侵蚀作用的高硫天然气站高压通风管道腐蚀的数值研究

《Frontiers in Materials》：Numerical study of corrosion in high pressure vent pipelines at high sulfur natural gas stations considering liquid phase accumulation and erosion

高硫天然气站加压排放管道肘部存在酸性腐蚀和冲刷腐蚀问题，威胁安全。传统经验式测厚方法无法全面评估腐蚀状态。本研究基于CFD模拟，分析气体-液体两相流场分布，确定液相积累区域和腐蚀敏感区，并与现场超声波测厚数据验证，建立液相体积分数与腐蚀厚度 reduction的定量关系（相关系数>0.69）。结果表明，连续肘部段因二次流强化导致液相富集更显著，最大腐蚀厚度出现在肘部外侧45°-90°方位，与模拟预测吻合。研究为优化腐蚀监测点布局和预防措施提供理论依据。

　　在高硫天然气站的排气管道中，尤其是管道弯头部位，常常发生酸性腐蚀和磨损，这严重影响了管道的安全性。传统上，现场对管道壁厚进行测量通常依赖于经验，选择一些容易发生腐蚀的区域，如弯头、三通和变径处，这种做法虽然在一定程度上能够识别腐蚀区域，但缺乏系统性和精确性。此外，由于排气管道通常安装在高处，直径较小，现场检查存在操作难度；部分埋地管道也存在检测盲区，导致传统测量方法无法全面、准确地反映整个排气管道的腐蚀状况。因此，有必要通过先进的模拟技术，如计算流体力学（CFD），来更精确地预测排气管道的腐蚀情况，从而为现场检测点的选择提供科学依据。

### 1. 引言

排气管道是天然气站中不可或缺的组成部分，其主要功能是排放可能威胁管道正常运行和维护的物质，以确保天然气站的安全稳定运行。然而，在高硫天然气站中，排气管道的腐蚀问题尤为突出。高硫天然气中含有大量的硫化氢（H?S），在与液态水接触时，会形成酸性物质，导致金属材料的化学腐蚀；同时，排气过程中气流携带的液滴撞击管道内壁，形成表面磨损。这两种机制共同作用，导致管道壁厚减薄，缩短了其使用寿命，并对整体安全构成威胁。

为了保障排气管道的安全运行，通常需要定期进行壁厚测量。然而，现场人员往往依赖经验来选择检测点，这种做法在缺乏理论支持的情况下，容易导致检测遗漏。此外，由于排气管道的特殊布置，如高处安装、小直径等，现场检测存在操作上的困难。因此，传统方法在评估整个排气管道的腐蚀状况时存在局限性。

为了解决上述问题，近年来研究人员开发了多种预测内部腐蚀的方法，主要集中在识别液体水的积聚位置和磨损区域。文献综述表明，CFD已被广泛应用于一般管道的腐蚀预测，特别是在天然气输送管道中。例如，某些研究通过CFD模拟分析了两相流中水相体积分数和壁面剪切应力的分布，从而识别出水积聚区域和潜在的腐蚀点。还有研究结合了Euler/Lagrange模型和磨损模型，评估了诸如液滴速度、直径、数量密度、冲击角度、材料硬度、液膜厚度和磨损深度等因素对壁厚减薄的影响。此外，也有研究关注了矩形管道和三通结构中的磨损模式，发现盲端三通的磨损最为严重。这些研究充分展示了CFD在模拟流体动力学、液相分布和磨损方面的有效性，适用于涉及固态颗粒或两相流的各类天然气管道。

尽管上述研究取得了显著进展，但对于高硫天然气站中排气管道的腐蚀预测研究仍相对有限。多数现有研究集中于生产或输送管道，很少关注排气系统的独特特征，如高压、间歇性排气、复杂的几何结构（如高处安装的小直径排气管道）以及高浓度的H?S。在高硫环境中，某些研究已经尝试模拟排气管道的腐蚀情况，基于壁面液相聚集和液滴磨损，分析流场和液相沉积以预测腐蚀高风险区域。例如，某些研究通过数值模拟分析了中压排气管道内部壁面液相分布，验证了基于流体动力学和H?S分布的预测方法的可靠性。

综上所述，现有文献中关于高硫排气管道腐蚀预测的研究仍存在一定的空白，包括缺乏针对高硫排气管道的专用CFD应用、现场数据验证不足以及模拟参数（如液相体积分数）与腐蚀严重程度之间的定量关系尚未明确。因此，本研究具有一定的创新性和实用性，旨在填补这一领域知识的空白。

### 2. 数值模拟

本研究使用CFD对高硫天然气站中的高压排气管道进行了模拟，以识别腐蚀敏感区域。模拟的管道模型基于现场测量的实际几何形状，从而能够准确再现排气管道的真实布局和边界条件，使模拟的液相积聚和磨损位置更具代表性。

在模拟过程中，采用了RNG k-ε湍流模型，该模型在预测弯曲管道中的旋涡和回流现象方面优于标准k-ε模型，同时保持了数值计算的稳定性和计算成本的适中性。研究中对模拟结果进行了验证，通过现场测量的壁厚数据对比，以确保模拟结果的可靠性。为了进一步提高模拟精度，研究者对模拟参数进行了优化，包括液相体积分数、液膜厚度等。

此外，研究中还考虑了网格独立性测试，以确保模拟结果不受网格尺寸的影响。通过逐步减小网格尺寸，分析了液相体积分数和液膜厚度的变化，发现当网格尺寸减小到3 mm时，这些参数的变化趋于稳定，表明此时的网格划分已经足够精确。因此，选择了3 mm的网格尺寸，并对弯头区域进行了网格细化处理，以提高局部区域的模拟精度。

在模拟设置中，还考虑了流体的流速、压力和温度等边界条件，以确保模拟结果符合实际运行情况。流体的流速设定为15 m/s，压力为7 MPa，温度为14°C，液相体积分数为0.198%。这些参数的选择基于现场测量数据，并确保了模拟的真实性和有效性。

通过上述模拟设置，研究者成功地识别了排气管道中液相积聚和磨损的主要区域，并对这些区域的腐蚀程度进行了定量分析。这不仅有助于理解排气管道内部的流体动力学特性，还为现场检测点的选择提供了科学依据。

### 3. 结果分析

研究结果表明，排气管道内部的二次流现象导致液相在弯头外侧积聚。连续弯头的二次流现象更为显著，使得液相更容易在外侧聚集。随着流体流动距离的增加，二次流的强度逐渐减弱，液相的积聚也相应减少。

在不同弯头的各个平面中，液相体积分数和磨损率呈现出一定的分布规律。例如，在弯头1的0°平面中，液相体积分数先减少后增加，而磨损率则呈现出相似的趋势。弯头2的45°平面中，液相体积分数在测量点6处达到峰值，磨损率也相应较高。弯头3的90°平面中，液相体积分数和磨损率均在外侧达到最大值，表明此处的腐蚀最为严重。弯头4的液相体积分数和磨损率相对较低，这可能与其下游流体能量衰减有关。

此外，研究者还通过相关系数分析了液相体积分数与壁厚减薄之间的关系。相关系数的计算公式表明，当相关系数接近1时，两者之间存在较强的正相关关系。在弯头区域（平面1至9、11至13）中，相关系数均在0.69以上，而在直管区域（平面10和14）中，相关系数则稍低，但仍然在0.69以上，表明液相体积分数与壁厚减薄之间存在较强的关联性。这一结果为优化检测点的选择提供了科学依据。

研究还发现，CFD模拟结果与现场测量数据之间存在良好的一致性，相关系数达到了0.72，表明模拟方法具有较高的可靠性。同时，平均绝对百分比误差（MAPE）为8.6%，进一步验证了模拟结果的定量准确性。

### 4. 结论

本研究通过对高硫天然气站中高压排气管道的流体动力学、液相体积分数分布和磨损现象的分析，结合现场壁厚测量数据，验证了CFD模拟结果的有效性。主要结论如下：

1. 弯头内部存在二次流现象，导致液相在外侧积聚。连续弯头的二次流现象更为显著，使得液相更容易在外侧聚集。随着流体流动距离的增加，二次流的强度逐渐减弱。

2. 在相同的流速条件下，四个弯头的磨损程度存在差异。磨损最严重的位置是弯头的外侧，特别是在45°至90°的平面之间。这表明CFD模型在识别潜在腐蚀热点方面具有较高的准确性。

3. 液相积聚和磨损共同导致了壁厚减薄。液相体积分数与壁厚减薄之间存在较强的正相关关系，相关系数均在0.69以上。这一定量关系为高硫排气管道的腐蚀监测点选择和检测周期优化提供了科学依据。

综上所述，本研究建立了一种经过验证的CFD方法，用于预测复杂排气管道系统的腐蚀敏感区域。研究结果不仅有助于提高高硫天然气站中排气管道的安全性，也为未来的腐蚀监测和管理提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探索将CFD模拟结果与现场腐蚀监测数据相结合，实现对管道完整性进行实时管理。